Pobierz DIAGNOSTYKA SILNIKÓW ASYNCHRONICZNYCH ... i więcej Schematy w PDF z Maszyny elektryczne tylko na Docsity!
Marek Gała, Kazimierz Jagieła, Janusz Rak, Marek Kępiński
Politechnika Częstochowska, Częstochowa
DIAGNOSTYKA SILNIKÓW ASYNCHRONICZNYCH PIERŚCIENIOWYCH NAPĘDU MŁYNA CEMENTU
DIAGNOSTICS OF A CEMENT MILL DRIVE
WITH ASYNCHRONOUS SLIP-RING MOTORS
Streszczenie: W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia diagnostyki napędu młyna cementu z dwoma silnikami asynchronicznymi pierścieniowymi zasilanymi z sieci przemysłowej 6 kV. Badane silniki wyposa- żone są w rozruszniki wodne i napędzają za pośrednictwem przekładni wieńcowej bęben młyna cementu. Na podstawie przebiegów napięciowo-prądowych zarejestrowanych w trakcie rozruchu i w stanie obciążenia wy- znaczono wartości charakterystycznych wskaźników wykorzystanych w procesie diagnostyki układu napędo- wego. Stwierdzono zwiększoną asymetrię prądową jednego z silników. W analizie wykorzystano tzw. sygnał "ruchomy" dokonując jego analizy częstotliwościowej w zakresie występowania inter-harmonicznych w wid- mie modułu wektora przestrzennego prądu | Iαβ |. Przedstawiono wyniki badań w postaci zmierzonych oraz wy- liczonych charakterystyk i parametrów badanego zespołu napędowego. W końcowej części artykułu zamiesz- czono podsumowanie i wnioski końcowe.
Abstract: The paper deals with selected problems of diagnostics of a cement mill drive with two asynchro- nous slip-ring motors supplied from an industrial 6 kV power network. The motors are equipped with water starters and drive the mill barrel through a rim gear. The values of characteristic indices used for the system diagnostics were evaluated on the basis of voltage-current waveforms recorded during the startup and under load. It was found that one of the motors had increased current asymmetry. The analysis was carried out using so called “moving” signal and its spectral analysis paying special attention to occurrence of inter-harmonics in the spectrum of absolute value | Iαβ | of the spatial current vector. The results are presented in the form of meas- ured and evaluated characteristics and parameters of the considered drive unit. The summary and conclusions are included at the end of the paper.
Słowa kluczowe: diagnostyka, silniki indukcyjne, analiza częstotliwościowa prądu, interharmoniczne Keywords: diagnostics, induction motors, frequency analysis of current, interharmonics
1. Wstęp
W przemysłowych układach napędowych po- wszechnie stosowane są silniki asynchroniczne, najczęściej z wirnikiem klatkowym, z uwagi na prostotę budowy i dużą niezawodność. Jednak w zespołach elektromaszynowych dużej mocy przy ciężkim rozruchu instaluje się silniki asyn- chroniczne pierścieniowe zasilane napięciem 6 kV. W trakcie eksploatacji zespołów napędo- wych następuje stopniowe zużycie elementów mechanicznych oraz mogą wystąpić uszkodze- nia w uzwojeniach stojana i wirnika [2, 4, 5]. Pogorszenie stanu technicznego napędu może doprowadzić do awarii, przerwy w produkcji i dodatkowych kosztów remontu. Dlatego tak ważna jest diagnostyka eksploatacyjna maszyn, która pozwala wykryć uszkodzenie we wcze- snym stadium rozwoju i uniknąć kosztownej awarii poprzez odpowiednio wczesne wykona- nie remontu napędu [2, 4, 5, 6]. Monitorowanie pracy napędu i jego diagnosty-
ka może być realizowane w sposób [5]:
- ciągły (on-line),
- okresowy,
- inspekcyjnie w określonych sytuacjach. W praktycznej diagnostyce maszyn i urządzeń w warunkach przemysłowych występuje wiele problemów utrudniających ocenę stanu tech- nicznego. Pojawiają się one w różnych stadiach prac diagnostycznych, poczynając od pomiarów (dostępność sygnałów diagnostycznych, wystę- pujące zakłócenia), poprzez etap analizy uzy- skanych sygnałów, aż do właściwej interpretacji otrzymanych wyników [1].
2. Diagnostyka silników indukcyjnych
w oparciu o sygnały prądowe
Dla napędów z silnikami indukcyjnymi podsta- wowym analizowanym sygnałem są prądy fazo- we stojana, w których zawarte są symptomy uszkodzeń elektrycznych i mechanicznych [5].
Objawem pogorszenia stanu technicznego napę- du jest asymetria prądów silnika występująca podczas rozruchu i w stanie ustalonym pod ob- ciążeniem, która nie wynika z parametrów na- pięć w sieci zasilającej. Stopień niesymetrii na- pięć K 2 U i prądów K 2 I można określić, stosując metodę składowych symetrycznych, według na- stępujących zależności:
100 % 1
2 2 U
U
K U = ;^100 %
1
2 (^2) I
I
K I = (1)
gdzie: U 2 , I 2 – wartości skuteczne składowych symetrycznych kolejności przeciwnej; U 1 , I 1 – wartości skuteczne składowych symetrycznych kolejności zgodnej. Wskazanie rodzaju uszkodzenia wymaga prze- prowadzenia analizy przebiegów prądu w dzie- dzinie czasu i częstotliwości [5]. W diagnostyce silników indukcyjnych na podstawie prądów fazowych stojana najczęściej stosuje się analizę spektralną prądu stojana MCSA (ang. Motor Current Signature Analysis ) oraz wektora prze- strzennego prądu stojana EPVA (ang. Ex- tended Park’s Vector Approach ) [9]. W meto- dach tych poszukuje się charakterystycznych częstotliwości, wskazujących na rodzaj uszko- dzenia, przy czym do oceny stopnia uszkodze- nia służą wartości amplitud tych harmoni- cznych [1, 2, 5, 6, 7, 8, 9]. Na podstawie ana- lizy widmowej prądu można określić następu- jące nieprawidłowości [1, 2, 5, 6, 7, 9]:
- uszkodzenia wirnika,
- zwarcia w uzwojeniach stojana,
- asymetrię napięć zasilających,
- nierównomierność szczeliny powietrznej (nie- doskonałość wykonania i montażu, lub uszko- dzenie łożyska),
- nieosiowe sprzęgnięcie silnika z maszyną. Przy zasilaniu silnika napięciem sinusoidalnym, w przypadku uszkodzenia klatki lub asymetrii uzwojeń wirnika, pojawiają się są składowe prądu o częstotliwościach [2, 6]: fk 1 , 2 = ( 1 + 2 ks ) f 1 (2) gdzie: f 1 – częstotliwość zasilania; s – poślizg; k = ±1, ±2, ±3, ... W celu diagnozy stanu silnika należy wykonać analizę spektralną sygnału prądu stojana dla rozruchu i stanu ustalonego przy obciążeniu ponad 50% [1, 4]. Współcześnie analizę często- tliwościową sygnałów prądowych prowadzi się wykorzystując algorytm szybkiej transformaty Fouriera (FFT) [2, 6]. W stanie ustalonym skła-
dowe spektralne w widmie prądu wskazujące na uszkodzenia występują głównie wokół często- tliwości zasilania f 1 =50 Hz, a ich wartość jest niewielka na tle dominujących harmonicznych związanych z częstotliwością napięcia zasilają- cego. Utrudnia to jednoznaczną diagnozę stanu silnika [1, 6]. Ograniczenia te nie występują w diagnostyce opartej na analizie widmowej modułu wektora przestrzennego prądu stojana EPVA [6, 9]. W metodzie tej układ trójfazowy prądów silnika ( iL 1 , iL 2 , iL 3 ) zostaje przekształ- cony do układu dwufazowego zapisanego we współrzędnych nieruchomych α-β. Składowe ortogonalne ( i α, i β) wektora przestrzennego prą- du uzyskuje się z przekształcenia (3):
3
2
1
L
L
L
i
i
i
i
i
β
α (^) (3)
Na podstawie składowych iα oraz iβ wyznacza się moduł wektora przestrzennego prądu | Iαβ | zgodnie z zależnością: 2 2
IP = I αβ = i α+ i β (4)
Ponieważ moduł IP nie zawiera częstotliwości związanych z napięciem zasilania, analiza widmowa tego sygnału umożliwia wydzielenie składowych spektralnych o małych amplitu- dach, co ułatwia rozpoznanie charakterysty- cznych symptomów uszkodzenia silnika [6, 9]. W przypadku uszkodzenia prętów klatki lub asymetrii wirnika, w widmie modułu wektora przestrzennego prądu IP występują składowe o częstotliwościach:
fPk = 2 ksf 1 (5)
gdzie: k = 1, 2, 3,... Przy asymetrii napięć zasilających, a także przy zwarciach zwojowych w stojanie, w widmie modułu wektora prądu stojana IP pojawia się harmoniczna o częstotliwości równej podwójnej częstotliwości napięcia zasilania [6, 9]:
fA = 2 f 1 (6)
W przypadku niewspółosiowości wirnika sil- nika z maszyną roboczą, w widmie modułu prądu IP pojawiają się składowe o częstotliwo- ściach fmk , określonych formułą [5, 6]:
1
f
p
s
fmk k
gdzie: p – liczba par biegunów silnika; k = 1, 2, 3, ...
167 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101)
-^ IL -^ **_I
[A]^
silnik
M„L”
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
(^0102030405060708090100)
-^ IL -^ **_I
[A]
Czas [s]^ Czas [s]
-^ IL -^ **_I
[A]^
silnik M
„P”
0
100
200
300
400
500
600
700
(^0102030405060708090100)
-^ IL -^ **_I
[A]
Czas [s]^ Czas [s]
Rys. 1. Schemat napędu młyna cementu z zazna- czeniem systemu i punktów pomiarowych [3] W układzie napędowym młyna cementu M za- stosowano dwa silniki asynchroniczne pierście- niowe M„L” i M„P” o mocy po 2 MW każdy, za- silane z sieci 6 kV. Silniki poprzez reduktory P1 i P2 przenoszą momenty napędowe do prze- kładni PW i dalej na koło wieńcowe połączone z bębnem młyna kulowego. Łagodny rozruch silników realizowany jest za pomocą rozrusz- ników wodnych RW, przy czym w końcowej fazie rozruchu wyprowadzenia z pierścieni są zwierane stycznikami. W celu przeprowadzenia badań diagnosty- cznych silników napędu młyna zastosowano metodę komputerową rejestracji danych z wy- korzystaniem kart pomiarowych oraz programu narzędziowego DASYLab. System pomiarowy wraz z zaznaczeniem punktów pomiarowych pokazano na rysunku 1. Do rejestracji przebie- gów napięcia i prądów silników napędu młyna zastosowano analizator PQM-C610 do monito- rowania sygnałów napięciowo-prądowych ja- kości energii elektrycznej. System PQM-C wyposażony jest w kartę akwizycji danych DAQ posiadającą 16-bitowe przetworniki A/C i gwarantuje ciągły pomiar oraz rejestrację każ-
dego z sygnałów z częstotliwością próbko-wa- nia wynoszącą 40 kHz. Wejściowe obwody napięciowe analizatora PQM-C610 (sygnały S3 na rys. 1) zostały pod- łączone poprzez przetworniki LEM LV25-P (PPN) do obwodów wtórnych zabudowanych w rozdzielni przekładników napięciowych PN. Natomiast prądy fazowe stojanów silników (lewego M„L” i prawego M„P” – sygnały S1 i S2) mierzono za pośrednictwem przetworników prądowych PP1 i PP2 typu LEM LA55-P, włą- czonych w obwody wtórne istniejących w rozdzielnicy przekładników prądowych PP. Do pomiaru prądów w obwodach wirników za- stosowano cęgowe przetworniki prądu PR typu PR1560. Dane pomiarowe rejestrowane przez analizator przesyłano do komputera PC wypo- sażonego w dedykowane oprogramowanie słu- żące do ich wizualizacji, akwizycji i analizy.
4. Wyniki pomiarów i ich analiza
Dzięki zastosowaniu komputerowego systemu monitorowania jakości energii elektrycznej typu PQM-C610 mierzono i rejestrowano w sposób ciągły wartości chwilowe napięć fazowych UL 1 , UL 2 i UL 3 , prądów stojana IL 1 , IL 2 i IL 3 silnika le- wego (M„L”) i prawego (M„P”) w polu odpły- wowym rozdzielni 6 kV oraz prądów wirnika Iw 1 , Iw 2 i Iw 3 obu silników na przyłączu kabli od pierścieni ślizgowych wirnika do rozrusznika.
b)
Rys. 2. Wartości skuteczne prądów fazowych stojana silników napędu młyna cementu w czasie rozruchu i podczas pracy [3]: a) silnik lewy M„L”, b) silnik prawy M„P”
-^ K
[%2U ]^ silnik
M„L”
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
(^0102030405060708090100)
-^ nU
[%]
Czas [s]^ Czas [s]
-^ K
[%]2I
silnik M
„L”
0
4
8
12
16
20
24
(^0102030405060708090100)
-^ nI
[%]
Czas [s]^ Czas [s]
-^ K
[2U %]^
silnik M
„P”
0,
0,
0,
0,
0,
1,
1,
1,
(^0102030405060708090100)
-^ nU
[%]
Czas [s]^ Czas [s]
-^ K
[%]2I
silnik M
„P”
0
5
10
15
20
25
30
35
(^0102030405060708090100)
-^ nI
[%]
Czas [s]^ Czas [s]
-^ IL -^ I
L2^ –
IL^
[A]^
silnik M
„L”
_-
-_ - -
25
75
125
175
225
(^01020304050607080)
-^ IL -^ **_I
[A]
Rys. 2. Wartości chwilowe prądów I , I , I , I zarejestrowane w rozdzielnicy zasilającej obwody Czas [s]^ Czas [ms]
Pomiary wykonano w trakcie rozruchu i pod- czas normalnej pracy układu napędowego pod obciążeniem. Zarejestrowane wyniki pomiarów przebiegów czasowych napięć i prądów pod- dano analizie numerycznej. Obliczenia wykona- no przy zastosowaniu programów narzędzio- wych DASYLab, SCILAB i MATLAB. Na rysunku 2 zamieszczono przebiegi wartości skutecznych prądów fazowych stojana silników podczas rozruchu i dla stanu ustalonego, a na rysunku 3 przebiegi czasowe prądów stojana lewego silnika M„L” dla pracy pod obciążeniem. W pierwszej fazie rozruchu w trakcie przejścio- wych procesów elektromagnetycznych trwają- cych około 200 ms wartości skuteczne prądów stojana osiągają maksymalną wartość 500 A dla silnika M„L” oraz 620 A dla silnika M„P”. Na- stępnie prądy rozruchowe maleją od poziomu ok. 300 A do wartości 110 A (poza fazą L1 sil- nika M„L”, gdzie wartość prądu jest wyższa i wynosi 125 A) po upływie 20 sekund od startu napędu (rys. 2). Rozruch trwa 35 sekund i po zwarciu uzwojeń wirnika stycznikami następuje przejście do normalnej pracy. W tym stanie w przebiegach wartości skutecznych prądów stojana obu silników pojawia się składowa oscylacyjna o okresie 3,75 sekundy, wynikająca ze zmian momentu bezwładności napędu przy przemieszczaniu klinkieru i kul w bębnie mły- na. Przy pracy pod obciążeniem prądy silnika prawego są symetryczne IL 1 = IL 2 = IL 3 = 120 A (wartość średnia), natomiast w silniku M„L” wy- stępuje asymetria: IL 1 = 140 A; IL 2 = IL 3 = 125 A (rys. 2a i przebiegi na rysunku 3).
Rys. 3. Przebiegi czasowe prądów fazowych sto- jana lewego silnika M„L” napędu młyna cementu w stanie pracy ustalonej [3]
Na rysunkach 4 i 5 pokazano wyznaczone wg zależności (1) współczynniki niesymetrii napięć K 2 U i prądów K 2 I zasilania dla obu silników podczas rozruchu i dla stanu ustalonego. Asy- metria napięć jest niewielka (ok. 0,5 %) i pra- ktycznie nie ma wpływu na przebiegi prądów.
Asymetria prądów dla lewego silnika w stanie pracy ustalonej wynosi 4 %, natomiast dla sil- nika prawego 2 %. Także w trakcie rozruchu, poza przejściowym stanem elektromagnetycz- nym, asymetria prądowa silnika lewego utrzy- muje się na wyższym poziomie niż dla silnika prawego (rys. 4 i 5).
Rys. 4. Współczynniki asymetrii napięć i prądów stojana podczas rozruchu i w stanie ustalonej pracy lewego silnika M„L” napędu młyna [3]
Rys. 5. Współczynniki asymetrii napięć i prądów stojana podczas rozruchu i w stanie ustalonej pracy prawego silnika M„P” napędu młyna [3]
-^ FFT I
[A]p
silnik
M„P”
(^00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 )
2
4
6
8
10
12
f [Hz] Rys. 11. Widmo częstotliwościowe modułu we- ktora przestrzennego prądu stojana podczas pracy prawego silnika napędu młyna [3]
Do oceny asymetrii wirnika na podstawie skła- dowych harmonicznych zgodnie ze wzorem (5) wyliczono, że przy poślizgu s = 0,0034 w stanie ustalonym byłyby to harmoniczne o częstotli- wościach fPk = 0,34 Hz; 0,68 Hz; 1,02 Hz; itd. Faktycznie w widmach modułów prądów wy- stępują składowe w tym zakresie częstotliwości, co może świadczyć o nieznacznej niesymetrii konstrukcyjnej wirników. Natomiast prążki o częstotliwości 30 Hz i 60 Hz wskazują na wy- stępowanie ekscentryczności w układzie me- chanicznym napędu młyna. W badaniach diagnostycznych silników napę- dowych M„L” i M„P” wykorzystano także wska- źniki K bazujące na wartości skutecznej "rucho- mej" prądu. Obliczone na podstawie zależności (11) ÷ (14) wartości zamieszczono w tabeli 3.
Tabela 3. Zestawienie współczynników K dla silników napędowych młyna cementu [3]
Wartość K 1 K 2 K 3 K 4 K Silnik lewy M„L” minimum 1,072 1,001 1,007 1,000 1, średnia 1,079 1,012 1,008 1,001 1, maksimum 1,103 1,047 1,008 1,001 1, Silnik prawy M„P” minimum 1,065 1,001 1,007 1,000 1, średnia 1,078 1,012 1,008 1,001 1, maksimum 1,096 1,046 1,009 1,004 1,
Porównując wyliczone wskaźniki z wartościami kryterialnymi pokazanymi w tabeli 1, można uznać, że z punktu widzenia diagnostyki oba silniki są w dobrym stanie technicznym.
5. Podsumowanie
Z przeprowadzanych badań diagnostycznych napędu młyna cementu wynika, że stan tech- niczny silnika prawego M„P” jest lepszy niż le- wego M„L”. Na podstawie pomiarów prądów
i ich analizy sformułowano następujące wnio- ski:
- w silniku lewym występuje zbyt duża asy- metria prądów stojana; co może wskazywać na pogorszenie stanu izolacji stojana i wy- stępowanie zwarć zwojowych (zalecono ba- dania kontrolne);
- pomiary termowizyjne nie wykazały iskrze- nia na pierścieniach ślizgowych wirników obu silników, a temperatura ich korpusów i głowic jest w dolnej strefie norm;
- istnieje ekscentryczność w układzie mecha- nicznym, co wynika z pomiarów mechani- cznych (owalizacja pierścieni ślizgowych obu wirników) i występowania interharmo- nicznej o częstotliwości 30 Hz w widmach modułów wektorów prądu stojana.
6. Literatura
[1]. Dybowski P., Rams W., Rusek J.: Problemy pra- ktycznej diagnostyki maszyn indukcyjnych w przemyśle. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007, s. 109-113. [2]. Gawor G., Szymaniec S.: Przemysłowe badania diagnostyczne napędów elektrycznych. Zeszyty Pro- blemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010, s. 29-34. [3]. Jagieła K., Gała M.: Ekspertyza napędu młyna cementu. Część II. Pomiary elektryczne silników asyn- chronicznych pierścieniowych. Lipiec 2013. (oprac. niepublikowane). [4]. Glinka T.: Badania diagnostyczne maszyn elek- trycznych w przemyśle. BOBRME Komel, Katowice
[5]. Kowalski Cz. T., Ewert P.: Zastosowanie analizy widmowej prądu stojana do monitorowania ekscen- tryczności silników indukcyjnych. Prace Naukowe In- stytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. Nr 60. Studia i Materiały Nr 27/2007, s. 12. [6]. Pawlak M., Żarczyński Z.: Przenośny system po- miarowy do diagnostyki silników indukcyjnych. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. Nr 62. Stu- dia i Materiały Nr 28/2008, s. 528-535. [7]. Sołbut A.: Sygnał diagnostyczny dla silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia. Diagnostyka'32, s.19-22; vol. 32/2004. [8]. Sołbut A.: Możliwości automatycznej oceny stanu układu napędowego z maszyną indukcyjną. Dia- gnostyka'35, s. 13-16; vol. 35/2005. [9]. Wolkiewicz M., Kowalski Cz. T.: Wykrywanie i lokalizacja zwarć zwojowych silnika indukcyjnego przy wykorzystaniu analizy składowych głównych hodografu wektora przestrzennego prądu stojana. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Po- miarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. Nr 65. Studia i Materiały Nr 31/2011, s. 179-191.
