Dołącz do czytelników
Brak wyników

Nowoczesne metody diagnozowania napędów elektrycznych

Artykuł | 14 grudnia 2020 | NR 5
0 88

Napędy elektryczne są kluczowymi ogniwami w realizacji podstawowych funkcji maszyn i urządzeń. Awaria napędu elektrycznego jest jednoznaczna z zatrzymaniem maszyny roboczej, a co za tym idzie – z zakłóceniem lub całkowitym przerwaniem procesu produkcyjnego skutkującym zwykle dużymi stratami finansowymi przedsiębiorstwa. Jeden ze sposobów redukcji strat stanowi stosowanie predykcyjnej strategii utrzymania ruchu wykorzystującej nowoczesne metody i narzędzia diagnostyczne.

 

Napędy elektryczne i ich uszkodzenia

W maszynach i urządzeniach stosowane są rozmaite napędy prądu przemiennego. Najczęściej są to indukcyjne asynchroniczne silniki elektryczne prądu przemiennego, głównie trójfazowe, o małej i średniej mocy, z czego większość to silniki klatkowe, zazwyczaj o dwóch parach biegunów. Znajdują one najczęściej zastosowanie w maszynach pomocniczych (wentylatory, pompy, przekładnie). W przypadku dużych maszyn, głównie w przemyśle ciężkim, spotyka się silniki synchroniczne dużej mocy. W przypadku maszyn wieloosiowych i w systemach automatyki chętniej stosuje się serwonapędy i serwosilniki.

Napędy elektryczne należą do maszyn, których poziom awaryjności uzależniony jest od szeregu czynników mogących występować w warunkach przemysłowych. Główne z nich to [3]:

  • niska jakość energii elektrycznej, np. asymetria napięcia, zniekształcenia harmoniczne, stany nieustalone;
  • zakłócenia elektryczne generowane np. przez przemienniki częstotliwości;
  • przeciążenia elektryczne i mechaniczne, niekontrolowane rozruchy;
  • czynniki mechaniczne wynikające z eksploatacji i/lub nieprawidłowej obsługi, np.: niewspółosiowość, niewyrównoważenie wirnika, nadmierne luzy, zużycie łożysk, miękka podstawa itp.;
  • nieprawidłowe lub niedostateczne smarowanie łożysk;
  • czynniki środowiskowe, np. zapylenie powietrza, substancje chemiczne, duża wilgotność, wysoka temperatura lub duża zmienność temperatury otoczenia (np. w przypadku silników eksploatowanych na zewnątrz).

Jak pokazują raporty firm ubezpieczeniowych, np. Allianzu (rys. 1), w silnikach indukcyjnych niskiej i średniej mocy najczęściej, bo w ok. 51% przypadków, występują uszkodzenia łożysk, uszkodzenia stojana stanowią ok. 25%, a wirnika – ok. 6%. Inne uszkodzenia to ok. 18%. Natomiast w przypadku silników dużej mocy dominują uszkodzenia stojana (ok. 68%). Problemy z wirnikiem i łożyskami występują w ok. 13%. Inne uszkodzenia to tylko 6%. Dominacja uszkodzeń stojana wynikać może z nieprawidłowej eksploatacji silników, które bardzo często są łożyskowane ślizgowo, co często jest przyczyną powstawania nadmiernych luzów i ocierania wirnika o stojan.

 

Rys. 1. Procentowy udział uszkodzeń w silnikach a) małej i średniej mocy, b) dużej mocy [12]

 

Przedstawione statystyki pokazują, że większość uszkodzeń ma charakter mechaniczny. Udział defektów obwodów elektrycznych i magnetycznych, m.in. ze względu na stosowanie przez producentów silników materiałów izolacyjnych o lepszej jakości, systematycznie spada.

 

Metody diagnozowania napędów elektrycznych

Diagnozowanie stanu technicznego napędów elektrycznych jest podstawowym elementem predykcyjnej strategii utrzymania ruchu. Diagnostyka może być prowadzona w trybie offline i online. Diagnostyka offline wymaga wyłączenia napędu z eksploatacji i przeprowadzania inspekcji metodami demontażowymi i/lub bezdemontażowymi. W trakcie tego typu badań ocenia się wizualnie lub za pomocą odpowiednich narzędzi pomiarowych podzespoły mechaniczne i obwody elektryczne.

Ocena stanu w trybie offline, ze względu na konieczność zatrzymania napędu i często potrzeby jego całkowitego albo częściowego demontażu, jest kosztowna. O wiele tańsze i również bardzo skuteczne podejście stanowi prowadzenie diagnostyki online, w trakcie eksploatacji napędu w sposób ciągły lub okresowy. Badania okresowe polegają na przeprowadzaniu cyklicznych, co 1–6 miesięcy, inspekcji, w trakcie których wykonywane są pomiary wybranych parametrów diagnostycznych, na podstawie których tworzone są trendy zmian. Analiza trendów pozwala w skuteczny sposób identyfikować zmiany stanu technicznego napędu. Najskuteczniejszym sposobem diagnozowania napędów jest ich ciągłe monitorowanie i diagnostyka. W tym przypadku sensory pomiarowe montowane są w maszynie na stałe, co pozwala na bieżąco odczytywać, analizować i śledzić zmiany stanu. Niejednokrotnie proces ten realizowany jest w trybie automatycznym przez systemy SCADA lub inne rozwiązania systemowe stosowane w przedsiębiorstwach. Ciągłe monitorowanie najczęściej stosuje się do napędów krytycznych średniej i dużej mocy.

W diagnostyce napędów elektrycznych wykorzystywane są różnorodne parametry diagnostyczne, które ze względu na mierzone wielkości fizyczne można podzielić na elektryczne, wibroakustyczne, cieplne, trybologiczne (badania środków smarnych) i chemiczne. Do najczęściej stosowanych należą metody bazujące na pomiarach parametrów elektrycznych, pomiarach drgań i pomiarach temperatury.

 

Diagnostyka na podstawie analizy parametrów elektrycznych

Analiza parametrów elektrycznych stanowi nowoczesne i często niedoceniane podejście w diagnozowaniu maszyn elektrycznych. Analiza parametrów elektrycznych obejmuje zagadnienia analizy parametrów prądowych i napięciowych systemu elektroenergetycznego zasilającego zakład przemysłowy, w tym wszystkie napędy, a także związane bezpośrednio z napędami pomiary i analizy takich wielkości elektrycznych, jak prądy fazowe, napięcia fazowe i między fazowe, moc, rezystancja obwodów elektrycznych i izolacji, natężenie pola magnetycznego itp. Parametry te pozwalają wykrywać większość uszkodzeń elektrycznych i mechanicznych, takich jak przerwa w uzwojeniu stojana, brak styku na zaciskach, uszkodzenia klatki wirnika, uszkodzenie elementów łożyska, ekscentryczność, asymetria zasilania, występowanie wyładowań niezupełnych w układzie izolacyjnym, wyładowań elektrycznych w łożyskach.

Diagnostyka parametrów elektrycznych może być zrealizowana przy stosunkowo niskich nakładach finansowych ze względu na powszechnie dostępny i przystępny cenowo sprzęt pomiarowy, jak woltomierze, amperomierze cęgowe, specjalizowane analizatory parametrów elektrycznych i jakości energii itp.

Do nowoczesnych metod diagnozowania napędów elektrycznych w czasie pracy ustalonej pod stałym obciążeniem można zaliczyć analizę widmową prądu stojana (MCSA – Motor Current Signature Analysis) i rzadko stosowaną w praktyce przemysłowej, ale mającą duży potencjał diagnostyczny analizę modułu wektora przestrzennego (wektora Parka) [11].

 

Rys. 2. Przykład widma prądu stojana silnika a) sprawnego b) z uszkodzonymi 4 prętami wirnika [źródło: http://masters.donntu.org/2008/eltf/naftulin/diss/indexe.htm]

 

W metodzie MCSA wykorzystuje się widmo prądu fazowego stojana, w którym w zależności od stanu technicznego maszyny (rodzaju uszkodzenia) można zidentyfikować charakterystyczne wzorce składowych widmowych. Liczne badania prowadzone przy stosowaniu metody MCSA pozwoliły powiązać odpowiednie składowe częstotliwościowe widma prądu z wieloma bardzo dobrze znanymi uszkodzeniami napędów elektrycznych, np. przerwami klatek wirników, ekscentrycznością statyczną i dynamiczną czy uszkodzeniami łożysk. Przykładowo w przypadku uszkodzeń klatek wirników w widmie stojana wokół składowej prądu zasilającego f0 (częstotliwości sieci zasilającej) pojawiają się symetryczne skła...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy