Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych

magic9 13 Jul 2020 10:18 4521 9
Ochrona Domu
  • #1
    magic9
    Editor
    Diagnostyka maszyn wirujących i wczesne wykrywanie potencjalnych zagrożeń jest niezbędnym elementem utrzymania ciągłości ruchu wielu obiektów przemysłowych i linii produkcyjnych. Poprawna ocena stanu silnika pozwala na precyzyjne zaplanowanie ewentualnych napraw i uniknięcie nieplanowanych przestojów. W wielu przypadkach pełny obraz kondycji uzwojeń daje ocena stanu rezystancji izolacji oraz wykrycie zwarć międzyzwojowych. W ten sposób można wykryć defekty zarówno w uzwojeniu stojana, jak i wirnika. Występuje jednak pewna trudność w analizie uzwojenia wirnika silnika indukcyjnego klatkowego. Uzwojenie wykonane z prętów zwartych pierścieniem, w których indukuje się prąd pod wpływem pola magnetycznego nie posiada zacisków, które można wykorzystać do diagnostyki bez ingerencji we wnętrze maszyny. Doświadczenia eksploatacyjne wykazują, że często dochodzi do uszkodzeń w obwodzie klatki, co może być trudne do wykrycia oraz zagraża niezawodności pracy. Silnik z częściowo zniszczoną klatką może pozornie wydawać się sprawny, jednakże w trakcie pracy, zwłaszcza rozruchów, podczas których prądy indukowane przyjmują największą wartość, uszkodzenia mogą się pogłębiać.

    Budowa silnika indukcyjnego

    Z punktu widzenia schematu zastępczego, silniki indukcyjne są maszynami elektrycznymi zbliżonymi do transformatorów, gdzie rolę uzwojenia wtórnego pełni klatka wirnika lub uzwojenie wirnika w przypadku silnika pierścieniowego. Istnieje wiele metod diagnostyki stanu klatki i detekcji uszkodzonych prętów w sposób dynamiczny, czyli podczas pracy maszyny. Takie podejście daje bardzo pewne wyniki, jednak nie zawsze jest możliwe do zrealizowania, zwłaszcza podczas wykonywania prac remontowych. Podczas przeglądów okresowych oraz remontów najlepiej sprawdzają się metody statyczne, bazujące na pomiarach wartości elektrycznych, gdy maszyna nie jest zasilana. W takim przypadku ocena widma prądu lub analiza wibroakustyczna są utrudnione lub całkowicie niemożliwe.

    Wpływ wirnika na uzwojenie stojana

    Niniejsza praca ma na celu zaprezentowanie metody wykrywania uszkodzeń wirnika podczas badań statycznych bez konieczności zasilania maszyny. Zaprezentowane badania zostały wykonane z wykorzystaniem urządzenia diagnostycznego Baker DX, służącego do statycznej diagnostyki maszyn wirujących. Wbudowana funkcjonalność RIC (ang. Rotor Influence Check) pozwala na analizę wpływu wirnika na parametry elektryczne uzwojenia stojana. Wynik pomiaru indukcyjności uzwojenia stojana jest zależny od obecności wirnika lub jego braku podczas badania. Obecność wirnika powoduje zmianę w obwodzie magnetycznym, co wpływa na indukcyjność cewek. Automatyczny pomiar reaktancji oraz rezystancji uzwojeń w funkcji kąta położenia wału wirnika pozwala na zobrazowanie wpływu uzwojenia wtórnego na uzwojenie pierwotne maszyny podczas pracy.

    Pomimo podobieństwa silnika indukcyjnego do transformatora, urządzenia te znacząco różnią się pod kątem obwodu magnetycznego. Strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu transformatora zamyka się w ciągłym rdzeniu, a w przypadku silnika występuje szczelina powietrzna pomiędzy uzwojeniami. W modelu idealnym jednorodna szczelina powietrzna, symetria uzwojeń stojana oraz odpowiednie rozmieszczenie prętów ograniczają wpływ pozycji wirnika na indukcyjność uzwojenia stojana. Oznacza to, że kąt położenia wału nie wpływa lub wpływa w minimalny sposób na uzwojenie silnika. Wpływ obecności wirnika na pomiar indukcyjności może zostać wykorzystany do diagnostyki defektów wirnika, takich jak przepalone pręty klatki, niejednorodna szczelina czy błędne osiowanie maszyny. W silniku rzeczywistym indukcyjność zmienia się nieznacznie w funkcji konta położenia wirnika, jednakże zmiany te są znikome, a funkcja L=f(δ) , gdzie L to indukcyjność a δ kąt położenia wału, jest zbliżona do sinusoidy, której okres T=360/P, gdzie P to liczba biegunów. Stan pracy podczas badań statycznych można w uproszczeniu porównać do pracy z zablokowanym wirnikiem, gdzie poślizg jest maksymalny.

    Urządzenie diagnostyczne Baker DX bazuje na niskonapięciowym pomiarze parametrów RLC z wykorzystaniem zacisków Kelvina. Pomiar RLC odbywa się jednocześnie dla układu 3-fazowego. Rysunek 1 przedstawia przykładowe połączenie testera i badanej maszyny. Badanie wpływu wirnika wykonuje się mierząc impedancję w różnych położeniach wału, np. z krokiem 5 stopni. Zajęta w ten sposób charakterystyka w wielu przypadkach pozwala na wykrycie pewnych defektów i zastąpienie dynamicznych metod analizy.

    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Rys. 1. Stanowisko badawcze: Tester silników elektrycznych Baker DX oraz badany silnik asynchroniczny


    Metoda ta daje szansę na wykrycie pewnych defektów urządzenia między innymi uszkodzeń w obwodzie klatki czy problemów z jednorodnością szczeliny. Nieregularność szczeliny powietrznej może przyjąć charakter statyczny lub dynamiczny. W pierwszym przypadku oś wirnika nie pokrywa się z osią stojana, co powoduje, że odległości pomiędzy uzwojeniami są różne, jednakże podczas obrotu wału nie zmieniają swojej pozycji. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy wykres funkcji L=f(δ) dla silnika z mimośrodowo osadzonym wałem.


    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Rys 2. Schemat poglądowy maszyny ze statycznie niejednorodną szczeliną oraz charakterystyka funkcji L=f(δ) dla przedstawionego przypadku.


    Zaobserwować można pewne zmiany w zakresie szczytowych wartości indukcyjności pomiędzy fazami. Ze względu na to, że geometryczny wymiar szczeliny powietrznej nie zmienia się w zależności od kąta położenia wirnika, amplitudy dla poszczególnych faz są stałe.

    Innym przykładem zakłócenia, które może zostać zaobserwowane za pomocą tego badania jest dynamiczna zmienność szczeliny powietrznej. W przypadku, gdy oś wirnika orbituje dookoła osi stojana, następuje sytuacja, w której szczelina powietrzna zmienia się wraz kątem położenia wału. Taka sytuacja może mieć miejsce, gdy dochodzi, np. do uszkodzenia łożysk lub wygięcia wału silnika.

    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Rys 3. Poglądowy schemat maszyny w której szczelina powietrzna zmienia się dynamicznie.


    Wirnik ma nieregularny wpływ na poszczególne cewki stojana oraz dodatkowo jest on zależny od chwilowego położenia kątowego wału. Na wykresie przedstawiono przykładową charakterystykę dla takiego zjawiska.


    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Rys 4. Charakterystyka L=f(δ) dla silnika z dynamicznie zmienną szczeliną powietrzną.


    Dynamiczna zmiana szczeliny powietrznej powoduje zmianę amplitud charakterystyki indukcyjności podczas obrotu wirnika. Indukcyjność poszczególnych faz zmienia się cyklicznie zgodnie z równaniem przedstawionym powyżej, a same amplitudy dla poszczególnych faz również zmieniają się oscylacyjnie.

    Diagnostyka przerwanego pręta klatki na podstawie badań statycznych jest trudnym zagadnieniem, jednakże w silnikach, w których wpływ wirnika jest znaczący, możliwa do osiągnięcia. Przerwany pręt powoduje zaburzenie obwodu magnetycznego oraz zmiany w rozpływie prądów w stosunku do stanu przed awarią. Wpływa on na indukcyjność cewki stojana powodując zauważalną zmianę indukcyjności w funkcji kąta obrotu. Tego typu diagnostyka wymaga pewnego doświadczenia w badaniu poszczególnych jednostek, ze względu na zróżnicowany wzajemny wpływ uzwojeń w zależności od konstrukcji. Najbardziej pewne wyniki daje porównanie badań historycznych i trendu zmian w stosunku do poprzednich pomiarów kontrolnych. Jeżeli jednak maszyna jest diagnozowana po raz pierwszy, należy zwrócić uwagę na poszczególne symptomy mogące świadczyć o zaburzeniu w klatce wirnika. Nieregularne zmiany w krzywej sinusoidalnej występujące dla wszystkich trzech faz mogą być symptomem wady klatki wirnika.

    Przerwany pręt w obszarze uzwojenia powoduje pewną zmianę w obwodzie magnetycznym w stosunku do pręta zdrowego. Może to wysyłać zaburzenia w charakterystyce indukcyjności, które są powtarzalne i mają miejsce dla każdej fazy.

    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Rys 5. Charakterystyka L=f(δ) dla silnika uszkodzeniem w postaci przerwania pręta klatki.


    W przypadku silników o małym wpływie klatki na uzwojenie stojana, bardzo przydatne stają się badania porównawcze w celu określenia progresu zmian. Mogą to być zarówno charakterystyki pochodzące z wcześniejszych badań okresowych, jak i badania maszyn o bliźniaczej konstrukcji.

    Na wykresie 5 przestawiono charakterystykę L=f(δ) dla maszyny z uszkodzonym prętem klatki. Zauważalne są znaczące zakłócenia krzywej sinusoidalnej. Tego typu zmiany nie muszą być jednak regułą. W silnikach o małych mocach, w których oddziaływanie wirnika nie jest tak silne, zaburzenia kształtu charakterystyki nie muszą być tak bardzo wydatne. Przemieszczający się fragment wirnika z uszkodzonym prętem wywołuje oscylacyjne zmiany indukcyjności cewek stojana. Ze względu na to, że zmiana indukcyjności w funkcji położenia wirnika występuje również naturalnie, metoda nie daje jednoznacznej odpowiedzi na to, czy uszkodzenie jest obecne czy nie. Jednak znacząca rozbieżność zmiany indukcyjności w zakresie każdej fazy jest silnym sygnałem stanowiącym o potencjalnym uszkodzeniu.

    Wnioski

    Analiza stanu wirnika silnika asynchronicznego bez ingerencji we wnętrze maszyny jest zadaniem trudnym do wykonania w warunkach, gdzie niemożliwe jest prowadzenia badań dynamicznych. Przedstawiona funkcjonalność badania i analizy wpływu wirnika na uzwojenie stojana daje szansę na dość łatwe zdiagnozowanie pewnych uszkodzeń, zwłaszcza podczas przeglądów okresowych. Badania bazujące na pomiarze indukcyjności pozwalają wykazać pewne zaburzenia w obwodzie magnetycznym maszyny, co zazwyczaj jest wynikiem uszkodzeń mechanicznych. Kluczowym aspektem tego typu testów jest wysoka dokładność pomiaru oraz staranność wykonania.

    W prawidłowym wykonaniu testów niezbędny jest nie tylko profesjonalny sprzęt, ale również specjalistyczna wiedza. Firma Megger organizuje cykliczne szkolenia: sprawdź, klikając tutaj.

    Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o badaniu silników elektrycznych, zapraszamy do obejrzenia szkolenia on-line „Badanie silników elektrycznych urządzeniem Baker DX” – zobacz nagranie. Sprawdź aktualny harmonogram webinariów pod adresem: https://pl.megger.com/webinars
    .


    Materiał przygotował:
    Mgr inż. Kamil Pieczyński – Specjalista ds. Zabezpieczeń i Automatyki

    Zapraszamy do kontaktu!
    Megger Sp. z o.o.

    Tel.: 22 2 809 808
    Mail: info.pl(malpa)megger.com

    [Artykuł sponsorowany]
    [28-30.06.2022, targi] PowerUP EXPO 2022 - zasilanie w elektronice. Zarejestruj się za darmo
  • Ochrona Domu
  • #2
    akamina
    Level 10  
    W silniku rzeczywistym indukcyjność zmienia się nieznacznie w funkcji kąta położenia wirnika, jednakże zmiany te są znikome, a funkcja L=f(?) , gdzie L to indukcyjność a ? kąt położenia wału, jest zbliżona do sinusoidy, której okres T=360/P, gdzie P to liczba biegunów.
    Zajęta w ten sposób charakterystyka w wielu przypadkach pozwala na wykrycie pewnych defektów i zastąpienie dynamicznych metod analizy.
    Dwa zdania z błędami do poprawienia.
    Pozdrawiam
    Andrzej K.
  • Ochrona Domu
  • #3
    HenryK3
    Level 29  
    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Quote:
    W wirniku klatkowym uzwojenie jest wykonane w postaci prętów wypełniających całe żłobki zwartych na wyjściu z pakietów blach przez pierścienie zwierające.

    Klatką ("uzwojeniem") wirnika jest aluminiowy odlew. Zdarzają się niewidoczne pęknięcia aluminium, do sprawdzenia wystarczy elektromagnes i opiłki stalowe.
    Kiedyś nie pisano "prac doktorskich" o trajektorii wirnika wokół osi stojana. Zużyte łożyska bezwzględnie się wymieniało na nowe a krzywy wał wirnika widać na oko albo można go dokładniej sprawdzić czujnikiem zegarowym (dziś od ok. 30 zeta na aledrogo).
    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    To co napisałem powyżej było w latach 80-tych ubiegłego wieku i potrafił przeciętnie kumaty elektryk z wykształceniem zawodowym i odrobiną doświadczenia.
    Pozdrawiam
    p.s.
    z całym szacunkiem... czy da się dokładnie przewidzieć kiedy nastąpi awaria?
    Jeżeli urządzenie jest kluczowe to i tak trzeba mieć zapasowy silnik bo remont trwa o wiele dłużej niż jego wymiana.
  • #4
    Krzysztof Kamienski
    Level 43  
    magic9 wrote:
    Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych
    Czyli mierzymy krótkozwarte. No cóż, można i tak, w dodatku pewnie za ciężką kasę (artykuł sponsorowany :D ). Kto z Was, Koledzy, zajmujący się zawodowo silnikami elektrycznymi, natrafił w swojej karierze na uszkodzony elektrycznie wirnik klatkowy silnika asynchronicznego ?
  • #5
    gimak
    Level 40  
    To tak przy okazji zadam pytanie, może ktoś odpowie - czy jednofazowy silnik klatkowy z uszkodzonym wirnikiem, może sam startować na podłączonym tylko uzwojeniu roboczym oraz czy uszkodzenie klatki wirnika może powodować bardzo szybkie nagrzewanie się silnika tylko na biegu luzem?
    Dodam. Silnik nowy. Myślałem, ze ma zwoje zwarte, więc dałem do przewinięcia. Po przewinięciu dalej to samo. A przewijający ten silnik stwierdzili, że przy wyjmowaniu starego uzwojenia nie stwierdzili zwojów zwartych.
  • #6
    eros26l
    Level 2  
    No może też tak być jak kolega pisal
  • #7
    tomgart
    Level 25  
    Raczej to urządzenie nie służy do badania tak małych silników jak na zdjęciu. Problem jest istotny przy dużych silnikach, np. 75 kW, gdzie trudno trzymać zapasowe "na półce".
    Predykcja uszkodzeń jest jak najbardziej istotna, zwłaszcza w odpowiedzialnych systemach, gdzie nieprzewidziana awaria może spowodować duże straty.
  • #8
    kgs245
    Level 16  
    W całym swoim życiu elektrotechnicznym miałem jeden przypadek , było to na przełomie lat 60-70 , Silnik przy takim samym obciążeniu stracił moc i dość mocno si ę grzał , dobicie młotkiem tarcz na wirniku w kierunku prętów na krótko poprawiało sytuację. (Wtedy nowe silniki nie stały na półce u producenta.) Ale od tamtego czasu odlewy klatki są o wiele lepszej jakości. A silnik 75 kW na zapas żaden problem na zaprzyjaźnionym złomowisku stoją 3 szt. w stanie idealnym , wizualnie ,mechanicznie i elektrycznie , tanio a nikt nie chce . Silników teraz w bród. Widzę jak w ciągu miesiąca po kilkadziesiąt jest rozwalanych na żeliwo i miedź od malutkich do kilkudziesięciu kilowatowych.
  • #10
    kgs245
    Level 16  
    Jaki jest koszt takiego badania i jakie gwarancje że silnik nie ulegnie awarii dzień po badaniu . Czy ktoś odpowiedzialny za utrzymanie ciągłości ruchu ,gdzie awaria moźe powodować duże straty , będzie się opierał na protokóle z badania czy też będzie miał rezerwowy silnik . Przynajmniej tak było u mnie w pracy , silnik rezerwowy był zawsze w miejscu z którego można go było szybko dostarczyć na miejsce awarii , a w krytycznym miejscu rezerwowy stał obok pracującego . I nie były to silniki z grupy betoniarkowych a o mocach grubo ponad 100kW. Zgrany zespół wymieniał silnik w kilkadziesiąt minut ,a straty spowodowane postojem drogo kosztowały .
    Oj były by odciski na kolanach od dywanu gdyby ktoś chował się za protokołem z badania po poważnej awarii.
    Co innego kontrola techniczna u producenta , żeby nie sprzedać bubla , tylko o ile droższy byłby z takim świadectwem.