CC BY
124
УДК 621.313.333.2 DOI 10.18635/2071-2219-2016-4-37-42
Диагностика неисправностей вентиляторных установок с помощью спектрального анализа
токов статора
Н. Р. Сафин,
УрФУ,
ассистент кафедры электротехники и электротехнологических систем,
г. Екатеринбург
В. А. Прахг,
УрФУ,
доцент кафедры электротехники и электротехнологических систем,
кандидат технических наук, г. Екатеринбург
В. А. Дмитриевский,
УрФУ,
доцент кафедры электротехники и электротехнологических систем,
кандидат технических наук, г. Екатеринбург
В ходе экспериментов получены результаты, демонстрирующие энергетические характеристики работы центробежного вентилятора в зависимости от его технического состояния. В статье рассматриваются вопросы диагностирования центробежных вентиляторов по потребляемому току электродвигателя и предлагается соответствующая методика. Упреждающая диагностика вентиляторов призвана снизить возможный повышенный расход электроэнергии и увеличить эксплуатационную надежность установок.
Ключевые слова: вентилятор, асинхронный двигатель, диагностика, надежность.
Асинхронные двигатели являются приводными Режимы работы вентиляторных установок могут
машинами во многих видах оборудования, поэтому зависеть от сезонных и суточных изменений темпе-
для обеспечения его надежной и эффективной экс- ратуры, влажности и плотности воздуха, его запы-
плуатации необходимы контроль и диагностика тех- ленности и загазованности, что преимущественно нического состояния асинхронных двигателей. зависит от характера производства в вентилируемом
Наибольшее распространение получили асинхрон- помещении. Для горного производства наиболее
ные двигатели напряжением до 1000 В и мощностью характерны именно запыленность и загазованность
от 0,75 до 100 кВт. выработок, а для процессов обогащения - запылен-
Примерное распределение асинхронных двигате- ность цехов и помещений обогатительных фабрик [3].
лей по эксплуатируемых механизмам, среди которых Особенно много пыли выделяется при агломерации
вентиляторы - центробежные и осевые - занимают руд и пневматическом обогащении углей. Наличие
значительную долю, приведено в табл. 1 [1]. В систе- пыли в воздухе рабочих пространств не только нега-
мах вентиляции и кондиционирования воздуха граж- тивно влияет на здоровье персонала, но и усложняет
данских, общественных и промышленных зданий, в работу механизмов: пыль попадает в подшипники и
различных теплоэнергетических установках, в хими- трущиеся части машин, вызывая их износ [4]. В сбо-
ческой, добывающей, машиностроительной и других рочно-сварочных цехах машиностроительных пред-
отраслях промышленности наибольшее применение приятий при процессах электросварки и резки
получили вентиляторы центробежного типа [2]. металлов имеет место не только значительное пыле-
Таблица 1
Примерное распределение асинхронных двигателей по механизмам
Механизмы Процентная доля от общего количества двигателей, % Механизмы Процентная доля от общего количества двигателей, %
Вентиляторы 37,7 Транспортеры 19,5
Насосы 17,0 Смесители 5,5
Станки обрабатывающие 7,0 Компрессоры 2,8
Механизмы перемещения 4,0 Дробилки 2,4
Затворы, задвижки 3,7
образование, но и выделение в воздух помещения вредных газов: окиси углерода, окислов азота, озона, фтористого водорода и др. [5], и в случае перемещения горячих газов возможны деформация вала вентилятора и перегрев смазки, что приводит к быстрому износу и разрушению подшипников [6].
Основными методами диагностики машин считаются вибрационные, электромагнитные и тепловые; менее распространен метод диагностирования на основе анализа амплитудно-частотной характеристики потребляемого тока. Преимуществом токовой диагностики по сравнению с вибродиагностикой является возможность выполнения регистрации измеряемых параметров непосредственно на кабеле без разрыва цепи питания или на вторичной обмотке трансформатора тока в распределительном устройстве. В ряде случаев эксплуатируемое оборудование может находиться в труднодоступных местах, где применение виброакустических методов диагностирования становится достаточно сложным, и тогда диагностика на основе спектрального анализа токов статора является альтернативным вариантом.
Для исследования вопросов диагностирования вентиляторов с помощью спектрального анализа токов статора были рассмотрены их амплитудно-частотные характеристики. В центробежном вентиляторе поток воздуха под действием центробежных сил выбрасывается в направлении, перпендикулярном направлению потока при входе в колесо. При прохождении потока через рабочее колесо происходит увеличение энергии потока, возрастают давление и скорость его движения. Статический момент сопротивления на валу вентилятора пропорционален квадрату скорости.
Работы, основанные на токовой диагностике машин, посвящены либо электроприводам на АЭС [7], либо штанговым и консольным насосным установкам [8, 9], либо электроприводам карьерных экскаваторов [10]. Работы, посвященные диагностике вентиляторов, основаны на вибродиагностике [11, 12], а вопросы токовой диагностики центробежных вентиляторов остаются малоизученными и актуальными. Для исследования этих вопросов нами были проведены эксперименты и проанализированы полученные данные.
Расчеты, описанные в [13], позволили установить величину тока статора при работе с дефектом в механической части (неисправности подшипников), характеризующуюся выражением:
и ^
Ц =10т 51п(с01?~<|/)+ ° 51п((0,/-ф) +
Л,
+ ^^[С08(Р/-ф)- СОЗ(уГ-ф)],
(1)
Ток статора при неисправностях подшипников электродвигателя содержит составляющие с частотами, равными частоте сети Ю1, разности частот сети и вращения ротора Р и сумме этих частот у Если машина имеет р пар полюсов, то частоты составляющих можно рассчитать по формулам [13]:
(2)
(3)
Амплитуда составляющих тока статора с частотами Р и у зависит не только от собственных электрических параметров электродвигателя, но и от амплитуды колебаний момента сопротивления вращению вала и инерционности механизма [13]. Для определения максимального скольжения вычисляется необходимая угловая скорость рабочего колеса механизма при возможном минимальном давлении в соответствии с [3]:
(4)
где рт1п - минимальное (по аэродинамической характеристике) давление вентилятора, Па; рном - максимальное (по аэродинамической характеристике) давление вентилятора, Па.
В проведенных исследованиях рабочие диапазоны давлений для вентилятора ВЦ 4-75 с двигателем АДМ 63А2 составляют: рт;п = 500 Па; рном = 550 Па. Следовательно, угловая скорость рабочего колеса вентилятора при возможном минимальном давлении
составит: Ют;п = 275,44 с
-1
где 10т ~ амплитуда тока намагничивания, А;
у - фаза тока намагничивания;
Р = о>1 - Юг - составляющая тока, равная разности частоты сети и вращения ротора, А;
у = Ю1 + Юг-составляющая тока, равная сумме частоты сети и вращения ротора, А.
Максимальное скольжение при минимальном рабочем давлении механизма [3]:
(5)
где ю0 - синхронная скорость вращения асинхронного двигателя, с-1; ®тт - скорость вращения рабочего колеса вентилятора при возможном минимальном давле-
-1
В этом случае при работе вентилятора ВЦ 4-75 с электродвигателем АДМ 63А2 максимальное скольжение при минимальном рабочем давлении будет равным «тах = 0,12. Ограничившись таким режимом работы, при котором скольжение изменяется от 0,01 до 0,12, получим следующие диапазоны возможных изменений частоты согласно (2)-(3): Р - от 0,5 до 6 Гц; у - от 99,5 до 94 Гц.
В [14] отмечается, что при появлении дефектов в механической части асинхронного двигателя наблюдается рост амплитуд гармонических составляющих токов в диапазоне частот 25п150 Гц. В данном случае получены уточненные величины. Следовательно, метод позволяет выявлять дефекты в механической части машины при работе с вентилятором с помощью частотной фильтрации отдельных составляющих тока статора и контроля их уровня.
Диагностирование дефектов на уровне механизма предполагает обнаружение проблем его деталей, например дефектов рабочего колеса (дисбаланс, повреждение), кроме дефектов подшипников самой приводной машины. Наличие на вращающейся детали неуравновешенных масс (дисбаланс) приводит к повышению динамической нагрузки на подшипниковые опоры и ускоренному износу деталей и узлов. Причинами дисбаланса ротора могут стать прогиб вала, дефекты лопастей рабочего колеса, изменение формы лопастей рабочего колеса и т. д. Если ротор имеет такое распределение масс, которое во время вращения вызывает переменные нагрузки в опорах, то такой ротор неуравновешен, при этом ось вращения ротора не совпадает со своей центральной осью. Результирующая центробежная сила, являясь статической нагрузкой для ротора, может со временем способствовать прогибу вала ротора [15]. Дисбаланс ротора провоцирует повышение пульсаций вращающего момента. Чем выше момент инерции механизма, тем ниже пульсации момента [16]. Усилие, которое действует во время работы механизма с дисбалансом ротора, определяется выражением:
Лопаточная частота рассчитывается как произведение лопаток на рабочем колесе вентилятора на частоту вращения ротора zm • юг. Составляющие токов, обусловленных повреждением в механической части машины, будут иметь слабые амплитуды по отношению к основной гармоники питающей сети.
Для упрощения рассмотрим только частотные составляющие токов, определяемые как сумма основной гармоники и лопаточной частоты -о>1 + zm• юг и сумма основной гармоники и частоты вращения ротора -о>1 + k • юг. Если машина имеет p пар полюсов, то частоты составляющих можно рассчитать по формулам:
(9)
Р = т-г-(О
(6)
(10) (11)
— ■ (12)
Из этого следует, что усилие, возникающее при дисбалансе ротора, зависит от скорости, то есть прямо пропорционально квадрату частоты вращения ротора. Соответственно, для машин с большей частотой вращения данный дефект является наиболее проблемным. При таком дефекте диагностические параметры зависят от частоты вращения ротора и в меньшей степени от режима и условий работы механизма. Дисбаланс ротора является модуляцией вращающего момента механизма и связан с рабочей скоростью [16]:
(0,(1-5)
со =-
(7)
Дисбаланс ротора вызывает эксцентриситет в рабочем механизме и появление дополнительных гармоник токов [16]. При диагностировании возникает задача выделения информативной составляющей из токового сигнала. Момент, возникающий при дисбалансе ротора, способствует появлению составляющих токов статора, которые могут быть приближенно описаны выражением:
Л(0=А>,„ эт(ау-\|/)+/5 БШСЮ, ±г„, •(£),.)/ + + /л БШ^ ± к ■ со,.)/,
(8)
Подобным образом при работе вентилятора ВЦ 4-75 с электродвигателем АДМ 63А2 получим следующие диапазоны возможных изменений частоты: \1г - от 6,02 до 72,24 Гц; у2г - от 1131,76 до 1197,98 Гц; п1и - от 0,96 до 11,52 Гц; п2и - от 180,48 до 191,04 Гц.
Для проведения исследований была собрана экспериментальная установка (рис. 1). Испытания проводились при работе вентилятора от электродвигателя АДМ 63А2 с номинальной мощностью 0,37 кВт и номинальной скоростью вращения 2760 об./мин.
В электродвигателе АДМ 63А2 вентилятора ВЦ 4-75 используются подшипники марки 6202.
где Ю1 ± zm• юг и Ю1 ± k• ®г - частотные составляющие токов, характеризующие дефект дисбаланса ротора (износ рабочего узла механизма), с-1 [17]; zm - число элементов рабочего узла (лопастей рабочего колеса). Для испытываемого вентилятора ВЦ 4-75 число лопастей рабочего колеса zm = 12; Юг - частота вращения ротора, с-1; k - целые числа (для упрощения примем k = 1).
Испытания асинхронного двигателя проводились с подшипниками указанной марки (рис. 2), а именно:
- с исправным подшипником;
- с подшипником, имеющим отверстие 4 мм по внешней обойме (поврежденный подшипник № 1);
- с подшипником, имеющим отверстие 6 мм по внешней обойме (поврежденный подшипник № 2).
В двух последних случаях также имелись небольшие выемки во внутренних обоймах. Применяемый способ искусственного получения дефекта для исследования режимов с поврежденными подшипниками описан в [18].
Испытания велись в длительном режиме для каждого из опытов:
- исправный вентилятор;
- вентилятор с неисправным подшипником № 1;
- вентилятор с неисправным подшипником № 2;
- вентилятор с дисбалансом ротора № 1;
- вентилятор с дисбалансом ротора № 2.
низма, что в большей степени обусловлено не массой дополнительного груза, а тем, что условно изменяется форма лопатки вентилятора, и это существенно влияет на режим работы.
Рис. 2. Испытываемые подшипники 6202 (слева направо):
а) неисправный подшипник № 1;
б) неисправный подшипник № 2
Регулирование подачи вентилятора производилось с помощью заслонки на входном приемном канале (рис. 3). При открытой заслонке нагрузка являлась максимальной (номинальной), закрывание заслонки приводило к снижению нагрузки на вентилятор.
Рис. 4. Рабочее колесо вентилятора:
а) исправный вентилятор; б) моделирование дисбаланса ротора
Запись мгновенных значений токов и напряжений с временем регистрации по 5 секунд выполнялась с помощью аналогово-цифрового преобразователя (R Tech, QMS20) с частотой дискретизации 50 кГц и измерительной платой с тремя датчиками токов LEMHX 02-P и тремя датчиками напряжений LV25-PSP5. При проведении испытаний мгновенные значения токов и напряжений оцифровывались и записывались на компьютер для дальнейшей обработки и сопоставительного анализа в пакете MATLAB.
Диагностическая оценка состояния механизмов на основе анализа спектра тока должна включать сравнение результата измерений с характерным образцом для данного вида повреждения или характерными частотами, которые могут появиться в спектре. Оценку облегчает представление амплитуд гармоник тока в логарифмическом масштабе [19]. При анализе спектральных характеристик проводилось их сглаживание, поэтому на выходных данных основная гармоника начинается не с 0 дБ, а в пределах 10п15 дБ.
Рассмотрим спектр гармонических составляющих тока статора с исправным и неисправным подшипником (рис. 5). Характерные диапазоны частот ß и g выделены на графике. По полученным данным можно заключить, что отмеченные диапазоны характерных частот, определяющих дефекты подшипников, выделяются относительно работы асинхронного -10
s <
Для моделирования режимов работы вентилятора (рис. 4 а) с дисбалансом ротора на рабочую лопатку были поочередно установлены болты (рис. 4 б) массой 26 и 36 г. Подобные методы создания искусственного дефекта для исследования режимов работы вентилятора с дисбалансом ротора рассматриваются в [16]. Относительно небольшое добавление массы значительно изменяет аэродинамический режим работы вентилятора, увеличиваются шум и колебания меха-
ВЦ 4-75 с исправным подшипником ВЦ 4-75 с неисправным подшипником № 1 -ВЦ 4-75 с неисправным подшипником № 2
! , У
о
20
40
60
80 100 120 140 160 180 Частота (Гц)
Рис. 5. Спектральный состав токов при испытаниях вентилятора ВЦ 4-75: вентилятор с исправным подшипником (сплошная линия); вентилятор с неисправным подшипником № 1
(штриховая линия); вентилятор с неисправным подшипником № 2 (пунктирная линия)
двигателя с исправным подшипником. Кроме того, можно отметить общее увеличение амплитуд составляющих спектра с -65 до -55 дБ.
Рассмотрим спектр гармонических составляющих тока статора при работе асинхронного двигателя в исправном состоянии и с дисбалансом ротора (рис. 6). В ряде случаев (доли влияния электромагнитных помех) при анализе спектральных характеристик не рассматривают частоты в пределах основной гармоники, в частности 46п50 Гц [15]. Поэтому на выходных данных отмечены амплитудно-частотные характеристики в пределах У^, В исследуемых диапазонах частот наиболее явно выделяются составляющие токов в пределах диапазона -10
-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
— ВЦ 4-75 исправный -ВЦ 4-75 с дисбалансом ротора № 1
••ВЦ 4-75 дисбалансом ротора № 2
\ | n2k
Ц \ I1, II
v-CXjv к, д, йNv ,
щ/' М ш
"С " vv
0 20 40 60
S <
-ВЦ 4-75 исправный ■ ВЦ 4-75 с дисбалансом ротора № 1 -• ВЦ 4-75 с дисбалансом ротора № 2
n2z
12 ill
ф% (.Wtf 1Л ,1 Д V У А А/ € г Tt ш Ш ■А Л л V Ь-* «л »<!• » ¥ vV^y," J
VM/yW/^\FW \ijv\y
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
100010201040 10601080 11001 120 1140 1160 1180 12001220 1240 1260 1280 1300 Частота (Гц)
Рис. 7. Спектральный состав токов при испытаниях вентилятора ВЦ 4-75:
вентилятор исправный (сплошная линия); вентилятор с дисбалансом ротора № 1
(штриховая линия); вентилятор с дисбалансом ротора № 2 (пунктирная линия)
Таблица 2 Уровни гармоник при работе ВЦ 4-75 (в логарифмическом масштабе)
80 100 120 140 160 180 200 Частота (Гц)
Рис. 6. Спектральный состав токов при испытаниях вентилятора ВЦ 4-75: вентилятор исправный (сплошная линия); вентилятор с дисбалансом ротора № 1 (штриховая линия); вентилятор с дисбалансом ротора № 2 (пунктирная линия)
На графике (рис. 7) при работе вентилятора с дисбалансом ротора можно отметить общее увеличение амплитуд составляющих токов с -85 до -75п70 дБ.
По данным испытаний была построена таблица уровней амплитуд гармонических составляющих спектра мгновенных значений потребляемого тока при различных условиях работы вентилятора (табл. 2).
При испытаниях был использован счетчик электроэнергии ПСЧ-4ТМ.05МК.20. Результаты измерений представлены в табл. 3. Наличие дефектов механизма приводит к ощутимому повышению потребляемой мощности.
Диапазоны частот, Гц Уровни гармоник, дБ
Вентилятор исправный Вентилятор с дисбалансом ротора № 1 Вентилятор с дисбалансом ротора № 2
0,96п9,6 -65,2 -59,2 -65,7
182,4п191,04 -69,1 -59,8 -59,6
1143,8п1197,98 -78,9 -71,8 -64,2
По результатам проведенной работы можно заключить, что поскольку при эксплуатации механизмов с внутренними дефектами возрастают потери, увеличивается ток питания и, соответственно, снижаются технико-экономические характеристики машин, то методика диагностирования на основе спектрального анализа токов статора позволяет оптимизировать планово-предупредительные ремонтные работы и повысить эксплуатационную надежность оборудования, одновременно положительно влияя на уровень его энергопотребления. Процесс диагностики износа подшипников и дисбаланса ротора вентилято-
Таблица 3
Результаты измерений с помощью ПСЧ-4ТМ.05МК.20
Энергетические характеристики Вентилятор ВЦ 4-75 (АДМ 63А2)
Вентилятор исправный Вентилятор с неисправным подшипником № 1 Вентилятор с неисправным подшипником № 2 Вентилятор с дисбалансом ротора № 1 Вентилятор с дисбалансом ротора № 2
Потребляемая активная мощность, Вт 548 554 564 585 594
Потребляемая реактивная мощность, вар 411 407 402 417 438
Потребляемая полная мощность, ВА 685 685 691 722 736
Ток фазы А, А 0,98 0,99 1,00 1,075 1,09
Ток фазы B, А 1,00 0,998 1,013 1,073 1,105
Ток фазы C, А 1,05 1,054 1,069 1,041 1,106
Коэффициент мощности cos ф 0,81 0,8 0,82 0,81 0,80
ров требует измерения частот амплитудной модуляции потребляемого тока, и для каждой частоты модуляции необходимо измерение ее
величины. При диагностировании требуется контроль высших гармоник в широкой полосе частот.
Литература
1. Полузадов В. Н. Электрические машины. - Екатеринбург: УГГУ, 2010.
2. Головенкин А. Н. Электропривод центробежных механизмов. - Киров: ВятГУ, 2004.
3. Фащиленко В. Н. Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий. - М.: Горная книга, 2011.
4. Руденко К. Г., Калмыков А. В. Обеспыливание и пылеулавливание при обработке полезных ископаемых.
- М.: Недра, 1987.
5. Гримитлин М. И., Тимофеева О. Н., Эльтерман В. М., Эльтерман Е. М., Эльянов Л. С. Вентиляция и отопление цехов машиностроительных заводов. - М.: Машиностроение, 1978.
6. Калинушкин М. П. Вентиляторные установки. - М.: Высшая школа, 1962.
7. Сиротин Д. В. Информационно-измерительная система для диагностики электроприводной арматуры АЭС: автореф. дис. канд. техн. наук. - Волгоград, 2006.
8. Ли Д. В. Определение периода сложных сигналов и диагностических коэффициентов при контроле насосного оборудования нефтепромыслов: автореф. дис. канд. техн. наук. - Томск, 2004.
9. Миронова И. С. Разработка интегральных критериев и системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов: автореф. дис. канд. техн. наук. - Уфа, 2013.
10. Гаргаев А. Н. Диагностика электроприводов карьерных экскаваторов на основе динамической идентификации электродвигателей: автореф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, 2013.
11. Гусев В. В. Мониторинг и диагностика электрических машин переменного тока в алмазодобывающей промышленности: дисс. канд. техн. наук. - Томск, 2010.
12. Карпов А. Г. Методы и средства мониторинга вентиляторных установок главного проветривания по параметрам механических колебаний: дис. канд. техн. наук. - Красноярск, 2006.
13. Булычев А. В., Ванин В. К. Контроль состояния механической части асинхронного электродвигателя / / Электричество. - 1997. - № 8. - С. 45-47.
14. Рогачев В. А. Диагностирование эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей по гармоническому составу тока статора: дисс. канд. техн. наук. - Новочеркасск, 2008.
15. Костюков В. Н., Науменко А. П. Практические основы виброакустической диагностики машинного оборудования. - Омск: ОмГТУ, 2002.
16. Kral C., Habetler T. G., Harley R. G. Detection of mechanical imbalances of induction machines without spectral analysis of time-domain signals / / IEEE Transactions on industry applications. - 2004. - Vol. 40. - No. 4.
- Pp. 1101-1106. - http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2004.830762.
17. Барков А. В., Баркова Н. А., Борисов А. А., Федорищев В. В., Грищенко Д. В. Методика диагностирования механизмов с электроприводом по потребляемому току. - Санкт-Петербург, 2012.
18. Zarei J., Poshtan J. An advanced Park's vectors approach for bearing fault detection / / Tribology International. - 2009. - No. 42. - Pp. 213-219. - http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2008.06.002.
19. Вейнреб К. Б. Диагностика неисправностей ротора асинхронного двигателя методом спектрального анализа токов статора: дисс. в виде научного доклада докт. техн. наук. - Москва, 2012.
Industrial fan installations diagnostics based on spectral analysis of stator currents N. R. Safin,
Ural Federal University, department assistant, Ekaterinburg V. A. Prakht,
Ural Federal University, PhD, associate professor, Ekaterinburg V. A. Dmitrievskii,
Ural Federal University, PhD, associate professor, Ekaterinburg
Conducting our research, we have received experimental results describing energy characteristics of rotary industrial fans depending on their technical condition. We suggest an effective methodology for industrial fan installations diagnostics based on spectral analysis of stator currents. Energy efficiency and reliability of fans and other induction motor machines are very sensitive to their inner defects and would be significantly increased with proper diagnostics and maintenance.
Keywords: industrial fan, induction motor, diagnostics, reliability.
