Сравнительное исследование методов диагностики асинхронных двигателей

R. Casimir, E. Boutleux, G. Clerc and F. Chappuis. Перевод: Нафтулин И.В.

Резюме - Эта работа сравнительный анализ различных методов диагностики, которые используются для обнаружения и ограничения повреждений в асинхронных двигателях. Главные методы основаны на знаниях, полученных путем моделирования или с помощью анализа сигнала. Происхождение и причины повреждений представлены с их распределением на деталях асинхронных двигателей. Сравнивались сигнальные спектральные исследования, которые были получены различными методами. В случаях повреждения, также анализировались изменения параметров. Наконец, прикладные области этих методов синтезируются относительно различных отказов.

Повреждения Асинхронного Двигателя

Исследования распределения дефектов на асинхронных двигателях средней мощности показали следующие результаты [1]: более 50% повреждений связаны с подшипниками. Приблизительно 16% повреждений приходится на обмотку статора. Для ротора и вала или муфты, распределение соответственно приблизительно 5% и 2,5%.

Недостаточное смазывание, тяжелые радиальные или осевые усилия, неправильное расположение во время сборки или смещение осей могут стать причиной повреждения. Смещение осей подшипников может произойти по четырем различным причинам: перекос валов, наклон наружного кольца подшипника и наклон внутреннего кольца [2].

Перекос ротора, работа на критических скоростях, неправильная сборка или старение подшипника являются причинами эксцентриситета ротора. Есть два вида эксцентриситета: статический эксцентриситет (ротор не находится в центре расточки статора, но все еще вращается по своей собственной оси), и динамический эксцентриситет (ротор находится в центре расточки статора, но не вращается по своей собственной оси).

Повреждения в обмотке статора, могут произойти из-за межвиткового, замыкания обмотки на землю или междуфазного коротких замыканий. Исследования, опубликованные в [1] и [2], показывают, что перегрев, пробой изоляции и другие электрические повреждения и неисправная работа - основные причины повреждения обмоток.

Повреждения в роторе связаны с обрывом стержней и повреждением короткозамыкающего кольца в результате пульсирующей нагрузки или прямого пуска по сети. Эти главные повреждения приводят к пульсации вращающего момента, колебанию скорости, шуму и увеличению вибрации. Изменяются составляющие частоты потребляемого тока, перегревая двигатель и изменяя электрические параметры. Таким образом, контроль повреждений асинхронного двигателя, обычно основан на прослеживании их по индикаторам. Эта цель может быть достигнута двумя различными подходами. Исследования, основанные на наблюдении алгоритмов (основаны на модели диагноза) и исследования, основанные на взвешенном анализе сигнала.

Модель диагностики

Метод основан на оценке сигналов или на прослеживании параметров во время работы. Тогда эти величины анализируются, чтобы получить сигнатуру при наличии неисправности. Эта процедура диагноза, базируемая на априорном знании, постепенно приобретаемом благодаря моделированию асинхронной машины в трехфазной системе отсчета или в эквивалентной двухфазной. Некоторые параметры относящиеся к этим моделям используются, чтобы построить сигнатуру при наличии неисправности. Два типа параметров могут быть идентифицированы как:
- механические параметры;
- электрические параметры.

Прослеживание электрических параметров обеспечивает обнаружение повреждений в обеих частях асинхронного двигателя: в роторе и коротких замыканий статора [3], [4].

В табл.1 показано изменение параметров модели асинхронного двигателя согласно повреждениям. В случае повреждения появляются изменения всех параметров.

Таблица 1 – Изменение параметров в зависимости от повреждений

Параметры могут быть идентифицированы независимо от итерационной процедуры, которая применялась на сигналы входа/выхода [5]. Они также могут быть оценены он-лайн расширенными наблюдателями, такими как фильтр Калмана [6] или высокочувствительными усилителями [7]. На рис.1 и 2 представлено возрастание сопротивлений ротора для исправного двигателя и при обрыве 4 стержней ротора [7]. В нормальных эксплуатационных режимах параметры имеют номинальные значения, тогда как в случае повреждения они имеют три различных значения. Таким образом, очевидно, что сопротивление ротора увеличивается с ростом повреждений в роторе, как показано в табл.1

Рисунок 1 – Изменение сопротивления ротора (для исправного двигателя)

Рисунок 2 – Изменение сопротивления ротора (при обрыве четырех стержней ротора)

Однако некоторые повреждения не могут быть выявлены с помощью этих методов. Таким образом, рассмотренные методы должны быть дополнены анализом сигнала.

Диагностика на основе анализа сигнала

Токи, колебания, осевое поле, электромагнитный вращающий момент предоставляют очень обширную информацию для диагностики. Эти сигналы обычно анализируются в частотной области спектральным анализом в устойчивом состоянии. Они могут также быть проанализированы в частотно – временных координатах с помощью преобразований Wigner-Ville [8], при работе в неустановившемся режиме, или спектрограммой (которая является представлением компонентов частоты во времени) в привод с регулируемой скоростью вращения. Однако в этой части представлены только спектральные компоненты сигналов в функции указанных повреждений.

А. Контроль токов статора

Токи статора легко измерить и их спектры дают информацию о многочисленных повреждениях [9], [10]. Токи предоставляют информацию об обрывах стержней или колец, несоосности, и статическом или динамическом эксцентриситете. Механические повреждения, такие как разрушение подшипников также выявляются на спектре тока.

Изменение воздушного зазора, из-за статического или динамического эксцентриситета, приводит к изменениям плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Поскольку индукционные токи статора изменяются, многие из их частотных компонентов могут помочь идентифицировать как статический, так и динамический эксцентриситет. Эти частоты приведены в (1) [11]

где Fs - частота питающей сети;
Nr= число стержней ротора;
p - число пар полюсов;
s - скольжение в относительных единицах;
nw = 1,3,5 …

Для статического эксцентриситета, nd=0. Если статический эксцентриситет увеличивается, тогда величина линий при передаче частоты должна также увеличиться. В случае динамического эксцентриситета, nd=1, и должны появиться новые компоненты в спектре тока. Несоосность приводит к увеличению компонентов в частотах, определено в (2)

Fr- частота скорости ротора.
Так как ротор держится на подшипниках, то при повреждениях в них будет происходить радиальное перемещение между ротором и статором. Тогда отклонения магнитной индукции, возникающей в воздушном зазоре, повлияет на токи статора. Именно поэтому вибрация подшипников может быть обнаружена в спектрах тока статора. Характеристика частот основана на отношении измерений, показанных в рис. 2. Материалы взяты из [12]

fi и fo (уравнение 4) являются соответственно внутренней и внешней частотами канала. Они возникают при повреждении шариков в подшипниках. Таким образом, это явление происходит в nb-времена полного вращения подшипника, где nb число шаров, данных изготовителем.

Рисунок 3 – Размеры подшипника

Выражения характеристики частот обоймы подшипника могут быть аппроксимированы для большинства подшипников с небольшим количеством шаров

Когда стержень или часть кольца повреждены, создаются такие гармоники магнитного потока, которые вызывают высшие гармоники в токах статора. Ток статора модулирован в амплитуде с частотой скольжения. Эта модуляция увеличивается в случае наличия повреждений в роторе. Характерные частоты (из-за повреждений), представлены анализом спектра тока [13]:

Как иллюстрация предсказуемых сигнатур рис.4 и 5 показывают спектр тока статора для асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт, частотой 50 Гц, с 2 парами полюсов и скоростью вращения 1470 оборотов в минуту с исправным ротором и с четырьмя оборванными стержнями соответственно. Двигатели работали с номинальной нагрузкой. Синхронная регистрация частоты вращения (Fr) позволяет вычислить s, характеристику значений частоты и взаимодействие с амплитудой. На рис.6 показано сравнение амплитуд гармоник для исправного и поврежденного ротора.

Модуляция тока статора с частотой двойного скольжения может также быть найдена на спектре, при анализе интервала частоты:

Рисунок 4 – Спектр тока исправного ротора, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье

Рисунок 5 – Спектр тока ротора при обрыве 4 стержней, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье

Рисунок 6 – Амплитуды гармоник в % от базисного значения: а - исправный ротор, b - обрыв 4 стержней

Б. Контроль вибрации

Контроль вибрации, стал возможен, при креплении датчиков скорости на подшипники, в трех направлениях: вертикально, радиально и по оси (рис.7).

Рисунок 7 – Измерение вибрации асинхронного двигателя

Спектры сигнала вибрации позволяют идентифицировать повреждения подшипников, повреждения "беличьей клетки", статический и динамический эксцентриситеты и несоосность [14]. Полный синтез (табл.2) типичных повреждений двигателя и их влияние на спектр вибрации представлен в [15]. В работе, авторы сравнивают эти сигнатуры с теми, которые получены на спектре тока статора. На рис.8 и 9 показаны спектры вибрации в осевом направлении для асинхронного двигателя с исправным ротором и ротором, имеющем повреждения. Предсказуемые амплитуды гармоник (уравнение 8) были найдены для поврежденного ротора. Так как двигатель вращался со скоростью 1472,4 об./мин. с исправным ротором и, со скоростью 1467,6 об./мин. с поврежденным ротором, скольжение s составляло 1,84% и 2,14% соответственно. Это дает основания судить о том, что эти компоненты возрастают в зависимости от повреждения.

Рисунок 8 – Спектр вибрации в осевом направлении при исправном роторе, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье

Рисунок 9 – Спектр вибрации в осевом направлении при обрыве 4 стержней, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье

В. Контроль магнитного потока

Магнитный поток всегда присутствует в электрических машинах, из-за их неотъемлемой несимметрии. Магнитный поток образуется в результате взаимодействия токов статора и ротора на концах машины (короткозамкнутые кольца, наружная часть обмотки). Это может быть визуализировано путем расположения обмотки вне двигателя в осевом направлении (это позволяет измерить ЭДС, вызванной изменением потока). Исследования в [16] сосредоточены на изменениях частоты магнитного потока, чтобы обнаружить короткие замыкания в статоре. После теоретического исследования можно полагать, что когда обмотка статора асинхронного двигателя имеет какие либо короткозамкнутые витки, поток гармоник следующих частот возрастает по амплитуде.

где k = 1, 3, 5 … и n является целым числом, зависящим от числа пар полюсов.
В [17] авторы идентифицировали асимметрию ротора, перекос валов, повреждения подшипников и междувитковые короткие замыкания посредством анализа магнитного потока. Междувитковые короткие замыкания характеризуются увеличением амплитуды упомянутой ранее частоты (уравнение 9). Анализируя спектр магнитного потока, были получены следующие результаты:

1) Обрыв стержней: Вокруг компонентов основной гармоники появляются компоненты с двойной частотой скольжения.(2*n*s*Фс) появляются и возрастают вокруг компонентов основной гармоники.

2) Перекос валов: наблюдаются некоторые незначительные изменения на всех компонентах спектра магнитного потока.

3) Повреждения подшипников: появляются несколько компонентов между 600 и 900 Гц (отметим, что частота сети равна 50 Гц). Это может быть интервал частот описанный в уравнении 7

Таблица 2 – Характеристика частот вибрации в зависимости от повреждений

Г. Электромагнитный контроль вращающего момента

Электромагнитный вращающий момент представляет передачу энергии между статором и ротором. Влияние на магнитный поток в воздушном зазоре и на токи статора из-за обрыва внутри клетки ротора ведет к тому, что необходимо уделить внимание изменению электромагнитного вращающего момента.

Электромагнитный вращающий момент может быть измерен двумя из трех общих токов и добавляя открытые обмотки, под каждой фазой статора (так получены электродвижущие силы, индуцированные в этих обмотках). Контроль электромагнитного вращающего момента предоставляет информацию о повреждениях ротора [18]. У электромагнитного вращающего момента есть общее выражение в d, q системах отсчета, установленных относительно статора.

Если магнитный поток и токи в трех фазах рассматриваются без нейтрали, тогда, вращающий момент может быть написан как:

Анализируя спектр электромагнитного вращающего момента, авторы в [18] нашли большое количество гармоник, которые изменяются для двигателя 50 Гц мощностью на 7,5 кВт при отсутствии нагрузки на нем и в устойчивом состоянии. В таблице 3 сведены полученные результаты.

Частота 700 Гц может быть функцией числа пазов ротора. Таким образом электромагнитный вращающий момент может использоваться для выявления других повреждений, таких как эксцентриситет и обрыв стержней.

Таблица 3 – Изменение гармоник электромагнитного вращающего момента при повреждениях короткозамкнутых колец.

Электрическое и механическое измерение и анализ сигнала, дополняют результаты, полученные с помощью диагностики основанной на априорном знании. Сравнение результатов приведены в следующем параграфе.

Сравнительное исследование

Обрыв стержней и повреждения кароткозамкнутых колец, статический и динамический эксцентриситет, короткие замыкания в обмотках статора могут быть обнаружены с помощью методик, основанных на диагностики модели.

В добавление к вышеописанным повреждениям, повреждения подшипников могут также быть диагностированы с помощью методик, основанных на диагностики сигнала.

Выводы

Эта работа представиляет собой сравнительное изучение основных методов диагностики асинхронных двигателей. В данной работе рассмотрены два вида методов дигностики: первый основан на расчетах характерных величин модели асинхронного двигателя, а второй базируется на анализе электрических или механических сигналов в частотной области. Для того чтобы иллюстрировать прогнозируемые характеристики, по порядку были представлены электрический ток статора и спектры колебаний. Однако список характеристик не является исчерпывающим.

Комбинация этих методов дает большую точность и надежность. Это также делает возможным он-лайн и автономную диагностику многих дефектов, которые по разному распределяются в асинхронном двигателе. Мы представили некоторые характеристики, которые были получены с использованием этих методов и сравнили области их применения.

Литература

1. O. V. Thorsen, M. Dalva, “A survey of faults on induction motors in offshore oil industry, petrochemical industry, gas terminal, and oil rafineries”. IEEE Transactions on Industry Applications Vol. 31, No. 5, pp.1186-1196 September/October 1995

2. O. V. Thorsen, M. Dalva, "Failure identification and analysis for high-voltage induction motor in the petrochemical industry” IEEE Transactions on Industry Applications Vol. 35, No. 4, pp.810-818 July/August 1999

3. S. Bachir, S. Tnani, G. Champenois and J.C Trigeassou, "Induction motor modeling of broken bars and fault detection by parameter estimation" in Proc. SDEMPED 2001 pp 145 – 149

4. S. Moreau, J. C. Trigeassou, G. Champenois, "Diagnosis of electrical machines: a procedure for electrical fault detection and localization" in Proc. SDEMPED 1999 pp 225 – 229

5. E. Schaeffer, E. Le Carpentier, M. E. Za?m. Failure detection in induction machine by means of parametric identification. In Proc. CESA'98, IEEE Conference on Computational Engineering in Systems Applications, 1998

6. M Sa?d, M. Benbouzid, A. Benchaib, "Detection of broken bars in induction motors using an extended Kalman filter for rotor resistance sensorless estimation" IEEE Transactions on Energy Conversion Vol 15, No. 1, pp.66-70 March 2000

7. T. Boumegoura, G. Clerc, H. Yahoui, G. Grellet, "Rotor resistance estimation by non-linear observer for diagnosis and control systems" European journal of automation, Vol. 34, No. 8, October 2000.

8. J. Jianguo, Z. Zhiping, S. Pengshang, W. Xiangheng, "Time frequency spectrum of line current during starting process – A tool for diagnosing failures in induction motor," in Proc. ICEM 1992 pp 1261 - 1265

9. M. E. H. Benbouzid, M. Vieira, C. Theys, "Induction motor's faults detection and localization using stator current advanced signal processing techniques" IEEE Transactions on power electronics, Vol. 14, N° 1, january 1999 (pp 14 - 22)

10. W. T. Thomson, M. Fenger, "Current signature analysis to detect induction motor faults". IEEE Industry Application Magazine. July/August 2001.

11. W. T. Thomson, D. Rankin, D. G Dorell, "On-line current monitoring to diagnose airgap eccentricity in large threephase induction motors – Industrial case history verify the predictions" IEEE Transactions on Energy Conversion Vol 14, No. 4, pp.1372-1378 December 1999

12. R. R. Schoen, T. G. Habetler, F. Kamran, R. G. Bartheld, "Motor bearing damage detection using stator current monitoring" IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 31, N° 6, pp 1274 – 1279 November/December 1995

13. W. T. Thomson, M. Fenger, “Industrial application of current signature analysis to diagnose faults in 3-phase squirrel cage induction motors” Pulp and Paper Industry Technical Conference, 2000. Conference Record of 2000, pp 205 –211

14. W. T. Thomson, “A review of on-line condition monitoring techniques for three-phase – squirrel cage induction motors – past present and future” in Proc SDEMPED 1999, pp 3 – 18

15. H. Calis, P. J. Unsworth, "Fault diagnosis in induction motors by motor current signal analysis" in Proc. SDEMPED 1999 pp 237 – 241

16. H. H?nao, M. Garcia-Melero, "M?thodes de d?tection de d?fauts dans les machines ? induction par utilisation de la mesure du flux axial" in Proc EF 1999, pp 106 - 111

17. H. F. Cabanas, M. Garcia-Melero, "Experimental applications of axial leakage flux to the detection of rotor asymmetries, mechanical anomalies and interturn shortcircuits in working induction motors" Proc ICEM 1998, Vol 1, pp 420 - 425

18. F. Thollon, G. Grellet, A. Jammal, “Asynchronous motor cage fault detection through electromagnetic torque measurement” Proc ETEP Vol 3, N° 5, September/October 1993