Автор: Сидельников Л. Г., Афанасьев Д. О.
Источник: Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В статье освещается актуальная на сегодняшний день проблема выбора стратегии и методов диагностирования асинхронных двигателей. Проведен сравнительный анализ методов контроля технического состояния асинхронных двигателей на этапах производства, эксплуатации и ремонта. Рассмотрены методы тестовой и функциональной диагностики асинхронных двигателей. Проведен сравнительный анализ методов обслуживания оборудования роторного типа. Выявлены преимущества диагностики асинхронных двигателей по фактическому состоянию. Проанализированы современные системы и методы диагностики асинхронных двигателей. Рассмотрены основные методы контроля технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации: анализ вибрации отдельных элементов двигателя, анализ акустических колебаний, измерение и анализ магнитного потока в зазоре двигателя, анализ внешнего магнитного поля, измерение и анализ температуры отдельных элементов двигателя, анализ электрических параметров и контроль состояния изоляции статорной обмотки асинхронного двигателя. Выявлены преимущества и недостатки рассмотренных методов. Перечислены основные виды дефектов асинхронных двигателей, выявляемые данными методами контроля технического состояния. Детально проанализированы широко распространенные на практике методы диагностики асинхронных двигателей: метод спектрального анализа тока статора асинхронного двигателя, метод анализа спектров Парка тока и напряжения, контроль состояния изоляции статора асинхронного двигателя по уровню и распределению частичных разрядов. Рассмотрен вопрос выбора необходимого набора первичных датчиков частичных разрядов и определения оптимального места их установки. Также в статье определены основные проблемы, возникающие при проведении измерений частичных разрядов в асинхронных двигателях в процессе эксплуатации
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что внедрение средств диагностирования является одним из важнейших факторов повышения экономической эффективности использования оборудования в промышленности [1]. Назначение диагностики – выявление и предупреждение отказов и неисправностей, поддержание эксплуатационных показателей в установленных пределах, прогнозирование состояния в целях полного использования ресурса [1].
Короткозамкнутые асинхронные электродвигатели – самые распространенные машины в приводах современных технологий. Оптимальному использованию таких электродвигателей препятствует их высокая повреждаемость. Ежегодно выходят из строя 20–25 % от общего количества установленных электродвигателей [2]. Возникающий в связи с этим ущерб связан с простоем технологического оборудования вследствие аварии двигателя. Дополнительно к прямым убыткам добавляются снижение электро – и пожаробезопасности, что связанно с короткими замыканиями, которые могут присутствовать в обмотке статора или ротора поврежденного электродвигателя [3].
Таким образом, задачи снижения уровня прямых и косвенных затрат в процессе эксплуатации асинхронных двигателей, повышения качества их диагностики, а также повышения их надежности актуальны на сегодняшний день в любой отрасли производства. В качестве объектов исследования в статье рассмотрены наиболее широко применяемые общепромышленные асинхронные двигатели средней мощности (от 1 до 4000 кВт).
Выбор стратегии и методов диагностирования асинхронных двигателей определяется рядом факторов. Первостепенное значение имеет конечная цель диагностирования, которая зависит от того, на каком этапе жизненного цикла определяется техническое состояние двигателя: на этапе производства, эксплуатации или ремонта.
На этапе производства важно обеспечить оптимальное проектирование и доводку конструкции, ориентируясь на обеспечение надежности и долговечности, а также контроль качества изготовления деталей и их монтажа. Основные виды неисправностей в условиях серийного производства: кинематические ошибки изготовления деталей, выход параметров за допустимые пределы по точности и дефекты сборки, к которым относятся неуравновешенность, наличие эксцентриситета, различного рода перекосы, зазоры, относительные смещения взаимодействующих деталей, несоблюдение технологии смазки и т.п. На этапе эксплуатации, вследствие естественного процесса старения элементов со временем наработки, происходят изменения параметров двигателей, приводящие к неисправностям и поломкам.
По скорости развития эксплуатационные дефекты делят на две категории: быстро развивающиеся, которые вызывают внезапные отказы, и медленно развивающие. К первой категории относятся трудно прогнозируемые отказы, которые являются следствием производственных технологических дефектов или разрушения под действием мгновенно возникающей нагрузки, превышающей предел прочности элементов. Ко второй категории относятся неисправности, возникновение и развитие которых может быть зарегистрировано, спрогнозировано и проконтролировано до их критического уровня.
При правильной организации эксплуатации асинхронных двигателей вид неисправности и объем ремонта можно определить заранее, до наступления критического состояния механизма. Диагностика на этапе ремонтных работ сводится к послеремонтному контролю технического состояния. В объем диагностирования необходимо включать и предремонтную оценку технического состояния машин [4].
У электродвигателей после ремонта с разборкой и заменой деталей надежность работы часто снижается. Во время ремонта проблематично выявить скрытые дефекты, такие, например, как дефекты стержней короткозамкнутого ротора или нарушение изоляции обмотки статора [2].
В настоящее время возникает потребность диагностики состояния асинхронных электродвигателей в процессе его работы. Обнаружение дефектов в работающем электродвигателе на ранней стадии развития позволит предупредить внезапную остановку производства в результате аварии, снизить расходы на ремонт электродвигателя и увеличить срок его службы.
Современные системы и методы диагностики асинхронных двигателей можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы тестовой диагностики. Это измерение сопротивления изоляции, токов утечки, внутреннего сопротивления обмоток, тангенса угла диэлектрических потерь обмоток, метод высоковольтного импульса и др. Тестовое диагностирование – основной вид выявления дефектов электродвигателей в отечественной энергетике. Оно определило сложившуюся структуру технического обслуживания и ремонта по регламенту. Такая диагностика способствует не только предупреждению развития различных дефектов, но и их появлению. Например, при проведении плановых ремонтов электрических машин, после полной сборки двигатель подвергается испытаниям повышенным напряжением, которые оказывают на изоляцию машины пагубное влияние. Это вызывает появление в обмотке микродефектов, развивающихся в процессе работы электродвигателя под влиянием некачественной электроэнергии, перегрузок, частых пусков и остановок. С каждым высоковольтным испытанием при планово-предупредительных ремонтах число дефектов увеличивается. Это в конечном итоге приводит к аварийному выходу из строя электрического двигателя. Каждая разборка и сборка электродвигателя увеличивает эти микродефекты.
В настоящее время разработаны многофункциональные система диагностики изоляции асинхронных двигателей посредством высоковольтного импульсного испытания. Авторы данных систем утверждают, что выполняется неразрушающий тест изоляции, объясняя это своевременной остановкой теста. Однако тест прекращается только после превышения пределов прочности изоляции. К недостаткам тестовой диагностики можно отнести также временную приостановку работы электродвигателя, отсутствие возможности защитного отключения оборудования во время его работы для предотвращения полного выхода его из строя, отсутствие контроля ненормальных режимов работы данного оборудования и т.д.
Вторая группа включает в себя методы функциональной диагностики. Методы функциональной диагностики экономически наиболее предпочтительны, так как не требуют временного вывода электрооборудования из эксплуатации. Для подготовки к ремонту необходимо обнаружить все дефекты, влияющие на ресурс, задолго до отказа. В связи с этим необходимо применение методов диагностики не только относящихся к категории функциональных, но и позволяющих выявить дефект конкретной части электродвигателей [3].
Сравнительный анализ методов обслуживания оборудования роторного типа показал, что при планово–предупредительных ремонтах и испытаниях не менее 50 % обслуживаний выполняется без фактической их необходимости. Для большинства машин при этом не снижается частота выхода их из строя. Надежность работы после обслуживания с разборкой и заменой деталей часто снижается. Около 70 % дефектов вызвано производством работ по обслуживанию. При обслуживании по фактическому состоянию предприятие имеет объективные данные о текущем техническом состоянии оборудования. Не нарушается нормальная работа механизма из–за не обоснованного вмешательства человека.
Не смотря на большое количество методов диагностики электродвигателей, вопрос продолжает оставаться актуальным по ряду причин. Среди этих причин отсутствие надежных критериев оценки технического состояния, динамики развития дефектов, отсутствие методов прогнозирования остаточного ресурса, недостаточно исследованы отдельные неисправности двигателей и не определены специальные диагностические параметры, характеризующие изменение процессов функционирования при возникновении соответствующих неисправностей. Имеющиеся критерии учитывают только предельные или допустимые состояния параметров, что не позволяет оценивать дефекты на ранней стадии их развития.
Таким образом, проблема диагностики асинхронных двигателей состоит в необходимости создания универсального, простого метода определения технического состояния электродвигателей. Это позволит до минимума снизить ущерб от повреждений асинхронных двигателей, за счет раннего обнаружения возникающих дефектов. Желательным условием является измерение диагностических параметров функционирующего привода без вывода двигателя из процесса производства и транспортировки его на специализированные стенды. Исключением является диагностика после ремонта машин.