Statyczna metoda detekcji uszkodzeń wirnika w silnikach klatkowych

65

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 unikniecie 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 w 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 do diagnostyki stanu klatki i detekcji uszkodzonych prętów w sposób dynamiczny, czili 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, taki 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  , gdzie  to indukcyjność a kąt położenia wału, jest zbliżona do sinusoidy, której okres , gdzie  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.

Rys. 1. Stanowisko badawcze: Tester silników elektrycznych Baker DX oraz badany silnik asynchroniczny

Metoda ta daje szansę na wykrycie pewnych defektów urządzenia min. 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  dla silnika z mimośrodowo osadzonym wałem.

Rys 2. Schemat poglądowy maszyny z statycznie niejednorodną szczeliną oraz charakterystyka funkcji  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.

Rys 3. Poglądowy schemat maszyny w której szczelina powietrzna zmienia się dynamicznie.

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

Rys 4. Charakterystyka  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.

Rys 5. Charakterystyka  dla silnika uszkodzeniem w postaci przerwania pręta klatki.

W przypadku silników z 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, lub badania maszyn o bliźniaczej konstrukcji.

Na wykresie 5 przestawiono charakterystykę  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 wydane. Przemieszczający się fragment wirnika z uszkodzonym prętem wywołuje oscylacyjne zmiany indukcyjności cewek stojana. Ze względu na to, że zmienny indukcyjności w funkcji położenia wirnika występują również naturalnie, metoda nie daje jednoznacznej odpowiedzi na to czy uszkodzenie jest obecne czy nie. Jednak znacząca rozbieżność zmienność indukcyjności w zakresie każdej fazy jest silnym sygnałem stanowiącym o potencjalnym uszkodzeniu.

Wnioski

Analiza stanu wirnika silnika asynchronicznego, bez ingerencji w 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 szanse 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, również w tematyce testowania silników elektrycznych i generatorów: 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.

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

Megger Sp. z o.o.
Tel.: 22 2 809 808
Mail: info.pl@megger.com