Вибродиагностика электрических машин

Автор admin в 6 февраля, 2017. Опубликовано Pages

Вибродиагностика электрических машин проводится в качестве первичной диагностики работающего оборудования в режиме онлайн. Как правило, после выявления характерных признаков дефектов применяются специализированные и более точные методы диагностики электрических машин (асинхронных, синхронных и машин постоянного тока). Обычно диагностика электродвигателей проводится специалистами компании «БАЛТЕХ» с помощью анализаторов вибрации BALTECH VP-3470-Ex или продвинутого анализатора CSI 2140 с программным обеспечением MotorView.

Выбор точек и направлений измерений

В данной статье мы рассматриваем дефекты электромагнитного и электродинамического происхождения, которые могут быть обнаружены датчиком, установленным на опорном подшипнике электрической машины. Другие дефекты, обнаруживаемые установкой датчика в других местах, мы здесь не рассматриваем, как и не рассматриваем дефекты механического происхождения (дисбаланс, несоосность, дефекты подшипников и т.д.). Измерения проводятся в вертикальном, поперечном и осевом направлении на двух опорных подшипниках. Большая достоверность измерений достигается при одновременном измерении сразу шести вибросигналов.

Требования к прибору вибродиагностики электрических машин

Наилучшие результаты вибродиагностики электрических машин достигаются с помощью виброанализаторов, с разрешением, как минимум, 3200 линий, и возможностью регистрации вибросигналов в течение 10-20 секунд (это необходимо для разделения дефектов механической и электромагнитной природы).

Классификация электрических машин

По принципу действия различают:

Синхронные электродвигатели и генераторы переменного тока, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре.
Асинхронные двигатели переменного тока, в которых частота вращения ротора отстает от частоты вращения статора на величину параметра «скольжение» (см. ниже)
Электродвигатели и генераторы постоянного тока.

(В данной статье мы не рассматриваем дефекты машин постоянного тока, так как их дефекты очень сложно поддаются диагностике со спектров, полученных при измерениях на опорных подшипниках). Прежде всего, определимся с численным диапазоном частоты вращения ротора F₁ и частоты вращения электромагнитного поля статора N₀: F₁=60*f₁=3000(об/мин); f₁частота сети питания N₀=F₁/p, где p=1,2,3…-число пар полюсов Отсюда максимально возможная частота вращения ротора (при частоте сети 50 Гц) составляет 3000 об/мин, а частота вращения электрического поля в зазоре может принимать значения 3000, 1500, 750…об/мин. В асинхронных машинах ротор отстает от электромагнитного поля на величину «скольжения» s и стандартный ряд частоты вращения ротора асинхронной машины, в зависимости, от числа полюсов, представляется рядом: 2900, 1450, 970 об/мин.

Источники вибрации электрических машин

Вибрация, обусловленная магнитострикцией сердечника

Сердечник статора представляет собой пакет из ферромагнитного материала, по которому во время работы машины протекает переменный магнитный поток. Под действием данного потока два раза за период происходит изменение на 180º пространственного положения элементарных намагниченных частиц – доменов. Данный эффект носит название магнитострикции и приводит к небольшому «линейному расширению» материала сердечника. Чем больше величина протекающего магнитного потока, тем больше магнитострикция и соответственно, больше вибрация сердечника. При этом частота данной вибрации никак не связана с частотой вращения ротора и всегда равна удвоенной частоте питающей сети, а именно – 100 Гц.

Вибрация, обусловленная электродинамическим взаимодействием проводников

Из школьного курса физики известно, что проводники с током взаимодействуют между собой с силой Ампера, прямо пропорциональной произведению токов и обратно пропорциональной расстоянию между проводниками. Частота вибрации, вызванной силами Ампера, также равна удвоенной частоте питающей сети, а именно – 100 Гц.

Вибрация, обусловленная конструктивным исполнением ротора и статора

Обмотки статора и ротора всегда укладываются в пазы и при вращении ротора наблюдается периодическое чередование зубцов и пазов статора и ротора, приводящее к модуляции магнитного потока в зазоре с частотой, определяемой количеством пазов на роторе и статоре. Возникающая зубцово-пазовая гармоника негативно отражается на работе электрической машины и, по возможности, различными конструктивными решениями стараются минимизировать ее влияние. В заключение данного параграфа напомним, что наличие всех трех рассмотренных составляющих вибрации электродинамического происхождения в спектре вибрации электрической машины еще не указывает на наличие дефектов. О наличии дефектов судят по увеличению амплитуды этих электродинамических гармоник по сравнению с неким пороговым уровнем.

Вибродиагностика дефектов электрических машин

Вибрация, обусловленная дефектом обмоток статора
- Диагностические признаки:
  - усиление вибрации на электромагнитной частоте F_эм=100 Гц и появление ее гармоник на частотах 200 и 300 Гц. Кроме того, возможно появление гармоник, кратных 1/2F_эм(см.рис.1)

Диагностика электродвигателей, спектр вибрации при ослаблении прессовки пакета статора

Рис.1 Спектр вибрации при ослаблении прессовки пакета статора электродвигателя

Вибрация, обусловленная эксцентриситетом статора
- Диагностические признаки:
  - возникновение пульсирующих вибраций, обусловленных периодическим изменением магнитной проводимости воздушного зазора. Частота пульсаций равна удвоенной частоте питающей сети (100 Гц) и совпадает с частотой воздействия электромагнитных сил F_эм (см. рис.2). В высокочастотной части спектра возможно появление гармоник с частотой kF_{Z_rt} ± 2f₁ ( здесь F_{Z_rt}— зубцовая частота ротора).

Диагностика электрических машин, спектр вибрации при эксцентриситете статора

Рис.2 Спектр вибрации при эксцентриситете статора электрической машины

Вибрация, обусловленная эксцентриситетом ротора
- Диагностические признаки:
  - появление боковых гармоник на первой гармонике частоты вращения ротора и электромагнитной частоте (100 Гц) (см. рис.3) Сдвиг этих гармоник друг относительно друга Δf=2F_s*p (p-количество полюсов)

Диагностика электродвигателей, спектр вибрации при эксцентриситете ротора, дефекты электродвигателей

Рис.3 Спектр вибрации при эксцентриситете ротора электрической машины

(здесь F_S– частота скольжения; F_P – частота вращения ротора;F_ЭМ– электромагнитная частота)

Вибрация, обусловленная дефектом осевого монтажа
- Диагностические признаки:
  - появление значительной осевой вибрации на частоте электромагнитных сил или частоте вращения ротора (см. рис.4)

Дефекты электродвигателей, спектр вибрации в осевом направлении при дефекте осевого монтажа

Рис.4 Спектр вибрации в осевом направлении при дефекте осевого монтажа

Вибрация, обусловленная обрывом стержней ротора
- Диагностические признаки:
  - отгорание стержней приводит к модулированию тягового усилия двигателя, в результате вокруг гармоник частоты вращения ротора наблюдаются боковые гармоники (см. рис. 5). При этом, количество боковых гармоник в 50% случаев соответствует количеству отгоревших стержней.

Рис.5 Спектр вибрации при наличии отгоревших стержней в беличьей клетке ротора

Вибрация, обусловленная дефектами зубцово-пазовой структуры
- Диагностические признаки:
  - в случае множественных магнитных дефектов на роторе и статоре в спектре вибрации будут наблюдаться зубцовые частоты ротора и статора, а также их биения, зашумленные множественными «зеркальными» пиками. Косвенными признаками данного дефекта является сильное падение тягового усилия и большое увеличение потребляемого тока.

Таблица 1. Диагностические признаки электромагнитного и электродинамического происхождения и напряжения питания асинхронных двигателей Как можно видеть из вышеизложенного, частоты вибраций, вызванные различными дефектами электромагнитного и электродинамического происхождения, располагаются в спектрах достаточно близко друг к другу и для четкой их идентификации вибродиагностику электрических машин необходимо проводить с помощью виброанализатора CSI 2140 с как можно большим числом линий – не менее 3200. Что касается диагностики дефектов электрических машин механической природы, то в данном случае не имеет альтернативы по цене/техническим характеристикам/функциональности 2-х канальный виброанализатор BALTECH VP-3470, с помощью которого выявляются не только все дефекты механического происхождения, но и можно провести качественную многоплоскостную балансировку ротора в собственных опорах. Вибродиагностика электрических систем является наиболее сложной для практического освоения и требует обязательного обучения на курсе ТОР-103 «Основы вибродиагностики. Вибродиагностика электрических машин» в Учебном центре (лицензия №1872 от 06.05.2016) компании «БАЛТЕХ». Записаться на курс вы можете здесь. Если же в вашем парке дорогие и ответственные электрические машины, то доверьте их вибродиагностику, виброналадку и тепловизионное обследование специалистам Отдела Технического Сервиса компании «БАЛТЕХ». Специалисты ОТС компании «БАЛТЕХ» оказывают полный перечень услуг по сервису и техническому обслуживанию любого динамического оборудования (вентиляторов, насосов, электродвигателей, редукторов, компрессоров, электрооборудования и др.) с неизменно высоким качеством и по доступным ценам.