Elektrimasinate diagnostika

Elektrimasinad töötavad erinevates tööstustingimustes ning pärast pikaajalist talitlust tõenäoliselt võivad tekkida rikked. Rikete jaotus sõltub peamiselt masina parameetritest; madalpingemootorites tekivad enamasti laagritega seotud tõrked, samas kõrgepingemootorid saavad rohkem staatori mähisega seotud tõrkeid . Üldiselt on suurem osa elektrimasinate riketest mehaanilised tõrked, sellised nagu laagririkked, ekstsentrilisus, purunenud rootorivardad ja otsarõngad. Lisaks võivad tekkida mitmesugused elektrilised tõrked ja demagnetiseerimise probleemid.

## Seisundiseirel kasutatavad diagnostikameetodid
Elektrimasinate roll tööstuses ja olmes kasvab iga päevaga. Seega on nende seisukorra jälgimine ja rikete diagnostika eriti tähtis.

### Vibratsioonianalüüs

Vibratsioonianalüüs on süsteemi muutuste jälgimise protsess, uurides eelnevalt määratletud vibratsioonisignaale ja tuvastades kõrvalekaldeid. Need kõrvalekalded võivad ilmneda kiirenduse amplituudi, sageduse väärtuste ja intensiivsuse muutustes. Spetsiifiliste sageduskomponentide tuvastamine harmoonilises spektris on rikke õigeaegseks tuvastamiseks ülioluline . Need komponendid on sageduspiirkonnas tuvastatavad, rakendades masina poolt väljastatavatele signaalidele Fourier' teisendusi. Kiire Fourier’ teisendus muundab ajadomeeni sagedusdomeeniks.

See diagnostikavõte on väga lihtne, võrreldes paljude muude signaalitöötluse tehnikatega. Selline tehnika nõuab vähem arvutusvõimet. Kiire Fourier’ teisenduse peamiseks puuduseks on aga see, et väike diskreetimissagedus võib põhjustada signaali moonutust. Teiseks, signaali ajapiirang võib põhjustada spektrileket. Samuti on antud tehnika abil keeruline käsitleda katkendlikke signaale. Sel juhul on lahenduseks lühiajaline Fourier’ teisendus.
### Kulumise jälgimine
Laager mängib mootorites üliolulist rolli, alludes erinevatele koormustele ja jõududele, mis lühendavad mootori kavandatud eluiga. Tavaliselt on suurem osa pöörlevate masinate hõõrdekadusid tingitud laagritest. Järelikult võib laagrite kulumise jälgimine oluliselt mõjutada masina talitlust ja üldist töökindlust. Laagrite kulumise peamisteks põhjusteks on tavaliselt suur hõõrdekoormus ja ebapiisav määrimine. Laagrite rikked võivad ilmneda piirkondades, kus määrdeainekate on kõige õhem.

### Elektromagnetiline seire

Magnetvoo jälgimine on muutunud laialdaselt kasutatavaks ja tõhusaks meetodiks elektrimasinate rikete tuvastamiseks, kuna paljud varajased rikked põhjustavad magnetilise asümmeetria, mida saab tuvastada . Elektromagnetilisi mõõtmisi saab tõhusalt kasutada elektrimasina jälgimiseks staatori voolu jälgimise täiendava või alternatiivse vahendina. Elektrimasin tekitab elektromagnetvoogu ja kõik väiksemad tasakaaluhäired magnet- või elektriahelas peegelduvad edastatavas voos .

Enamik pöörlevaid elektrimasinaid on sümmeetrilised, tekitades ühtlaselt jaotatud magnetvoo. Mis tahes tõrge masinas rikub seda sümmeetriat, põhjustades voo ebaühtlast jaotumist ja suurenenud lokaalseid magnetilisi pingeid. Näiteks võib katkise varda voo tihedus suureneda, põhjustades järgnevate rootorivarraste indutseeritud voolu. See suurendatud vool ja magnetjõud muudavad masina vastuvõtlikuks riketele, käivitades ahelreaktsiooni. Parameetrid, nagu pöördemoment, kiirus, pinge ja voolud, on voo jaotamisel üliolulised. Nende parameetrite analüüsimine võib tuvastada riketest tulenevaid kõrvalekaldeid voo jaotuses. Need omadused muudavad diagnostikaalgoritmid mitteinvasiivseteks, avades laia valiku signaalitöötlustehnikaid elektrimasinate seisundi jälgimiseks.

### Temperatuuri mõõtmine
Soojusseire on usaldusväärse töö tagamise oluline aspekt. Kõrgenenud temperatuur kujutab endast mitmeid riske, sealhulgas elektrimasinate eluea lühenemine, mähiste isolatsiooni kahjustused, lühised, laagrite kiirem vananemine ja rootori püsimagnetite lagunemine . Liiga kõrgeid temperatuure seostatakse sageli jahutussüsteemi rikete ja mähistega läbitavate suurte vooludega .

Temperatuuripõhisel seirel kasutatakse üldiselt kahte lähenemisviisi: termopildi analüüs ja lokaalne punktmõõtmine. Kohalikuks soojusmõõtmiseks kasutatakse tavaliselt takistustermomeetri detektoreid ja termopaare. Termopaaride või takistuse temperatuuriandurite abil kohalikul seirel võib aga olla ohutusega seotud piiranguid, eelkõige elektrit juhtivate materjalide kasutamise tõttu anduri struktuuris . Järelikult ei pruugita neid andureid paigutada kõige kuumematesse kohtadesse.

## Levinud tõrked
### Laagrite rikked

Laagrid on pöörlevate elektrimasinate üks olulisi komponente. Mootori töötamise ajal võivad aga laagreid mõjutada mitmesugused sise- ja väliskoormused. Kokkuvõtteks vähendab see laagrite tegelikku eluiga. Erinevad defektid ja mehaanilised kahjustused tekivad sageli vale paigutuse, tootmisvigade või laagridetailide vale asetuse tõttu . Seega tuleb enne laagrite paigaldamist ja mootori käivitamist kontrollida võimalikke tootmiskahjustusi.

Tänu olulisele mõjule vibratsioonispektrile on prioriteediks laagrite riketega seotud vibratsioonimustrite analüüs. Laagrite kahjustusi saab kirjeldada matemaatiliselt, kasutades järgmisi võrrandeid, mis viitavad vigaste laagrite omasagedustele .

Välisvõru: f_v = \frac{N_k}{2} n\biggl(1-\frac{D_k}{D_s}\cos\beta\biggr)

Sisevõru: f_s = \frac{N_k}{2}n\biggl(1+\frac{D_k}{D_s}\cos\beta\biggr)

Veerekehad: f_k = \frac{D_s}{2D_k} n \biggl(1-\biggl(\frac{D_k}{D_s} \cos\beta\biggr)^2\biggr)

Separaator: f_c = \frac{n}{2} \biggl(1-\frac{D_k}{D_s}\cos\beta\biggr)

kus Nk - veerekehade arv, n - mehaaniline rootori sagedus (Hz), Dk - veerekehade läbimõõt (mm), Ds - laagri sammu läbimõõt (mm), β - veerekehade kontaktnurk (kraadid).

### Rootori rikked
Levinud rootori kahjustuse vorm on seotud rootori purunenud varraste ja otsarõngastega . Loomulik lagunemine, mis viib rootori kulumiseni, on selliste rikete üks peamisi põhjuseid. Lisaks võib soojuspaisumine põhjustada rootori varraste pragusid. Kuna rootori vardad on valmistatud vasest ja laminaadid on valmistatud terasest, laienevad vardad kõrgema töötemperatuuri korral kiiremini.

Ekstsentrilisust võib defineerida kui ebaühtlast õhuvahet rootori ja staatori vahel, mis on peamiselt põhjustatud ebaõigest paigaldamisest, poltide puudumisest, võlli nihkest ja rootori tasakaalustamatusest.  Rootori kulumisele aitavad kaasa ka tsentrifugaaljõud. Õhuvahet loetakse vigaseks, kui see ületab 10% nimiväärtusest . Rootori ekstsentrilisust on kolm peamist tüüpi: staatiline, dünaamiline ja elliptiline. Praktiliselt võib segaekstsentrilisust leida ka siis, kui rootori ja staatori keskpunkte ja pöörlemistelge üksteisest nihutada.

Kõige tavalisem püsimagneti rike on demagnetiseerumine, mis viitab magnetiseerimise osalisele või täielikule kadumisele . Püsimagnetite demagnetiseerimine on sageli tingitud masina ülekoormusest ja soojuspaisumisest. Kõrgete temperatuuride vahemikes töötavad masinad, millel puudub korralik jahutussüsteem, suurendavad oluliselt demagnetiseerumise ohtu. Teine soodustav tegur on elektriline stress, näiteks lühised . Samuti on soovitatav jälgida magneti tootmist defektide ja korrosioonimärkide suhtes.

### Staatori rikked

Isolatsioon on elektrimasina üks tundlikumaid komponente. Staatori mähise rikked moodustavad üldises statistikas 36% kõigist riketest . Pööretevaheliste rikete tuvastamine arenduse varases staadiumis on keeruline, muutes selle elektrimasinatööstuses oluliseks probleemiks . Isegi kui kontrolltesti tulemused vastavad kindlaksmääratud väärtustele, võivad staatorimähise väiksemad kahjustused tulevikus põhjustada elektrimasina rikkeid.

Mähise isolatsiooni halvenemist soodustavad mitmed tegurid. Lagunemiskiirust mõjutavad valdavalt neli peamist koormust: termilised, elektrilised, ümbritsevad ja mehaanilised . Lisaks võib mootorite ehitamise ja tootmise protsessil tekkida kahjustusi. Kuigi tootmiskahjustusi ei võeta tavaliselt projekteerimisel arvesse, ilmnevad need sageli masina tööea jooksul.

## Vaata ka
* Elektrimasin
* Asünkroonmootor
* Fourier’ kiirteisendus 
* Vibratsioon

## Viited