УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И СВЯЗАННОГО С НИМИ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанного с ними механического оборудования и устройство его реализующее.
Изобретение относится к области эксплуатации технического оборудования, преимущественно электродвигателей переменного тока и связанного с ними механического оборудования.
7
Известен способ диагностики механических устройств, преимущественно пневмогидравлических агрегатов и трубопроводов, включающий измерение до начала эксплуатации, и определение реального технического состояния оборудования в процессе эксплуатации (см. патент Российской Федерации 2253096, МПК G01М 15/00, F15 В 19/00, публикация от 27.05.2005 г.)-[1].
Недостатками этого способа является применение его преимущественно для пневмогидравлических агрегатов и трубопроводов, а также отсутствие указания конкретных диагностических параметров необходимых для определения реального технического состояния оборудования в процессе эксплуатации.
7
Известен способ диагностики механических устройств, а именно подшипников качения и устройство для его осуществления, включающий испытательный стенд, измерение диагностируемых параметров и сопоставление с аналогичными результатами «эталонных*** подшипников (см. заявка на изобретение РФ 2004108229, МПК С01М 13/04, публикация от 20.10.2005 г.)-[2].
Недостатками этого способа является установка подшипников в переналаживаемую оснастку испытательного стенда, для чего необходимо разбирать диагностируемое оборудование, а также данный способ применим только для одного элемента диагностируемого оборудования - подшипника качения.
7
Известен способ диагностики механических устройств, а именно подшипников качения, включающий измерение вибрации диагностируемого подшипника и определение его технического состояния (см. заявка на изобретение РФ 2003124988, МПК G01М 13/04, публикация от 10.02.2005 г.) - [3].
Недостатком этого способа является применимость его только для определения технического состояния подшипников качения, исключая остальные элементы оборудования.
7
Известен способ диагностики машинного оборудования, включающий размещение остронаправленного микрофона в зоне диагностируемого узла, снятие электрического сигнала с выхода микрофона, выделение из этого сигнала информационного параметра, по которому определяют уровень зарождения и развития дефекта (см. патент Российской Федерации 2090853, МПКG01М 17/00, публикация от 20.09.1997 г.) - [4].
Недостатком этого способа является применение в качестве датчика микрофона, на показания которого может влиять состояние окружающей среды.
7
Известен способ диагностики электротехнического оборудования, включающий воздействие на конструкцию посредством возбудителя вибрации и оценка сигнала отклика конструкции, в качестве сигнала отклика регистрируют спектральную плотность мощности вибрации, возникающей в результате вибрационного воздействия, и по форме спектральной плотности мощности вибрации устанавливают диагноз (см. заявка на изобретение РФ 2003120314, МПКG01N 7/00, публикация от 10.01.2005 г.)-[5].
Недостатком этого способа является применение дополнительного оборудования для возбуждения вибрации, и как следствие остановка диагностируемого оборудования.
7
Известен способ диагностики оборудования, включающий спектральный анализ принудительного акустического отклика памяти эмиссионно- адсорбционных структурных изменений (см. заявка на изобретение РФ 2003134817, МПК G01N 29/14, публикация от 10.05.2005 г.) - [6].
Недостатком этого способа является применение его для прогноза остаточного ресурса металла оборудования, что применимо для видимых частей элементов оборудования, а для диагностики элементов находящихся внутри оборудования, возникает необходимость в разборе диагностируемого оборудования, а также данный способ возможен только с применением дополнительного оборудования - возбудителя вибрации.
7
Прототипом предлагаемого изобретения является способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств, при котором в течение заданного интервала времени производят измерения и запись значений, с помощью датчиков, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, производят спектральный анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах, измерения и их анализ производят с определенной периодичностью, создают из них базу данных, по которой контролируют развитие повреждений по времени и определяют остаточный ресурс оборудования (см. заявка на изобретение РФ 2005110648, МПК G01R 31/34, публикация от 20.10.2006 г.) -[7].
Недостатком этого способа является необходимость остановки диагностируемого оборудования, частичная разборка для подключения датчиков, что может привести к ошибкам ремонтного персонала и сокращению ресурса оборудования до 30%.
Задача решаемая изобретением следующая: диагностика электродвигателей переменного тока и связанного с ними механического оборудования безразборным методом, без отключения диагностируемого оборудования.
Указанная задача решается тем, что в течение заданного интервала времени производят измерения значений вибрационного сигнала излучаемого электродвигателем по трем осям, с помощью соответствующих датчиков вибрации, показания которых записывают через аналого-цифровой преобразователь на постоянное запоминающее устройство персонального компьютера, производят спектральный анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах, измерения и их анализ производят с определенной периодичностью, создают из них базу данных, по которой контролируют развитие повреждений по времени и определяют остаточный ресурс оборудования, при этом измерения производят без разбора диагностируемого работающего оборудования, при помощи внешнего крепления датчиков на его корпус.
Устройство для реализации предложенного способа содержит внешние датчики вибрации прикрепляемые на корпус диагностируемого оборудования при помощи внешних держателей, герметичный корпус с персональным компьютером, аналого-цифровым преобразователем и мультиплексором с разделенными входами аналого-цифрового преобразователя, и разъемы для подключения датчиков измерения вибрации излучаемой электродвигателем по трем осям.
При разработке представленного способа проводились исследования эксплуатационной надежности, которые являются базой для решения вышеизложенных задач. Исследования проводились по двум основным направлениям, а именно ретроспективного и структурно-типового анализа. Ретроспективный анализ имел целью выявление закономерностей старения и повреждения узлов и элементов электродвигателей. Структурно-типовой анализ -определение наименее надежных узлов и элементов электродвигателей.
Как показал проведенный анализ, велика роль ремонтного персонала в поддержании надежной и безопасной работы систем электроснабжения. Снижение нарушений по вине ремонтного персонала, сокращение сроков ремонта непосредственно приводит к повышению надежности.
В 2002 году доля нарушений в работе систем электроснабжения по вине персонала составила 39%. Треть из них произошла по вине ремонтного персонала.
Если рассмотреть распределение нарушений по ремонтным производственным участкам, то на долю производственного участка по ремонту электродвигателей приходится 40,3%, на участок по ремонту комплектных распределительных устройств - 6/0,4 кВ - 26,8%, на участок по ремонту открытых распределительных устройств - 330/750 кВ - 21,9%. На остальные ремонтные участки приходится менее 10%.
Распределение нарушений по видам оборудования, показало, что наибольшее число нарушений приходится на коммутационную аппаратуру -44%, на электродвигатели - 34%, на трансформаторы и реакторы - 8%, на турбогенераторы - 4%. На первые два вида оборудования приходится около 80% нарушений.
Распределение нарушений по вине ремонтного и обслуживающего персонала по электродвигателям с учетом уровня напряжения: 0,4 кВ - 60,5%, 6 кВ - 39,5%. По узлам электродвигателя: вводная коробка - 38,4%, переходной ящик зажимов - 26,1%, подшипниковые узлы - 16,7%, обмотка статора - 12%, прочие узлы - 7%.
Анализ показал, что наибольшее число нарушений в работе электрооборудования (44,7%) связано с повреждением электрических контактных соединений (плохой контакт, обрыв).
Часто встречающиеся причины неисправностей электродвигателей, по актам расследования цеховых отказов составляют 55,2%, классифицируется как некачественный ремонт.
Затем следуют ошибки при техобслуживании (11,4%).
Следует отметить, что в некоторых актах не указывается, в чем же конкретно выразился некачественный ремонт или техобслуживание, что, в свою очередь, не позволяет провести более глубокий анализ причин и выработать адекватные меры по предотвращению нарушений.
Следующая причина нарушений (11,4%) - небрежность, невнимательность, излишняя самоуверенность. Пример: при опробовании по графику наcoca выявлено обратное вращение агрегата. При осмотре обнаружено, что перепутаны фазы при подключении питающего кабеля.
Затем идут некачественная регулировка или ее непроведение, нарушение сроков (периодичности) ремонта, выполнение техобслуживания и ремонта не в полном объеме, соответственно, 7,8%, 5,7% и 3,2%.
На недостатки контроля по актам приходится 3,2%. Эта цифра, похоже, тоже занижена, так как значительной части нарушений можно было бы избежать при контроле выполнения ответственных ремонтных операций и тщательной приемке оборудования из ремонта.
Исходя из вышеизложенного, видно что, в последнее время все предприятия вынуждены искать способы повышения эффективности работы своих ремонтных служб. Наилучшие результаты при этом получаются при переходе от системы обслуживания оборудования - планово предупредительных ремонтов (ПНР) к системе обслуживания по техническому состоянию. Известно, что не следует разбирать и ремонтировать еще хорошее оборудование. Простая разборка и сборка оборудования, даже без замены деталей, может уменьшить ресурс его работы на 30 процентов. Так же нет гарантии, что Вы при ремонте установите комплектующие лучшего качества. А если еще учесть неизбежную послеремонтную приработку узлов агрегата, то вместо пользы будет… Но нельзя и откладывать необходимый ремонт. Обычно все дефекты имеют тенденцию к дальнейшему саморазвитию, разрастаясь до целого комплекса причин, одна из которых приводит в конечном итоге к аварийной остановке агрегатов. Самый дешевый и быстрый ремонт - своевременное устранение первопричины аварии. Это достигается за счет оперативной оценки текущего технического состояния оборудования, своевременного выявления дефектов, оптимального планирования сроков проведения ремонтов, на все эти вопросы дает ответ вибродиагностика вращающегося оборудования. Вибрация - наиболее универсальный параметр, учитывающий практически все аспекты состояния агрегата, позволяющий "безразборно", в рабочих режимах, определять техническое состояние оборудования. Основная цель вибродиагностики - реализация системы обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию, в соответствии с которым обслуживание проводится только в том случае и в том месте, где оно оказывается абсолютно необходимым. Основой для определения текущего состояния оборудования являются измерения среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости (мм/сек) в диапазоне от 10 до 1000 Гц в трех направлениях -"Вертикальном", "Поперечном" ("Горизонтальном") и "Осевом". Сравнение измеренных значений с нормативными позволяет оценить состояние агрегата. Выбор такой единицы измерения связан наличием ряда российских и международных норм и рекомендаций по допустимым уровням вибрации (в единицах виброскорости) для различных типов оборудования, например, рекомендации ISO 2372. В этих рекомендациях значения предельного уровня вибрации зависит от мощности двигателя агрегата, от числа оборотов вала агрегата, от типа фундамента. При этом данные рекомендации не учитывают условия монтажа каждого агрегата, условий эксплуатации и обслуживания, технологической нагрузки, срока эксплуатации и т.д. Проведение работ по вибродиагностике дает реальный экономический эффект, так как способствует:
- увеличению времени между ремонтами - и как следствие, это рост производительности и снижение затрат на проведение ремонтов;
- предотвращению прогнозируемых поломок - что способствует повышению надежности работы;
- устранению вторичных поломок, например, поломки редуктора из-за неисправностей подшипника;
- устранению ненужного расхода деталей, исключению замены еще исправных деталей;
- уменьшению объема запасных частей, т.к. заранее известны номенклатура и количество необходимых деталей и запасных частей;
- уменьшению общей продолжительности ведения ремонтных работ, т.к. все необходимые работы планируются заранее.
Анализ статистики отказов электродвигателей показал, что:
- 46,8% отказов электродвигателей происходит в результате неисправностей в подшипниковых узлах;
- 33,6% отказов из-за неисправности в обмотке статора;
- 5,5% отказов вызывает нарушение центровки;
- 4,0% отказали из-за изгиба лап электродвигателей (обобщенное название, которое включает в себя как сами искривления лап, так и различные деформации рам, на которых установлены агрегаты);
- 3,2% отказов спровоцировали дефекты в муфтах;
- 6,9% электродвигателей выходят из строя из-за отказа прочих узлов (дисбаланс ротора агрегата, недостаточная жесткость крепления агрегата, несносность картера подшипников с корпусом насоса, физический износ оборудования, перекос оси линии валов, структурный резонанс, коррозийно-эрозионный износ.
Как видно из приведенного выше анализа, наиболее распространенным видом неисправностей являются - нарушения в подшипниковых узлах. Данный вид неисправности может быть вызван следующими факторами:
- дефекты в наружном кольце подшипника;
- дефекты на внутреннем кольце подшипника;
- дефекты тел качения;
- нарушение смазки.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, были получены выражения для вычисления частот отражающих факторы вызывающие нарушения в подшипниковых узлах.
Для вычисления частоты вибрации при дефектах в наружном кольце подшипника, используется выражение:
B
где D - диаметр внутреннего кольца;
H
D - диаметр наружного кольца;
N- количество тел качения;
p
f - частота вращения ротора электродвигателя.
Дефекты на внутреннем кольце подшипника проявляются на частоте, вычисляемой по формуле:
Частота отображающая дефекты тел качения, определяется по формуле:
ш
где D - диаметр тел качения.
При нарушении смазки подшипника, наблюдается рост амплитуды вибрации на всех, вышеперечисленных частотах одновременно.
Вибрация электродвигателя напрямую зависит от вращающего момента в электродвигателе. Так как остальные виды неисправностей (неисправности в обмотке статора, нарушение центровки, изгиб лап электродвигателей, дефекты в муфтах) оказывают влияние на вращающий момент, они вызывают изменение вибрации электродвигателей.
Вращающий момент в асинхронной машине создается в результате взаимодействия вращающегося поля и токов, наведенных им в обмотке ротора. Его значение можно найти, исходя из закона электромагнитных сил, вращающий момент равен ([8] - См. глава 3, § 3-13):
M
2
где B - максимальная индукция в воздушном зазоре, всек/см;
l - активная длина проводника, см;
N - число проводников обмотки статора;
D' - диаметр ротора;
2
M
2M
Ψ - сдвиг между В и I (в электрических радианах);
2M
I максимальный ток роторной цепи. Так как:
1
где i - ток в обмотке статора электродвигателя;
1
ω - число витков в обмотке;
l - активная длина проводника;
где
2
где E - э.д.с.в обмотке ротора электродвигателя;
2
r - активное сопротивление обмотки ротора;
2
x - индуктивное сопротивление обмотки ротора;
s - рабочее скольжение.
Сопоставив виды неисправностей с приведенными выше формулами, видно, что:
M
- неисправности в обмотке статора влияют на вращающий момент из-за изменения числа проводников в обмотке статора (N), активной длины проводника (l) и изменения максимальной индукция в воздушном зазоре (B);
- нарушение центровки и дефекты в муфтах оказывают влияние в связи с изменением нагрузки на валу электродвигателя и следовательно изменения рабочего скольжения (s);
M
- изгиб лап электродвигателей приводит к изменению воздушного зазора между обмоткой статора и ротором, что приводит к изменению максимальной индукция в воздушном зазоре (B) и как следствие к изменению вращающего момента М
Для того, что бы определить частоты на которых неисправности проявляют себя, необходимо рассмотреть вращающий момент как функцию времени. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, были получены выражения для вычисления частот отражающих виды неисправностей электродвигателей.
Для определения наличия межвитковых замыканий, необходимо провести анализ на частоте, определяемой по формуле:
U
где f - частота питающей сети;
k - коэффициенты, определяемые частотой вращения ротора;
s - рабочее скольжение;
p - число пар полюсов.
Нарушение центровки и дефекты в муфтах определяются на частотах, вычисляемой по формуле:
Изгиб лап электродвигателей проявляет себя на частоте, вычисляемой по формуле:
Неисправности приводимого оборудования проявляют себя на характерной лопаточной частоте, которая определяется следующим образом:
л
где f - частота вращения рабочего колеса;
Zл, - количество лопаток рабочего колеса.
Измерение вибрации производится с определенной периодичностью, из полученных данных создают базу данных, определяют остаточный ресурс и формируют план технического осмотра и ремонта оборудования на основе данных о фактическом техническом состоянии оборудования.
На фиг.1 схематично представлена принципиальная схема устройства, реализующего способ.
На фиг.2 - фотография устройства, реализующего способ. Устройство для реализации предложенного способа (по фиг.1) содержит внешние датчики вибрации 1 по трем осям (1а, 1в и 1 с), герметичный корпус 2 с персональным компьютером 3, аналого-цифровым преобразователем 4 и мультиплексором с разделенными входами аналого-цифрового преобразователя 5, и разъемы для подключения датчиков измерения вибрации излучаемой электродвигателем по трем осям 6, а так же диагностируемого электродвигателя 7 с оборудованием 8.
Устройство, реализующее предложенный выше способ работает следующим образом: измеряется в течение заданного интервала времени значений вибрационного сигнала излучаемого электродвигателем 7 по трем осям, с помощью соответствующих внешних датчиков вибрации 1 (1a, 1в и 1 с), подключенных к разъемам 6, далее через мультиплексор 5, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь 4 и после преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую передается в переносной компьютер 3, где производится запись сигнала на постоянное запоминающее устройство с последующей обработкой включающей быстрое преобразование Фурье с взвешиванием спектральных полос оконной функцией по отдельным информативным частотам.
Таким образом: предлагаемый способ позволяет определить наличие неисправностей электродвигателей и связанного с ними оборудования, в том числе зарождающихся неисправностей, безразборным диагностированием электродвигателя и связанного с ним оборудования с применением разработанного устройства. Это дает возможность определять фактическое техническое состояние электродвигателей и связанного с ним оборудования в реальном времени с разными рабочими режимами его эксплуатации, что позволяет сократить расходы на техническое обслуживание и технический ремонт за счет устранения зарождающихся неисправностей и упрощенное обслуживание исправного оборудования.
Вышеприведенная совокупность признаков по формуле изобретения не известна в настоящее время из уровня техники и не следует из общеизвестных правил диагностики электродвигателей переменного тока и связанного с ними механического оборудования, это доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".
Предложенные способ и устройство его реализующее являются новыми для диагностики электродвигателей переменного тока и связанного с ними оборудования, что соответствует критерию изобретения: "новизна".
Конструктивная реализация устройства диагностирующего электродвигатели переменного тока и связанные с ними механическое оборудование с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, отсюда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Пат. РФ №2253096 от 27.05.2005 г., кл. G01M 15/00, F15B 19/00 (Способ оценки технического состояния оборудования).
2. Заявка на изобретение РФ №2004108229, от 20.10.2005 г., кл. G01M 13/04 (Способ комплексной диагностики подшипников качения и устройство для его осуществления).
3. Заявка на изобретение РФ №2003124988, от 10.02.2005 г., кл. G01M 13/04 (Способ диагностики подшипников качения).
4. Пат. РФ №2090853 от 20.09.1997 г., кл. G01M 17/00 (Способ виброакустической диагностики машинного оборудования).
5. Заявка на изобретение РФ №2003120314 от 10.01.2005 г., кл. G01N 7/00 (Способ диагностики электротехнического оборудования).
6. Заявка на изобретение РФ №2003134817 от 10.05.2005 г., кл. G01N 29/14 (Способ прогноза остаточного ресурса неразрушающим контролем при экспертизе промышленной безопасности оборудования).
7. Заявка на изобретение РФ №2005110648 от 20.10.2006 г., кл. G01R 31/34 (Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств) - прототип.
8. П.С.Сергеев. Электрические машины. Учебник для вузов. // Москва.