СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ, ПИТАЕМЫХ ЧЕРЕЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD AND DEVICE FOR ASSESSMENT OF DAMAGE OF ROLLING BEARINGS, IN PARTICULAR, IN ELECTRIC MACHINES SUPPLIED VIA AC FREQUENCY CONVERTER

В электрических машинах, в частности в двигателях с питанием от преобразователя частоты переменного тока (инвертора), возникают паразитные эффекты, которые, в том числе приводят к протеканию тока через подшипники соответствующего двигателя.
В случае больших двигателей, которые подключены непосредственно к синусоидальной электрической сети, прежде всего возникают токи подшипников, причиной которых является несимметричность электрического контура, допуска на изготовление и анизотропия материалов. Асимметричное распределение магнитного потока в двигателе индуцирует напряжение в валу электрической машины, которое приводит к низкочастотному протеканию тока через подшипники. Эти токи циркулируют в замкнутом контуре: вал - подшипник - экран подшипника - корпус.
Прерывание этого протекания тока реализуется посредством изоляции подшипника.
В электрических машинах с электрическим питанием через инвертор, в частности инвертор с промежуточным контуром напряжения, формируется выходное напряжение посредством регулируемого включения промежуточного контура постоянного напряжения, которое затем прикладывается к выходу инвертора. Смена положительного и отрицательного потенциала в быстрой последовательности приводит в двухпозиционном инверторе к характеристике напряжения, сумма трезхфазного напряжения которого не равна нулю и обозначается как так называемое синфазное напряжение.
Каждое из этих «крутых» действий переключения напряжения обуславливает высокочастотные возбуждения, которые приводят к высокочастотным высшим гармоникам с результирующими токами, которые через паразитные пути возвращаются к источнику, то есть в промежуточный контур инвертора.
Эти токи могут в подшипниках, особенно в подшипниках качения, вызвать изменения дорожки качения. При сильных изменениях дорожки качения подшипники качения обуславливают прежде всего шум при перекатывании. Позже подшипник с повреждениями, вызванными усталостью, выходит из строя, что может привести к отказу двигателя или даже к его разрушению.
Таким образом, соответствующие подшипники должны заменяться до достижения желательного срока службы, что вызывает незапланированные расходы.
В случае двигателей, встроенных в установки, за счет внешних измерений принимается решение об электрической нагрузке подшипников. При этом пытаются путем измерения токов заземления, токов вала и напряжений вала выполнять описание состояния подшипника. Однако это описание состояния является крайне неточным. Поэтому в целях безопасности подшипники заменяются задолго до собственно их отказа.
Исходя из этого, задачей изобретения является создать более точный способ по сравнению с нынешними измерениями шума и сравнительными измерениями, чтобы иметь возможность более точно оценить остаточный срок службы подшипника.
Решение поставленной задачи достигается способом для оценки повреждения подшипника качения электрической машины, которая электрически подключена к инвертору, в частности к инвертору с промежуточным контуром напряжения,
причем это повреждение вызывается токами подшипника, в особенности высокочастотными токами подшипника,
причем подшипник качения имеет, соответственно, смазочный зазор между внутренним кольцом подшипника и телом качения и внешним кольцом подшипника и телом качения посредством следующих этапов:
- регистрация энергии электрического события разряда в смазочном зазоре подшипника качения,
- регистрация частоты событий разряда,
- оценка событий разряда посредством корреляции частоты и энергии.
Решение поставленной задачи обеспечивается также посредством устройства для оценки повреждения подшипника качения динамоэлектрической машины, которая электрически подключена к инвертору, в частности к инвертору с промежуточным контуром напряжения,
причем это повреждение вызывается токами подшипника, в особенности высокочастотными токами подшипника,
причем подшипник качения имеет, соответственно, смазочный зазор между внутренним кольцом подшипника и телом качения и внешним кольцом подшипника и телом качения, содержащего:
- средство для регистрации энергетического содержания события разряда в смазочном зазоре,
- средство для регистрации частоты события разряда,
- устройство оценки, которое оценивает зарегистрированные данные частоты и энергетического содержания.
В соответствии с изобретением за счет непосредственной регистрации возникающей в смазочном зазоре передачи энергии становится возможной точная оценка повреждения или остаточного срока службы подшипника, которая также классифицируется посредством соответствующих методов оценки.
Разность напряжений приводит к разрядам электрической дуги и, тем самым, к протеканию тока через смазочную пленку подшипников и, следовательно, к расплавлениям материала или к испарениям материала в дорожках качения подшипников. Равномерная структура расплавления не представляет при этом, как правило, никакой проблемы в отношении срока службы дорожек качения подшипников. Только если материал дорожки качения при прохождении тока частично испаряется, то это приводит к опасному рифлеобразованию. Это рифлеобразование отличается характеристической структурой выступов и впадин, ориентированной перпендикулярно направлению качения тела качения.
При этом для испарения материала требуется заметно более высокая энергия по сравнению с той, которая необходима для расплавления материала для идентичного объема материала.
Подобный учет энергии до сих пор не проводился.
При достаточно высоком напряжении на подшипнике электрической машины происходит превышение напряжения пробоя смазочной пленки, что приводит к электрической дуге между подшипниками качения и внутренним или внешним кольцом. В зависимости от энергии, преобразуемой в смазочном зазоре, это может привести к расплавлениям в дорожке качения тела качения или даже к испарениям материала на теле качения или внешнем или внутреннем кольце.
Испарения материала являются предпосылкой для образования опасной структуры рифлей.
Оба процесса расплавлений материала и испарений материала предполагают, однако, определенную минимальную энергию, которая выводится из термодинамических расчетов. Для этого при событии разряда непосредственно измеряются или электрический ток через подшипник, и/или электрическое напряжение на подшипнике. Путем определения соответствующей мгновенной мощности Р = U*I события разряда и суммирования этих мгновенных мощностей путем интегрирования по времени определяется преобразованная в смазочном зазоре электрическая энергия. При этом время является характеристической константой времени, с которой происходит событие.
Если эта энергия больше, чем минимальная энергия для испарения материала, то это может привести к образованию рифлей. Тем самым можно теперь из преобразования энергии в смазочной пленке оценить, имеет ли подшипник тенденцию к образованию рифлей.
Кроме того, можно из производственного опыта, конкретные значения которого сохранены в банке данных, вывести критический полный объем испарения, приходящийся на рифлю, начиная с которого подшипник выходит из строя. Тем самым можно из частоты этих критических событий вычислить интервал времени до возможного отказа подшипника.
За счет соответствующего изобретению метода для измерения или контроля электрических параметров токов подшипника могут теперь регистрироваться характеристики протекания импульсных процессов разряда, которые обуславливают необратимые изменения в зоне дорожек качения подшипников, тел качения и/или действующих в смазочных зазорах смазочных материалов.
За счет соответствующего изобретению подхода в отношении измерения тока подшипника и соответствующей оценки становится возможным определить связанные с процессами разряда локально переносимые энергии или временной ход локальных плотностей мощности.
В принципе, имеются, в зависимости от локальных плотностей мощности, по меньшей мере следующие возможности группирования воздействия события прохождения тока на компоненты подшипника качения на различные классы.
Локальная плотность мощности протекания тока настолько мала, что это не приводит ни к влиянию на поверхности дорожки качения, ни к влиянию на смазочный материал, например, в непосредственном металлическом контакте тел качения, тем самым имеет месте некритичный случай функционирования.
Локальная плотность мощности протекания тока, то есть разряд или перемещение твердого тела за счет тока обуславливает уже термическое изменение смазочного материала, однако без изменения поверхности дорожки качении. Тем самым имеет место предварительная стадия перед критическим состоянием подшипника. В частности, в случае подшипников с непрерывной смазкой, и при несоблюдении предусмотренных сроков смазки из этого может возникнуть крайне критическое состояние.
Но, в конечном счете, этот случай является еще относительно некритичным для режима работы электрической машины.
Локальная плотность мощности протекания тока является достаточной, чтобы обусловить локальное расплавление поверхностей дорожки качения и изменить смазочный материал подшипника качения. Тем самым имеет место уже критичное состояние.
Локальная плотность мощности протекания тока настолько высока, что поверхность дорожки качения сначала локально расплавляется, а затем испаряется, и смазочный материал к тому же изменяется. При этом получаются оценки для известных сталей подшипников, что при событиях прохождения тока, которые имеют плотность энергии примерно на порядок выше той, которая требуется только для локального расплавления поверхности, начинается испарение соответствующей зоны поверхности.
Структуры рифлей обуславливаются дополнительными механическими влияниями, такими как начальные повреждения дорожки качения, которые в принципе нельзя исключить, прежде всего за счет процессов разряда, их энергий, в частности, локальные плотности мощности приводят к локальным расплавлениям, которые, однако, достигают также высокой доли энергий испарения соответствующих зон поверхности.
Для расплавления в кольцах подшипника, а также в поверхностях тел качения должны выполняться два критерия. Энергия события тока подшипника или локальная плотность мощности должна быть достаточно высокой или превышать определенное значение. Кроме того, импульс не может превышать определенной максимальной длительности, так как иначе тепло может отводиться или стекать уже в материале и, таким образом, не приводить к расплавлению или даже к испарению металлов дорожки качения.
Результат различных измерений показывает, что является возможным проверять или измерять условия независимо друг от друга. Для этого является особенно предпочтительным регистрировать событие разряда в двух различных частотных диапазонах. В качестве меры для энергетического содержания события может определяться в однозначном и до многозначного мегагерцового диапазона время спада напряжения на подшипнике. Из отношения С*dU/dt получается высота тока подшипника. Если теперь отыскивают совпадающее событие в микроволновом диапазоне выше одного гигагерца, то подобное событие показывает, что следует исходить из события тока подшипника, опасного для подшипника.
Подразделение этих обеих частотных полос является особенно выгодным, так как при ограниченной ширине полосы в базовой полосе в несколько мегагерц невозможно обязательно сделать заключение о вредоносности. С другой стороны, излучение микроволн подвергается экстремальным колебаниям. Из-за этих неточностей измерения в микроволновом диапазоне определение энергии импульса здесь невозможно и поэтому должно осуществляться в другом частотном диапазоне, то есть в мегагерцовом диапазоне.
Во всех соответствующих изобретению регистрациях, разумеется, необходимо учитывать теорему о дискретном представлении (теорему Котельникова), чтобы получить убедительные результаты.
Регистрация в гигагерцовом диапазоне осуществляется предпочтительно через антенны.
Однако решающей является точечным образом действующая (кратерообразная) энергия, которая должна протекать лишь в течение короткого временного интервала, типично в диапазоне нескольких сотен пикосекунд, чтобы энергия за счет теплопроводности не стекала в настолько большой объем, что более не вызываются повреждения. Этот типично короткий временной интервал является существенным ключевым параметром для рифлеобразования на компонентах подшипника, таких как тело качения, внутреннее кольцо подшипника и внешнее кольцо подшипника.
k
Точечным образом действующая (кратерообразная) энергия, приходящаяся на единицу времени, является энергией, которая высвобождается в течение определенного короткого временного интервала в подшипнике за счет разряда. Временной интервал определяется на основе диаметра D кратера и скорости V звука.
Типичными значениями являются:
Поэтому точечным образом действующая энергия определяется следующим образом:
Для регистрации точечным образом действующей энергии необходимо, с одной стороны, измерение тока или измерение напряжения или одновременное измерение тока и напряжения. Вместе с вышеприведенным измерением подобных событий в микроволновом диапазоне, то есть выше одного ГГц, подобные события разряда могут точно определяться по времени и по их энергетическому содержанию.
Для измерения тока необходима дополнительная изоляция на подшипнике с шунтированием мостом, с одновременной установкой пригодного для высокочастотного диапазона перекрытия, посредством которого может измеряться протекание тока.
Также возможно связанное с этим одновременное измерение напряжения на подшипнике и, тем самым, вычисление мощности. Эта мощность соответствует энергии, переносимой во временном интервале.
Другая возможность получить точечным образом действующую (кратерообразную) энергию обеспечивается посредством энергии разряда и емкости на подшипнике согласно следующему математическому соотношению:
Gleich
U: синфазное напряжение на клеммах электродвигателя,
Lager
U: напряжение на подшипнике электродвигателя (напряжение на подшипнике) ,
t: время,
Lager
Gleich
BVR: отношение напряжений на подшипнике, отношение U к U,
Lager
C: емкость на подшипнике двигателя,
f: функция, которая должна быть определена на основе эквивалентной схемы,
1
f: обратная функция по отношению к f,
KE
W: точечным образом действующая (кратерообразная) энергия.
Напряжение на подшипнике двигателя измеряется посредством специального датчика напряжения, например, с аналоговой схемой или вычисляется посредством числовой обработки сигналов. Посредством упомянутого соотношения можно теперь сделать вывод относительно точечным образом действующей энергии.
Представление и оценка распределения энергии осуществляется, например, на диаграмме, при этом амплитуда энергии наносится для измеренного напряжения. Результаты при непрерывном измерении при работе динамоэлектрической машины являются множеством точек измерения в форме облака энергии, которое описывает энергетическую нагрузку подшипника. Посредством этого метода представления могут, прежде всего, распознаваться критические энергетические разряды.
События в другой форме выполнения представляются также на 3-D диаграмме. Третья размерность представляет, в частности, частоту появления в так называемом «ложном цветовом представлении» (например, чем более красное, тем более частое).
С помощью далее подключенной логики, которая предусматривает задаваемые зависимые от материала граничные значения, также является возможным их визуализировать для конечного пользователя по типу ампельной системы и, тем самым, как системы сигнализации. С помощью измерения соответствующего времени нахождения на одном энергетическом уровне подшипника можно в течение долговременных оценок сделать выводы о возможном сроке службы подшипника.
Предпочтительным образом подшипники или подшипниковые щиты уже оснащены требуемыми измерительными выводами для напряжения и/или тока и/или регистрации в ГГц диапазоне. При встраивании подобных подшипников или подшипниковых щитов в электрические машины можно таким образом устройство оценки с соответствующим ему объемом памяти и возможностями анализа просто позиционировать в или на электрической машине, не требуя реализации отдельной пригодной для ВЧ измерительной структуры.
Измерительные выводы можно, таким образом, реализовывать пригодными для высокочастотного применения и проверять уже при изготовлении подшипников или подшипниковых щитов, так что ошибки измерения при работе электрической машины могут быть минимизированы ввиду «навесной измерительной структуры».
Также можно через соответствующие этому пути передачи (проводные или беспроводные) передавать результаты измерений или оценки некоторого значения.
Изобретение и его предпочтительные выполнения представлены на чертежах, где показано следующее:
Фиг.1 - принципиальная конфигурация установки,
Фиг.2 - ВЧ эквивалентная схема электродвигателя,
Фиг.3 - эквивалентная схема подшипника,
Фиг.4 - диаграмма и
Фиг.5 - другая диаграмма для оценки.
Фиг.1 показывает в принципиальном представлении структуру динамоэлектрической вращающейся машины с окружающими деталями установки. Более конкретно, инвертор 1 через соединительные линии 7 подключен к динамоэлектрической машине, которая находится внутри корпуса 10 двигателя и имеет статор 11 и ротор 12, который через подшипник 14 и вал 13 через муфту приводит нагрузочную машину 8 или приводится ею.
Электрическое соединение между инвертором 1 и динамоэлектрической машиной посредством соединительного кабеля 7 имеет кабельный экран 6, который имеет соответствующее соединение 5 с заземлением инвертора 1 или корпуса 10 двигателя. Как инвертор 1, так и нагрузочная машина 8 через заземление 12 или 4 соединены с землей 3. Также электрическая машина, в частности, через не показанное подробно основание корпуса 10 двигателя электрически соединена с заземлением установки.
Выходное напряжение инвертора 1, в частности, выполненного как преобразователь частоты переменного тока с промежуточным контуром напряжения, прикладывается через регулируемое переключение промежуточного контура постоянного напряжения на выходе. Смена положительного и отрицательного потенциала в быстрой последовательности приводит в двухпозиционном преобразователе частоты переменного тока к характеристике изменения напряжения, для которого сумма трехфазного напряжения не равна нулю, и получается так называемое синфазное напряжение.
Подшипник 14, в частности подшипник качения, имеет между внешним кольцом подшипника и внутренним кольцом подшипника несколько равномерно распределенных тел качения. Внешнее кольцо подшипника обычно позиционировано в подшипниковом щите, в то время как внутреннее кольцо подшипника размещено непосредственно на валу. В особенности, между кольцами подшипника и телами качения находится смазочная пленка толщиной в несколько десятков микрометров. Существуют, таким образом, два смазочных зазора.
На смазочном зазоре подшипника 14 емкостной делитель напряжения по Фиг.2 обуславливает полное отображение синфазного напряжения, которое отличается от последнего по величине на коэффициент напряжения на подшипнике (BVR). При этом BVR является отношением напряжения на подшипнике к синфазному напряжению на клеммах электродвигателя.
wh
G - статорная обмотка и корпус,
wr
G - статорная обмотка и статорное железо,
rh
G - роторное железо и корпус,
b
C - смазочная пленка подшипниковой опоры,
n
Z - нелинейный импеданс смазочной пленки при пробое (электрическая дуга),
b
R - омическое сопротивление подшипниковой опоры.
b
Приложенное между клеммами двигателя и корпусом напряжение должно измеряться в соответствии с коэффициентом деления BVR на подшипнике, как это представлено, например, на Фиг.3. Емкость смазочной пленки подшипниковой опоры C через емкость роторной обмотки и роторное железо заряжается посредством зарядного тока 21 емкости смазочной пленки, если смазочная пленка изолирована и ротор 12 не заземлен. Коэффициент BVR является мерой для высоты этого заряда. Если напряжение на подшипнике превышает напряжение пробоя смазочной пленки подшипника, то это приводит к электрическому пробою смазочной пленки.
Напряжение 20 на изоляции смазочной пленки приводит, в зависимости от высоты напряжения, к разряду. Разряд осуществляется внутри подшипника и приводит, в зависимости от вышеупомянутых выполнений, к расплавлениям или точкам испарения в дорожках качения подшипника, то есть к микрократерам в дорожках качения тел качения.
Фиг.4 показывает на диаграмме представленную графически энергию в зависимости от диаметра расплавления, причем энергия в области I приводит к расплавлению кратера, а в области II энергия достаточна, чтобы достичь испарения металла, в частности стали, на дорожках качения или телах качения.
Фиг.5 показывает на другой диаграмме представленную графически энергию в зависимости от напряжения на подшипниках, на которой нанесены соответствующие этому импульсы. При этом представлены энергия испарения 52 и энергия расплавления 51, и отдельные точки измерения находятся в облаке 50, так что относительно отдельных точек измерения или их частоты можно сделать вывод об остаточном сроке службы подшипника.