zwarcie udarowe jako diagnostyczna metoda pobudzania ... - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 115Jerzy Hickiewicz, Politechnika Opolska, OpoleZbigniew Ławrowski, Grzegorz Sikora, Energotest – Diagnostyka, OpoleZWARCIE UDAROWE JAKO DIAGNOSTYCZNA METODAPOBUDZANIA DO DRGAŃ SILNIKA INDUKCYJNEGOSHORT CIRCUIT SHOCK METHOD APPLIED TO INITIATE VIBRATIONOF AN INDUCTION MOTORAbstract: The study paper describes dynamic mathematical model of an induction motor. This model has beenapplied to simulate investigations and to calculate a peak value of electromagnetic torque during short circuitshock. Also presented are results of experiment investigations of a high power induction motor vibration,which has been initiated by a short circuit shock method. The measurement results of vibration when usingtwo other methods are included. Consistence of measurement results proves suitability of a short circuit shockmethod to be applied to vibration testing of an induction motor.1. WstępMetoda diagnostyczna wykorzystująca zwarcieudarowe silnika jako elektromechaniczne pobudzeniewewnętrzne pozwala wykryć i zarejestrowaćwszystkie pojawiające się drgania elementówwewnątrz silnika, często o charakterzerezonansowym, które mogą być oznaką różnegorodzaju uszkodzeń mechanicznych. Przykłademtych uszkodzeń mogą być : luźne upakowanieżelaza czynnego, luźne mocowanieżelaza czynnego stojana z obudową silnika,wszelkiego rodzaju pęknięcia w obudowie silnika,złe mocowanie wału silnika w klatce wirnika,wadliwe posadowienie łożysk w gniazdachłożyskowych silnika, itp.Diagnostyczne zwarcie udarowe w silniku indukcyjnympolega na tym, że silnik pracującyw ustalonym stanie jałowym, umieszczony naodpowiedniej płycie fundamentowej zostajeodłączony od sieci zasilającej i po bardzo krótkiejprzerwie (rzędu 20÷30ms) zaciski silnikazostają ze sobą zwarte. W wyniku nie stłumionegopola elektromagnetycznego powstająw uzwojeniach stojana i klatce wirnika prądyo wartościach przekraczających kilkakrotniewartości znamionowe, co z kolei wytwarzatrwający krótko, ale o dużej wartości, momentelektromagnetyczny, działający hamująco nawirnik. Wywołuje on bardzo duże chwilowepobudzenie mechaniczne silnika. Pobudzenie towywołuje w silniku drgania w różnych elementachskładowych silnika. Zarejestrowanie drgańna szybkim rejestratorze drgań, a następnieprzeprowadzenie ich analizy, umożliwia uzyskanieinformacji o stanie mechanicznym silnika.Szczególnie dużą wartość diagnostycznąposiadać może porównywanie wyników takichbadań, wykonywanych co pewien okres, poczynającod pierwszych badań wykonanych przedzainstalowaniem silnika na stanowisku pracy.Zmiany, które po pewnym okresie eksploatacjisilnika, mogą uwidocznić się w widmie drgańpozwalają sygnalizować powstające uszkodzeniew silniku.2. Model matematyczny silnika indukcyjnegoi badania symulacyjneIstnieje możliwość pomiarowej weryfikacjiprzebiegów prądów w trakcie zwarcia udarowego,często jednak brakuje możliwości wykonaniapomiaru przebiegu elektromagnetycznegomomentu hamującego powstającego podczaszwarcia udarowego. Zachodzi zatem potrzebawykonania badań symulacyjnych zwarcia udarowegooraz poprzedzającego go swobodnegowybiegu nieobciążonego silnika w celu obliczeniowegookreślenia wartości hamującegomomentu elektromagnetycznego jakie mogąwystąpić w poszczególnych przypadkachzwarć, to znaczy przy różnych wartościach napięćresztkowych jak i ich kątów fazowych.W celu wykonania badań symulacyjnych wykorzystanomodel matematyczny [1][2][3] silnikaindukcyjnego trójfazowego dużej mocy, którybył już wielokrotnie używany do dynamicznychobliczeń symulacyjnych, sprawdzających poprawnośćdoboru silników napędzających urządzeniapotrzeb własnych elektrowni. Przysformułowaniu modelu matematycznego silnikaindukcyjnego przyjęto założenia: budowy symetrycznejsilnika, liniowości charakterystyki

116Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007magnesowania, sinusoidalnego rozkładu przestrzennegoindukcji magnetycznej, pominiętostraty w rdzeniu magnetycznym, przyjętodwuosiową transformację obwodów wirnikaw układzie współrzędnych nieruchomychwzględem stojana, oraz następującą macierztransformacji poszczególnych wielkości wirnika⎡ 1 11 ⎤⎢⎥2 ⎢2 22⎥[ T w ] = cos cos( 120) cos( 120) ,3⎢ ϕ ϕ + ϕ − ⎥⎢sinϕsin( ϕ + 120) sin( ϕ −120)⎥⎢⎥⎣⎦w której ϕ oznacza kąt obrotu wirnika względemstojana.Uzyskany w wyniku transformacji obwodówwirnika dynamiczny model matematyczny silnikaskłada się z równań opisujących obwodyelektryczne silnika[ ][ Ψ]dU = + [ Ω(ϕ )][ Ψ] + R[ I ] (1)dtzależności pomiędzy strumieniami magnetycznymi,a odpowiednimi prądamioraz równanie ruchuJp[ ] = [ L][ I ]Ψ (2)dϕ= M e − M mdt(3)w którym moment elektromagnetyczny określonyjest zależnościąMe= 23p Imx{ Ψ I }ss(4)W celu sprawdzenia jaki wpływ na wartośćmaksymalną momentu, ma czas wybiegu silnika,tzn. czas po którym wykonane zostaje zwarcieudarowe, liczony od momentu wyłączenianapięcia zasilania, wykonano [4] obliczeniasymulacyjne zwarć udarowych silnika typuSZJre-134t o mocy 1000kW i napięciu 6kV.Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy przebiegmomentu elektromagnetycznego przy zwarciuudarowym, a wpływ czasu wybiegu na kieruneki wartość szczytową przebiegu momentuelektromagnetycznego, przy zachowaniu jednoczesnościstyków łącznika realizującego zwarcieprzedstawiono w tabeli nr 1.Rys. 1. Elektromagnetyczny moment przy zwarciuudarowym silnika (obliczeniowy)Tab.1Zależność udarowego momentu elektromagnetycznegoprzy zwarciu od czasu wybieguLp.T wyb[ms]T mx [ms] czas pojaw.się Mx momentuMMmxn1 18 3,57 -9,852 92 3,47 -9,123 196 3,43 -8,314 470 3,54 -6,64825 916 3,43 -4,5797Wynika z niej, że wartość szczytowa momentumaleje ze wzrostem czasu wybiegu poprzedzającegozwarcie, natomiast kierunek pierwszegoimpulsu momentu jest zawsze ujemny. Czaswystąpienia szczytowej wartości momentu jestpraktycznie stały, waha się w granicach od 3,43do 3,62ms.Tabela nr 2 przedstawia wpływ niejednoczesnościstyków łącznika zwierającego na kieruneki wartość pierwszego impulsu momentu.Tab. 2.Zależność wielkości momentu udarowego odniejednoczesności stykówLp.T wyb[ms]T niejed[ms]T mx [ms]czas pojawieniasię Mx momentuMMmx1 2 3 4 51 0,0 3,7 -8,671022 2,0 5,67 -6,903 0,0 3,54 -8,141604 2,0 4,06 -5,255 0,0 3,64 -7,722206 2,0 5,60 -6,107 0,0 3,56 -7,504268 2,0 4,62 -6.44Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że w miarępowiększania się czasu niejednoczesnego załączeniastyków, wydłuża się czas, po którym wys-n

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 117tępuje szczytowa wartość pierwszego impulsu,natomiast kierunek tego impulsu jest zawszeujemny. Wartość szczytowa pierwszego udaruzmniejsza się w granicach od 10 do 20 %.3. Wyniki badań eksperymentalnychEnergotest–Diagnostyka dysponuje stacją próbktóra wyposażona jest w zespół prądotwórczyzłożony z generatora synchronicznego o mocy1,2MVA, napięciu 6kV napędzanego silnikiemprądu stałego w przekształtnikowym układzieLeonarda, umożliwiającym płynne nastawianieczęstotliwości generatora. Ponadto stacja próbdysponuje też płytą (której częstotliwości własnesą poza zakresem pomiarowym) na wydzielonymfundamencie o łącznej masie 150 ton.Rysunek 2 przedstawia widok płyty podczaspomiaru momentu rozruchowego, a rysunek 3w trakcie pomiarów obciążenia silników, metodąpracy zwrotnej.Biorąc pod uwagę możliwości, które stwarzałowyposażenie stacji prób zdecydowano się przeprowadzićbadania drgań silnika na tym stanowiskumetodą zwarcia udarowego.Metoda zwarcia udarowego jest metodą nowatorską.Stacja prób dysponuje układem szybkichłączników umożliwiających jego bezpiecznąrealizację. Pobudzenia tą metodą do drgańumożliwia obserwację dynamiki silnika w szerokimzakresie, praktycznie bez ograniczeń. Narysunku 4 przedstawiono schemat połączeńukładu do pomiarów w trakcie zwarcia udarowegosilnika.Rozdzielnia 6kV6/0,1 kV 6/0,1 kV 6/0,1 kVUkładsterowaniai zabezpieczeńRegulacjaczasu przerwy600/5 ARejestratorprzebiegów prądui napięciaRejestratori analizator impulsu3fdrganiowegoMAkcelerometrRys. 4. Schemat połączeń rozdzielni do wykonaniazwarcia udarowegoRys. 2. Stanowisko do pomiarów silników elektrycznychdużych mocy na płycie pomiarowej wtrakcie pomiaru momentu rozruchowego silnikaRys. 3. Próba obciążenia silników 1MW, 6kVmetodą pracy zwrotnej, na stanowisku pomiarowymRys. 5. Rozdzielnia z polem rewersyjnymRysunek 5 przedstawia rozdzielnię, a rys. 6zworę umożliwiającą wykonanie zwarcia udarowegouzwojeń stojana. W czasie prób zwarciaudarowego mierzono wartości prędkości drgańi zdjęto charakterystyki widma. Wszystkie pomiarydokonano analizatorem dwukanałowym[5]. Wykonano pomiary silnika dużej mocy

118Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007o liczbie par biegunów p=1, a przykładowewidma prędkości drgań przedstawiono na rysunkach7 oraz 8.Z wyników pomiarów wykonanych zarówno postronie napędowej jak i przeciwnapędowej widać,że silnik wzbudza się przy częstotliwości47,1Hz.W celu eksperymentalnego sprawdzenia tej metody,wykonano pomiary drgań tego samegosilnika dwiema innymi metodami. Wykorzystującmożliwości jakie stwarza przetwornicaczęstotliwości, stanowiąca wyposażenie stacjiprób, zmierzono charakterystyki prędkościdrgań silnika w funkcji częstotliwości napięciazasilania, przy stałym stosunku wartości napięciado częstotliwości, v=f(f) przy U/f=U N /f Nw trzech kierunkach V, H, i A. Na rysunkach nr9 i 10 przedstawiono charakterystyki zmierzoneod strony napędowej D w kierunku H i przeciwnapędowejND też w kierunku H.U/f = const str D kierunek H[mm/s]10864202022242628303234363840424446485052545658[Hz]OverallRys. 6. Zwora umożliwiająca wykonanie zwarciaudarowegoRys. 9. Charakterystyka v=f(f) przy U/f=conststrona napędowa, kierunek HU/f = const str ND kierunek HRys. 7. Widmo prędkości drgań badanego silnika,przy zwarciu udarowym, pomiar od stronynapędowej DRys. 8 Widmo prędkości drgań badanego silnikaprzy zwarciu udarowym, pomiar od stronyprzeciwnapędowej ND[mm/s]765432102022242628303234363840424446485052545658[Hz]OverallRys. 10. Charakterystyka v=f(f) przy U/f=const,strona przeciwnapędowa, kierunek HZ powyższych wykresów wynika, że zarównood strony napędowej jak i przeciwnapędowejdrgania wyraźnie wzrastają w zakresie częstotliwościod 42Hz do 52Hz i to potwierdzawzrost wartości prędkości drgań badanego silnikaprzy znamionowej prędkości. Podobne rezultatypomiarowe uzyskano dla pozostałychdwóch kierunków V i A.Występowanie dużych wartości prędkości drgańprzy prędkości zbliżonej do znamionowej postanowionozbadać jeszcze jedną metodą.Dzięki możliwości zasilania badanego silnikaz generatora synchronicznego o nastawianejczęstotliwości zasilono silnik napięciem o częstotliwościnieco większej od znamionowej(f=1,1f, przy U/f=U N /f N ) i po uzyskaniu przezsilnik prędkości wirowania większej od znamionowejodłączono go od źródła zasilania.Przez cały czas wybiegu były dokonywane pomiaryprędkości obrotowej wału i wartościprędkości drgań przy pomocy analizatora drgań[6]. Na rysunku nr 11 przedstawiono tę charak-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 119terystykę. Na jej przebiegu można zauważyćpoczątkowo znaczny wzrost wartości prędkościdrgań, a następnie szybkie zmniejszanie wartości.Największa wartość prędkości drgań występujeprzy 2670 obr/min i wynosi 3,99 mm/srms.Rys. 11. Pomiar prędkości drgań podczas swobodnegowybieguPonieważ silnik podczas pomiarów nie był zasilany,a pozostawał w nim jedynie zanikającystrumień magnetyczny, można przypuszczać, żeznaczny wzrost prędkości drgań nie jest pochodzeniamagnetycznego tylko mechanicznego.Pomiar podczas wybiegu pozwala obserwowaćzachowanie się silnika przy różnych prędkościach,ale górną granicą jest prędkość wirowaniawynikająca z częstotliwości napięcia zasilaniasilnika.4. PodsumowaniePrzedstawiono porównawczo wyniki pomiarówdrgań silnika, o liczbie par biegunów p=1, pobudzonegodo drgań trzema różnymi metodami.Uzyskano dobrą zgodność wyników pomiarowych.Potwierdza to poprawność metody pomiarudrgań silnika pobudzonego do drgańzwarciem udarowym. Metoda ta wymaga coprawda dysponowaniem odpowiednią płytąfundamentową i możliwości precyzyjnego sterowaniaczasem wywołania zwarcia udarowego,ale pozwala na obserwację dynamiki silnika wnajwiększym zakresie częstotliwości. Badaniadały też podstawę do ewentualnej analizy przyczyndrgań i sposobów ich zmniejszenia. Możnaprzypuszczać, że przyczyną dużych wartościdrgań przy prędkościach około 2670 obr/minjest najprawdopodobniej rezonans, a nie jak towcześniej przypuszczano niewyważenie wirnika.Literatura[1]. Hickiewicz J. i inni: Praca n-b pt. „Sprawdzeniepod względem dynamicznym poprawności doborunapędów potrzeb własnych Elektrowni Opole, etapI: Wyznaczenie parametrów modeli dynamicznychwytypowanych silników Elektrowni Opole, skatalogowanieparametrów”. Praca wykonana na zlecenieElektrowni Opole, czerwiec 1987.[2]. Hickiewicz J. i inni: Praca n-b pt. „Sprawdzeniepod względem dynamicznym poprawności doborunapędów potrzeb własnych Elektrowni Opole, etapII: Wykonanie obliczeń sprawdzających I części napędówpotrzeb własnych Elektrowni Opole”. Pracawykonana na zlecenie Elektrowni Opole, listopad1987.[3]. Hickiewicz J. i inni: Praca n-b pt. „Sprawdzeniepod względem dynamicznym poprawności doborunapędów potrzeb własnych Elektrowni Opole, etapIII: Wykonanie obliczeń sprawdzających II częścinapędów potrzeb własnych, obliczenia sprawdzającesystemu po wypadnięciu bloku”. Praca wykonana nazlecenie Elektrowni Opole, listopad 1988.[4]. Ławrowski Z.: „Diagnostyka silników klatkowychwysokiego napięcia w energetyce na przykładzieElektrowni Opole” Rozprawa doktorska Pol. Śl.Gliwice 1999 r.[5]. Instrukcja obsługi analizatora drgań CMVA 40firmy SKF. Rok wyd. 1995 SKF[6]. Instrukcja obsługi analizatora drgań Vibrotest60 firmy Schenck. Rok wyd. 1998 SchenckAutorzyDr hab. Jerzy HickiewiczProf. w Politechnice Opolskiejjh@po.opole.plDr inż. Zbigniew Ławrowskizbigniew.lawrowski@elopole.bot.plMgr inż. Grzegorz Sikoragsikora@energotest-diagnostyka.plEnergotest-Diagnostyka Opole