Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247."— Transkript prezentace:

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR Ivan Jaksch Metody diagnostiky indukčních motorů

2 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Obsah 1.Diagnostika jako prostředek pro zjištění stavu objektu 2.Důležitost diagnostiky elektrických strojů 3.Indukční motor a jeho poruchy 4.Vybrané diagnostické metody indukčních motorů (State of the art) 5.Pokročilé metody diagnostiky indukčních motorů Využití prostorové transformace pro diagnostiku statorových vad Diagnostika rotorových vad na základě demodulační analýzy

3 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 3 Technická diagnostika je vědní obor, který se zabývá metodami, prostředky a postupy bezdemontážního a nedestruktivního zjišťování technického stavu objektu. (Diagnosis znamená v řečtině „skrze poznání“.) Diagnostika zjistí technický stav objektu a odhalí místa z poruchami a určí i závažnosti poruch. Porucha může být odhalena v prvotní fázi a odstraněním se ušetří mnoho finančních prostředků. Dopad diagnostiky je ale mnohem širší. Je to zejména rozbor příčin poruch z něhož plynou informace směřují ke změnám konstrukce, tak aby byly poruchy minimalizovány Opakující se poruchy mohou vést ke zjištění nedostatků ve výrobě a chybném výrobním procesu. Rozbor pak vyústí v doporučení změn v technologickém procesu výroby. Velkou důležitost má provozní diagnostika prováděná na základě pokročilých diagnostických metod vyvinutých většinou v laboratořích 1. Diagnostika jako prostředek pro zjištění stavu objektu Úvod Metody diagnostiky indukčních motorů

4 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 4 2. Důležitost diagnostiky elektrických strojů Počátky diagnostiky elektrických strojů začínají v 80. letech minulého století s nástupem počítačů. V roce 1997 bylo založeno speciální celosvětové symposium o diagnostice elektrických strojů pod záštitou IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) Symposium on Diagnostics for Electrical Machines Power Electric and Drives - SDEMPED. Jediné celosvětové setkání zabývající se speciálně diagnostikou elektrických strojů a pohonů. Koná se každé 2 roky a postupně se uskutečnilo v Evropě i Americe. Tato celosvětová konference je sponzorována IEEE IES Industrial Electronics Society, IEEE IAS – Industry Application Society a IEEE PELS Power Electronics Society. Zde jsou diskutovány nové trendy a budoucí vývoj na tomto poli odborné činnosti. Mimo tohoto speciálního symposia je na všech konferencích týkajících se elektrických strojů vyhrazena samostatná část pro měření a diagnostiku. Jsou to např. nejstarší konference o elektrických strojích ICEM International Conference on Electric Machines, v roce 2010 jako XIX. konference, nebo PEDS Power Electronics and Drives Systems. Důležitost diagnostiky Metody diagnostiky indukčních motorů

5 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 5 Diagnostická veličina - veličina, nesoucí informaci o vadě, poruše. Diagnostický systém - systém (často velmi složitý) pro nalezení vady. Indikátor vady (fault indicator) – diagnostický symptom. Hodnota veličiny nebo více veličin určující poruchu – vadu ( velikost napětí, proudu, frekvence, teploty, spektrální čára aj.). Tato hodnota neurčuje závažnost vady a tedy informace není úplná. Stále se používá i u moderních metod, ale je nutno vždy doplnit závažností poruchy. Koeficient závažnosti poruchy (fault severity coefficient). Bezrozměrná veličina určující závažnost poruchy. Většinou je to indikátor vady dělený nominální hodnotou diagnostikované veličiny. Přípustná hodnota koeficientu je často empiricky zjišťována pro určitý druh strojů. Závislost indikátorů vady na změnách pracovních podmínek elektrických strojů Je vždy nutná analýza změn indikátoru vady a koeficientu závažnosti poruchy na změnách zátěže elektrických strojů. (Při opakované diagnostice a změně indikátoru vady nevíme, zda změna indikátoru byla způsobena změnou – zhoršením vady elektrického stoje nebo je způsobena změnou parametrů při diagnostice – většinou změnou zátěže.) Vývoj diagnostických metod elektrických strojů - základní pojmy Vývoj diagnostických metod Metody diagnostiky indukčních motorů

6 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 6 3. Indukční (asynchronní) motor - IM 1 — statorový svazek, 2 — statorové vinutí, 3 — žebrovaná kostra, 4 — rotor s klecí, 5 — tyče klece, 6 — kruhy klece, 7 — přední ložiskový štít, 8 — zadní ložiskový štít, 9 — vnější ventilátor, 10 — statorová svorkovnice Nejvíce používaný motor s klecovou kotvou. Ve spojení s měniči je základem moderních elektrických pohonů. Dle studie je v USA v provozu 280 miliónů indukčních motorů. Současné motory mají rozměry zhruba poloviční oproti motorům před 30 lety. Důvodem jsou lepší magnetické materiály (větší indukce sycení, menší ztráty) a také přesnější konstrukce – menší vzduchová mezera. Mohou být ale náchylnější na poruchy. Indukční motor s klecovou kotvou Rotorový a statorový plech IM (drážky) Metody diagnostiky indukčních motorů

7 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 7 Vzduchová mezera hřídel Rotorové tyče Rotorové plechy stator rotor Rotorový věnec vinutíjádro Indukční motor s klecovou kotvou Metody diagnostiky indukčních motorů

8 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 8 Poruchy indukčních motorů z hlediska vzniku Statorové Zkraty ve statorovém vinutí (porucha začíná nedetektovatelným snížením izolačního odporu mezi dvěma závity vinutí jedné fáze nebo mezi fázemi, pokračuje mezizávitovým zkratem a může se dále rozšiřovat). Zvýšený odpor statorového vinutí Přerušené statorové vinutí Rotorové Přerušené rotorové tyče nebo zvýšený odpor tyčí Přerušený rotorový věnec Dynamická, statická nebo kombinovaná exentricita Ložiska Porucha vnějšího kroužku Porucha vnitřního kroužku Porucha kuliček Ostatní čelo motoru, svorkovnice, plechy aj. Poruchy indukčních strojů Metody diagnostiky indukčních motorů

9 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 9 1 Přerušené rotorové tyče 2a Statická excentricita 2b Dynamická excentricita 1. Oválný stator2. Rotor i stator kruhové, rotor mimo osu stator rotor 2. Uvolněný kruhový rotor pohybuje se po této kružnici a – chyba excentricity 1.Oválný rotor ohnutý rotor Poruchy rotoru 2a,b - Kombinovaná excentricita stator rotor Metody diagnostiky indukčních motorů

10 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 10 Elektrického původu: Zkraty ve statorovém vinutí Přerušené vinutí Poruchy rotorových tyčí, přerušené tyče nebo zvýšený odpor tyčí Poruchy rotorového věnce, přerušený rotorový věnec Mechanického původu: Vady ložisek Nevyváženost rotoru Nesouosost uložení Ztráta tuhosti hřídele, ohnutý rotor Statická excentricita Dynamická excentricita Kombinovaná excentricita Poruchy indukčních motorů z hlediska původu Indukční motor je elektro-mechanické zařízení a jeho poruchy mohou projevovat jako poruchy elektrického původu nebo jako poruchy mechaniky motoru Přenos „mechanik“ do „ magnetik“ - Mechanická porucha se zjišťuje analýzou statorového proudu – změna pole ve vzduchové mezeře a modulace proudu. Poruchy el.magnetického pole vzduchové mezery Mechanické poruchy Indukční motor H (j  ) Přenos „mechanik“ do „magnetik“ není zatížen šumem a je výhodnější pro diagnostiku Poruchy indukčních strojů (magnetik)(mechanik) Přenos elektrických poruch do vibrací je zašumělý a tedy málo užívaný Analýza vibrací a změny kroutícího momentu zařízení, které pohání motor – např. převodovky je možno diagnostikovat spektrální analýzou proudu motoru. Metody diagnostiky indukčních motorů

11 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Vybrané diagnostické metody indukčních motorů (State of the art) 1.Vnitřní vyhledávací cívka (search coil) nebo vnější senzor magnetického toku 2.Analýza orbitů prostorového vektoru 3.Analýza dopředné a zpětné složky prostorového vektoru 4.Měření zpětné impedance 5.Další metody Měření fázových proudů Analýza částečných výbojů. Měření oteplení Umělé neuronové sítě Diagnostika statorových vad 4a. Vybrané metody diagnostiky statorových poruch Metody diagnostiky indukčních motorů

12 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 12 Interní senzor (pouze u větších IM) Vlivem asymetrie statoru vzniklé statorovou vadou se zvýší axiální magnetický tok Externí senzor magnetického toku. Při statorové vadě, zkratu ve vinutí se zvýší amplituda na drážkové frekvenci dané rotační frekvencí f r.násobenou počtem tyčí rotoru N r 1. Senzor magnetického toku Diagnostika statorových vad (N r (1−s) ± k r ) f l = N r f r ±f l N r počet rotorových tyčí f r frekvence otáčení f l napájecí frekvence Metody diagnostiky indukčních motorů

13 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 2. Analýza orbitů komplexního vektoru 3 fáz. systém i a, i b, i c, i a (t) = I m sin(  l t) je vyjádřen prostorovým vektorem I I= K s ( i a +a i b +a 2 i c ), a, K s =1 Bez statorové vady (kružnice) Malá vada (elipsa) Větší vada Statorová i rotorová vada, frekvenční pásmo do 200 Hz idid iqiq i d i q I = i d + ji q Diagnostika statorových vad Nevýhody metody: obtížná kvantifikace indikátoru vady přibližná metoda 13 Orbity, frekvence do 100 Hz

14 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Analýza dopředné a zpětné složky prostorového vektoru I= K s (i a +a i b +a 2 i c ), a= e j2π/3, K s = 2/3, (není nutný přepočet mezi fázovým a transformovaným proudem) Magnituda komplexního spektra komplexního prostorového vektoru I na frekvenci měniče f= 10 Hz I p dopředná složka komplexního vektoru I I n zpětná složka komplexního vektoru I (při motoru bez statorové vady má být blízká nule Při statorové vadě se zpětná složka zvýší Diagnostika statorových vad

15 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Analýza zpětné impedance Magnituda spektra prostorového vektoru napětí (nahoře) a proudu Dobrý motor Magnituda spektra prostorového vektoru napětí (nahoře) a proudu Motor se zkratovanými závity statoru Zpětná složka prostorového vektoru napětí se nemění. Při statorové vadě se zvýší zpětná složka (negative-sequence component) prostorového vektoru proudu o 23dB tj. 14x a zpětná impedance se sníží Diagnostika statorových vad Spektrum komplexního prostorového vektoru napětí Spektrum komplexního prostorového vektoru proudu

16 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Další metody diagnostiky statorových vad Měření fázových proudů jednoduchá metoda, která je spolehlivá v případě větší poruchy. Měření oteplení vinutí termočlánky pevně zabudovanými ve vinutí nebo i měření teplot bezdotykovými metodami pasivní termografie – termovize. Analýza částečných výbojů. Částečné výboje mají nepříznivý vliv na izolační systémy motorů. Vzniká řada namáhání jejich elektrickými, tepelnými, mechanickými účinky. Výbojová činnost se projevuje při napětích vyšších než 1,5 kV. Využití expertních systémů. Využití umělých neuronových sítí, většinou vyžadují znalost diagnostických postupů a příznaku vady. Diagnostika a analýza vycházející z modelů pomocí metody konečných prvků Diagnostika statorových vad

17 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 17 1.Signaturní analýza proudu motoru - Motor Current Signature Analysis (MCSA) 2.Spojená časově frekvenční analýza (JTFA) přechodových stavů motoru 3.Externí vyhledávací cívka 4.Analýza vibrací 5.Další metody Vídeňská monitorovací metoda Vienna Monitoring Method (VMM) Analýza kroutícího momentu Analýza výkonového spektra Neuronové sítě 4b. Vybrané metody diagnostiky rotorových vad Diagnostika rotorových vad Diagnostika rotorových vad je mnohem častěji publikována a jsou více využívány různé metody analýzy signálů.

18 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 1.Signaturní analýza statorového proudu Motor Current Signature Analysis (MCSA) Nejčastěji používaná metoda pro diagnostiku vad rotorových tyčí, případně dynamické excentricity. Nevýhody: Postranní složky mění velikost spektrální magnitudy se zátěží motoru Levá složka má jinou velikost spektrální magnitudy než pravá Frekvence vad se odečítají nepřímo. Přerušené rotorové tyče: f sb = (1± 2 ks )f l = f l ± 2ksf l f sb = frekvence levé a pravé postranní složky f l = napájecí frekvence (50 Hz) s = skluz, k= 1,2,3 harmonická 2 sfl 2f l s = skluz v %, prakticky 0-7 Hz (skluzová pólová frekvence) levá složka pravá složka Diagnostika rotorových vad 18

19 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 19 1b. Signaturní analýza proudu u vyšších harmonických, přerušené rotorové tyče Frekvenční spektrum kolem 5-té a 7-mé harmonické statorového proudu. f sb = k 1 f l ± k 2 2 s f l k 1 = 1,3,5, k 2 = 1,2,3 Diagnostika rotorových vad Magnituda spektra do 1kHz, napájecí frekvence 25 Hz, 6 přerušených rotorových tyčí Nevýhody metody: opakovatelnost výsledků není dobrá přibližná metoda nepřesný indikátor poruchy Časové harmonické (neharmonický průběh napětí) Prostorové harmonické (diskrétní rozložení vodičů v drážkách) Drážkové frekvence (tyče rotoru) Vlivem interakce časových a prostorových harmonických se ve spektru statorového proudu objeví hlavně levé postranní složky, pravé jsou potlačeny Zdravý motor bez přerušených tyčíMotor se 3 přerušenými tyčemi

20 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Diagnostika rotorových vad 20 1c.Signaturní analýza statorového proudu - dynamická a kombinovaná exentricita 3 oblasti zájmu 1.Okolo napájecí frekvence f l, f sb = f l ± f r (6-ti pólový motor, f r ~16 Hz) 2.Okolo hlavní drážkové frekvence,f psl = (k f r n rb + f l ) ± f r (k=1, n rb počet rotorových tyčí) 3.Okolo 2 násobku hlavní drážkové frekvence f psl, (principal slot frequency), k=2 Magnituda spektra proudu do 1.6 kHz Magnituda spektra proudu do 200 Hz (zoom okolo1.) Detail spektra proudu kolem hlavní drážkové frekvence f psl (zoom okolo 2) Kombinovaná excentricita, zvýšení hodnoty na drážkové frekvenci f psl a modulace rotační frekvencí f r

21 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Spojená časově frekvenční analýza statorového proudu (Joint Time Frequency Analysis - JTFA) Technika, která umožní detekovat časově - frekvenční vývoj harmonických přítomných v statorovém proudu při přechodných dějích - rozběhu motoru. Technika se také nazývá Transient Motor Current Signature Analysis (TMCSA) Metody jsou realizovány zejména těmito postupy: Krátkodobá Fourierova transformace - Short Time Fourier Transform - STFT), (omezení Heisenbergovým principem neurčitosti) Wiegner –Villeho distribuce (WD) Spojitá vlnková transformace - Continuous Wavelet Transform (CWT) Diskrétní vlnková transformace - Discrete Wavelet Transform (DWT) Diagnostika rotorových vad Nevýhody metody: nepřesné určení velikosti (kvantifikace) indikátoru poruchy

22 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 22 h (n), g (n), zrcadlové filtry h (n) impulzní odezva dolnopropustného filtru vytváří aproximační složku h n g (n) impulzní odezva hornopropustného filtru vytváří detailní složku d n ↓2 decimace Frekvenční pohled na DWT, Mallatův algoritmus (exponenciální banka filtrů) 2a. Analýza statorového proudu při rozběhu pomocí DWT Rozběhový proud a 5. aproximační úroveň, dobrý motorRozběhový proud a 5. aproximační úroveň, přerušené tyče Diagnostika rotorových vad Nevýhody Přibližná metoda

23 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 23 Provádí součin signálu s wavelet funkcí s postupným posunutím a změnou měřítka wavelet. f sb = f l ± 2sf l, frekvence levé postranní složky f lsb = f l |1- 2s | f l = 50 Hz, s= 2b. Analýza levé postranní spektrální složky při rozběhu pomocí CWT Časově frekvenční průběh frekvence levé postranní složky Skluzově frekvenční průběh frekvence levé postranní složky (simulace) (simulace) Časově frekvenční analýza levé postranní složky pomocí CWT Diagnostika rotorových vad levá složka

24 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Externí vyhledávácí cívka Tři různé umístění externí cívky Nejlepší výsledky dává cívka na prostředním obrázku Napětí externí cívky, dobrý motor Napětí externí cívky, 3 přerušené rotorové tyče Diagnostika rotorových vad 22 kW, 380 V, I l = 42 A Nevýhody metody: přibližná metoda nepřesný indikátor poruchy pouze pro velké motory nad 10 kW

25 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 4. Měření a analýza vibrací Vibrace rotačních strojů byly teoreticky zkoumány a prakticky ověřeny mnohem dříve než elektrické veličiny elektrických strojů. V současné době jsou známy přesné metody diagnostiky ložisek. Při znalosti frekvence otáčení hřídele jsou známy frekvence projevu poruch jednotlivých prvků ložiska -frekvence otáčení vnitřního kroužku, vnějšího kroužku, klece. V ČR existuje sdružení vibračních diagnostiků. Využívají se speciální metody jako souběhová filtrace (order tracking) nebo synchronní filtrace, které zpřesňují diagnostiku. Ohnutá hřídel, dynamická excentricita je možno diagnostikovat z vibrací, kdy je základem zvýšení vibrací na frekvenci otáčení motoru. Některé mechanické poruchy jako dynamická excentricita, ohnutá hřídel, nesouosost ovlivňují magnetické pole vzduchové mezery a je možno je snadněji zjistit diagnostikou elektrických veličin – statorového proudu a analýza vibrací může tuto diagnostiku potvrdit. Vibrace jsou více využívány pro monitorování větších elektrických strojů (generátorů aj.) kdy zvýšení vibrací předznamenává blížící se poruchu. Diagnostika rotorových vad 25

26 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 26 2f l Analýzy vibrací, rozlišeni mechanických a elektromagnetických poruch Autospektrum vibrací řádový analyzátor, mechanické a elektromagnetické vlivy, malé vibrace statorových plechů na 2f l Autospektrum vibrací, řádový analyzátor, pouze mechanické vlivy, měřený motor poháněn druhým motorem Akcelerance, neboli mobilita – charakteristika mechanické struktury motoru, resonance (odezva na jednotkový impuls síly) Diagnostika rotorových vad p = 6

27 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 5. Pokročilé metody diagnostiky indukčních motorů (Metody vyvinuté v laboratoři LTDA) 1.Diagnostika statorových vad indukčních motorů na základě velikosti střídavé složky magnitudy prostorového vektoru na dvojnásobné napájecí frekvenci motoru 2.Diagnostika rotorových vad indukčních motorů na základě komplexní demodulační analýzy představují simultánní amplitudovou a fázovou demodulaci statorového proudu 27Příspěvky autora

28 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Příspěvky autora - statorové vady Diagnostika statorových vad využitím prostorové transformace Základní princip metody statorové proudy dobrého indukčního motoru bez statorové vady jsou stejné a jejich vektorový součet je roven nule. To představuje vyvážený- balancovaný stav a střídavá hodnota magnitudy prostorové transformace je nulová. statorová vada způsobí rozvážení balancovaného stavu Rozvážení balancovaného stavu je z důvodů: -Amplitudové rozvážení -Fázové rozvážení Vyšší harmonické, zejména 3. harmonická se na rozvážení neprojeví Prostorová (space, Park‘s ) transformace změní velikost svých složek i d, i q Magnituda – absolutní hodnota -prostorové transformace na frekvenci dvojnásobku napájecí frekvence 2f l - magP 2fl - přestane být nulová a je indikátorem poruchy Pozn: Magnituda je absolutní hodnota komplexního čísla používaná jak v časové oblasti, tak i ve frekvenční oblasti, kde je to absolutní hodnota komplexního spektra. - důležité

29 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Příspěvky autora - statorové vady29 Určení individuálních vlivů statorových vad na nevyváženost statorových proudů Určení vztahu indikátoru vady ( diagnostického symptomu) se závažností poruchy (oteplení) Určení vztahu indikátoru vady s pracovními podmínkami motoru, zejména se zátěží motoru Určení vlivu napájecího systému na indikátor poruchy a případná korekce této chyby Hlavní cíle při výzkumu metody

30 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 30 Prostorová transformace transformuje tři fázové proudy i a, i b, i c i a (t) = I m sin(  l t) do prostorového vektoru P = I= K s (i a +a i b +a 2 i c ), kde a= e j2π/3 = P= i d + j i q. Použijeme koeficient K s =1, transformovaný vektor má velikost danou fyzikální skutečností Magnituda prostorového vektoru magP(t) je absolutní hodnotou P(t) magP(t)= abs (P(t)) = Pro vyvážený stav: magP(t) =1.5 I m a obsahuje pouze stejnosměrnou část a žádnou časově proměnnou složku. Prostorová transformace i a i b i c i d i q Mag P Příspěvky autora - statorové vady

31 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Amplitudové rozvážení : Chybový proud při statorové vadě: i F = I F sin (  l t), zvýší fázový proud i a (t). Lze matematicky odvodit, že odpovídající magnituda magP(t) =1.5 I m +1/2 I Fm – 1/2 I F cos (2  l t), Porucha se projeví v magnitudě prostorového vektoru na 2f l dvojnásobku napájecí frekvence magP 2fl - je základní indikátor poruchy Rozvážení proudového systému indukčního motoru vlivem poruchy Relativní vyjádření nevyváženosti statorových proudů a zároveň faktor nebezpečnosti poruchy k s (fault severity assessment) k S = magP 2fl / I nom I nom - nominalní (katalogový) proud I m = 1A I F = 0.1A magP 2fl = 0.05A = ½ I F Amplitudové rozvážení. Simulace. Příspěvky autora - statorové vady Indikátor poruchy statoru

32 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů Fázové rozvážení Fázové rozvážení se projeví v magnitudě prostorového vektoru magP(t) na frekvenci 2f l. Phase shift [deg] magP 2fl / I m [%] I m = 1A Δφ = 8º magP 2fl = 0.069A Fázové rozvážení.rozvážení. Simulace. Příspěvky autora - statorové vady Indikátor poruchy statoru

33 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 33 Experimenty - Měřicí projekt Na základě multianalyzátoru PULSE Přídavné programování v PL jazyce Bridge do Matlabu Indikátor poruchy MagP 2fl Příspěvky autora - statorové vady

34 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 34 Výsledky experimentů Pf= Rl Is2Pf= Rl Is2 1. Zkraty ve statorovém vinutí 2. Zvýšení odporu statorového vinutí Závislost MagP 2fl na výkonu- nebezpečnosti poruchy pro motor napájený za sítě a měniče Závislost MagP 2fl na změně odporu vinutí Příspěvky autora - statorové vady

35 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 35 Prostorová transformace a odvozený diagnostický symptom MagP 2fl ( indikátor poruchy) diagnostikuje s dobrou přesností statorové vady indukčních motorů. Na tomto principu byla vyvinuta nová diagnostická metoda. MagP 2fl je přímo úměrná celkové nevyváženosti statorových proudů, výkonu poruchy převedené na teplo tj. nebezpečnosti poruchy. MagP 2fl se mění velmi málo s zátěží motoru a při opakovaných měřeních se nemusí dodržet stejné pracovní podmínky. Závěry a výhody metody Příspěvky autora - statorové vady Výhodou metody oproti jiným metodám je její nezávislost na pracovních podmínkách motoru a jasná definice indikátoru vady vyjádřená proudem indikátoru vady a možností vyjádření nebezpečnosti poruchy

36 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 36 5b. Diagnostika rotorových vad na základě demodulační analýzy (Motor Current Demodulation Analysis - MCDA ) Základní princip metody Dynamické rotorové vady indukčních motorů jako přerušené rotorové tyče a dynamická nebo kombinovaná excentricita způsobí zkreslení v rozložení proudů rotoru, tedy dynamické změny v elektromagnetickém poli rotoru a v mezeře mezi rotorem a statorem. Dynamické změny elektromagnetického pole rotoru způsobí modulaci statorového proudu motoru Modulace je komplexní - Spojená amplitudově fázová modulace Joint Amplitude Phase Modulation (JAPM) Simultánní amplitudová a fázová demodulace extrahuje tyto modulační proudy způsobené rotorovými vadami Zkoumání těchto demodulovaných – tedy modulačních chybových proudů v časové a frekvenční oblasti určí přesně příčiny a velikost vady. Příspěvky autora - rotorové vady Provést komplexní simultánní analýzu statorového proudu při rotorových vadách Určit vliv amplitudové a fázové modulace na velikost magnitudy postranních složek spektra proudu Určení vztahu indikátoru vady s pracovními podmínkami motoru, zejména se zátěží motoru Určení vztahu indikátoru vady ( diagnostického symptomu) se závažností poruchy (fault severity) Hlavní cíle metody

37 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 37 Komplexní analýza statorového proudu Při rotorových vadách nastanou dvě modulace: 1.Amplitudová modulace AM je prvotní primární modulací způsobenou změnou magnetomotorické síly (MMF) 2.Fázová modulace PM je sekundární modulací způsobenou oscilací kroutícího momentu Výsledkem je JAPM - spojená amplitudově fázová modulace Statorový proud motoru bez vady i a =I l cos(ω l t) se změní na i a = (I l +I spa cosω sp t + I ra cos ω r t) cos(  l t - I spp cos(  sp t + φ)- I rp cos(  r t)) kde amplitudově modulační proud i AM = I spa cosω sp t + I ra cos ω r t) fázově modulační proud i PM = - I spp cos(  sp t + φ)- I rp cos(  r t)) I spa / I l, I r / I l vyjadřují hloubku AM pro rotorové tyče a dynamickou excentricitu I spp, I rp představují modulační indexy PM pro rotorové tyče a dynamickou excentricitu Příspěvky autora - rotorové vady Modulace vlivem vadných rotorových tyčí frekvencí – f sp skluzová pólová frekvence f sp = pf slip = psf sync = ps2f l /p = 2sf l = 2f l – f r p ( 0 – 7Hz) Modulace vlivem dynamické exentricity, f r rotační frekvence motoru _________________________________________________________________ Příčiny modulace:

38 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 38 JAPM- Spojená amplitudová a fázová modulace a její vliv na spektrum statorového proudu – Signaturu spektra proudu, vadné rotorové tyče A. AM -Aplitudová modulace proudem I spa f L,H = f l (1±2s) a AL = a AH = a A =I spa /2 Component frequency f l -2f sp f l -f sp flfl f l +f sp f l +2 f sp Initial phase π-2φ π/2 -φ 0 π/2 +φ π+2 φ Component amplitude J 2 (I spp )J 1 (I spp )J 0 (I spp )J 1 (I spp )J 2 (I spp ) Frekvence a fáze dvou prvních postranních složek PM B. PM- Fázová modulace proudem I spp f L,H = f l (1±2s) a PL = a PH = a P ≈I spp /2 Modulační index I spp < 0.5, Besselovy funkce nemusí být počítány Příspěvky autora - rotorové vady Vektorová reprezentace AM Vektorová reprezentace PM

39 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 39 C. JAPM - spojená amplitudová a fázová modulace proudy I spa a I spp Představuje skutečné poměry v magnetickém poli vzduchové mezery IM I spa /2 I spp /2 a APL flfl f l -f sp I spa /2 a APH f l +f sp I spp /2 I spa /2 f l -f sp a APL I spp /2 flfl -φ f l +f sp I spa /2 +φ a APH I spp /2 1.Při malém momentu setrvačnosti a normálních pracovních podmínkách AM a PM jsou kolmé. Zvýšená zátěž způsobí zvýšení PM 2. Zvýšení momentu setrvačnosti způsobí zpožďování PM za AM,. Levá postranní složka spektra proudu se zvyšuje a pravá snižuje. Počáteční fáze je π/2 –φ π/2 + φ Příspěvky autora - rotorové vady Levá i pravá postranní složka spektra proudu jsou stejné Tato teorie poprvé vysvětlila, proč se levá a pravá postranní složka spektra proudu při rotorových vadách liší

40 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 40 Demodulační metody při rotorových vadách A.Demodulace užitím Hilbertovy transformace Je uměle vytvořen komplexní signál z(t)= x(t)+j y(t) nazývaný analytický signál. Reálná část je původní signál Imaginární část y(t) je Hilbertovou transformací reálného signálu tvoří Amplitudovou demodulaci  (t) = arctan (y(t)/ x(t) v tvoří Fázovou demodulaci Příspěvky autora - rotorové vady

41 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 41 B. Demodulace užitím prostorové transformace Z hlediska pokročilého zpracování signálů tvoří prostorový vektor P(t) komplexní analytický signál P(t)=i d (t)+j i q (t) ze tří fázových proudů podobně jako Hilbertova transformace tvoří komplexní analytický signál H(t) pouze z jednoho proudu Vytvoření složek komplexního vektoru i d, i q z I = K s (i a +a i b +a 2 i c ), a= e j2π/3 musí být K s = 2/3, pak není třeba přepočet mezi fázovými proudy a transformovanými proudy tvoří Amplitudovou demodulaci  (t) = arctan(i q (t)/ i d (t)) v tvoří Fázovou demodulaci Příspěvky autora - rotorové vady Demodulační metody při rotorových vadách

42 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 42 Simulace rotorových vad Indikátor vady rotorových tyčí Indikátor exentricity Spektrum fázové modulace Spektrum amplitudové modulace I spa I spp I rp I ra Fázová demodulace Amplitudová demodulace Spektrum proudu motoru a APL >> a APH  Demodulační analýza statorového proudu. 2-pólový motor, 1kW. 2 přerušené rotorové tyče, malá excetricita, velký moment setrvačnosti. Simulované výsledky Příspěvky autora - rotorové vady

43 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 43 Experimenty - měřicí projekt Příspěvky autora - rotorové vady

44 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 44 Indikátory vad: I spa rotorové tyče I ra dynamická exentricita k sp = I spa / I nom k r = I ra / I nom I spa I ra I spp Výsledky experimentů Komplexní demodulační analýza (simultání amplitudová a fázová demodulace) Komplexní demodulační analýza stator. proudu, 2-pólový 1.1.kW motor, 75% plné zátěže Koeficienty nebezpečnosti (normalizované nomin. proudem)  =0,  =   ≠0 I nom = nominální proud Sensorless speed measurement Chybové proudy Příspěvky autora - rotorové vady

45 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 45 f sp = pf slip = psf sync = ps2f l /p = 2sf l = 2f l – f r p Např. textilní stav strojový cyklus každou 3- tí otáčku motoru Zanedbání rušivých frekvencí způsobené časově proměnnou zátěží f sp = 2f l – f r p, hledání špičky Zanedbání této špičky Příspěvky autora - rotorové vady

46 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 46 Charakteristika AM a PM při změnách zátěže motoru I spa /2 I spp /2 a APL flfl f l -f sp I spa /2 a AP H f l +f s p I spp /2 50% 25% 85% 75% AM PM Se změnou zátěže se hodnoty AM téměř nemění a jsou základem diagnostiky rotorových vad. PM se zvyšuje se zvýšenou zátěží. Příspěvky autora - rotorové vady

47 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 47 Indukční motor napájený z měniče  Motor napájený z měniče, nízké ss napětí meziobvodu, 75%, PM se zpožďuje φ za AM Při špatně nastaveném invertoru s nízkým meziobvodovým napětím 420 V není indukční motor správně vybuzen a PM se zpožďuje za AM a levá strana autospektra proudu a APL >> a APH a APL >> a APH Příspěvky autora - rotorové vady

48 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 48 Oscilace úhlu a úhlové rychlosti magnetického pole při rotorových vadách Oscilace úhlu a úhlové rychlosti, 2 přerušené rotorové tyče, malá exentricita, 25 % plné zátěže Oscilace úhlu a úhlové rychlosti, 2 přerušené rotorové tyče, malá exentricita, 50 % plné zátěže Oscilace úhlu a úhlové rychlosti, 2 přerušené rotorové tyče, malá exentricita, 75% plné zátěže Oscilace úhlu a úhlové rychlosti, 2 přerušené rotorové tyče, malá exentricita, 85 % plné zátěže Příspěvky autora - rotorové vady

49 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 49 Analýza a výhody nové metody MCDA proti metodě MCSA MCDA Přesná analýza elektromagnetického pole rotoru na základě komplexní demodulační analýzy Přímé určení frekvencí vady Nezávislost na velikosti zátěže motoru Určení velikosti indikátoru vady a koeficientu nebezpečnosti, lineární stupnice Možnost trvalého monitoringu Možnost „elektrického“ měření dynamické excentricity MCSA Nepřímé určení frekvencí Postranní složky jsou ovlivněny AM, PM a úhlem  To způsobuje nestejnou velikost postranních složek, neumožňuje přesné odečtení, logaritmická stupnice Závislost velikosti složek na velikosti zátěže motoru a velikosti momentu setrvačnosti Příspěvky autora - rotorové vady a APL a APH

50 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Metody diagnostiky indukčních motorů 50 Statorový proud indukčního motoru byl komplexně analyzován se zaměřením na modulaci způsobenou rotorovými vadami. Analýza a experimenty potvrdily že AM a PM vždy existují pospolu jako JAPM Na tomto základě byla vyvinuta nová diagnostická metoda pro diagnostiku rotorových vad MCDA a analýzu oscilací magnetického pole vzduchové mezery. Indikátory vad metody MCDA jsou stabilní, opakovatelné a nemění se se změnami parametrů motoru. Může být prováděna kontinuálně v reálném čase. Byly navrženy bezrozměrné normalizované koeficienty závažnosti poruchy k r, k sp pro stanovení závažnosti poruch způsobených dynamickou excentricitou a přerušenými rotorovými tyčemi. MCDA je vhodná a snadno realizovatelná v průmyslové aplikaci. Závěry Příspěvky autora - rotorové vady


Stáhnout ppt "TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247."

Podobné prezentace


Reklamy Google