Metody diagnostiky indukčních motorů

Metody diagnostiky indukčních motorů
Ivan Jaksch

Obsah Diagnostika jako prostředek pro zjištění stavu objektu Důležitost diagnostiky elektrických strojů Indukční motor a jeho poruchy Vybrané diagnostické metody indukčních motorů (State of the art) Pokročilé metody diagnostiky indukčních motorů Využití prostorové transformace pro diagnostiku statorových vad Diagnostika rotorových vad na základě demodulační analýzy

1. Diagnostika jako prostředek pro zjištění stavu objektu 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 Úvod

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

Vývoj diagnostických metod elektrických strojů - základní pojmy 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 5

3. Indukční (asynchronní) motor - IM 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. 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 Rotorový a statorový plech IM (drážky) Indukční motor s klecovou kotvou

Vzduchová mezera rotor jádro vinutí stator Rotorové plechy Rotorový věnec hřídel Rotorové tyče Indukční motor s klecovou kotvou

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

Poruchy rotoru 1 Přerušené rotorové tyče stator stator 2a Statická excentricita rotor rotor 1. Oválný stator 2. Rotor i stator kruhové, rotor mimo osu 2b Dynamická excentricita a – chyba excentricity 2. Uvolněný kruhový rotor pohybuje se po této kružnici Oválný rotor ohnutý rotor 2a,b - Kombinovaná excentricita Poruchy rotoru

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 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 Přenos elektrických poruch do vibrací je zašumělý a tedy málo užívaný Poruchy el.magnetického pole vzduchové mezery Indukční motor H (j) Mechanické poruchy (magnetik) (mechanik) Přenos „mechanik“ do „ magnetik“ - Mechanická porucha se zjišťuje analýzou statorového proudu – změna pole ve vzduchové mezeře a modulace proudu. Analýza vibrací a změny kroutícího momentu zařízení, které pohání motor – např. převodovky je možno diagnostikovat spektrální analýzou proudu motoru. Přenos „mechanik“ do „magnetik“ není zatížen šumem a je výhodnější pro diagnostiku Poruchy indukčních strojů 10

4. Vybrané diagnostické metody indukčních motorů (State of the art) 4a. Vybrané metody diagnostiky statorových poruch Vnitřní vyhledávací cívka (search coil) nebo vnější senzor magnetického toku Analýza orbitů prostorového vektoru 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

1. Senzor magnetického toku 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 fr.násobenou počtem tyčí rotoru Nr (Nr (1−s) ±kr )fl = Nr fr ±fl Nr počet rotorových tyčí fr frekvence otáčení fl napájecí frekvence Diagnostika statorových vad

2. Analýza orbitů komplexního vektoru 3 fáz. systém ia, ib, ic, ia(t) = Im sin(lt) je vyjádřen prostorovým vektorem I I= Ks ( ia +a ib +a2 ic), a , Ks=1 i d i q I = id + jiq iq Bez statorové vady (kružnice) Malá vada (elipsa) Větší vada id Statorová i rotorová vada, frekvenční pásmo do 200 Hz Nevýhody metody: obtížná kvantifikace indikátoru vady přibližná metoda Orbity, frekvence do 100 Hz 13 Diagnostika statorových vad

3. Analýza dopředné a zpětné složky prostorového vektoru I= Ks (ia +a ib +a2 ic), a= e j2π/3 , Ks = 2/3 , (není nutný přepočet mezi fázovým a transformovaným proudem) Ip dopředná složka komplexního vektoru I In zpětná složka komplexního vektoru I (při motoru bez statorové vady má být blízká nule Při statorové vadě se zpětná složka zvýší Magnituda komplexního spektra komplexního prostorového vektoru I na frekvenci měniče f= 10 Hz Diagnostika statorových vad 14

4. Analýza zpětné impedance Spektrum komplexního prostorového vektoru napětí Spektrum komplexního prostorového vektoru proudu Magnituda spektra prostorového vektoru napětí (nahoře) a proudu Dobrý motor 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 Magnituda spektra prostorového vektoru napětí (nahoře) a proudu Motor se zkratovanými závity statoru Diagnostika statorových vad 15

5. 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 16

4b. Vybrané metody diagnostiky rotorových vad Signaturní analýza proudu motoru - Motor Current Signature Analysis (MCSA) Spojená časově frekvenční analýza (JTFA) přechodových stavů motoru Externí vyhledávací cívka Analýza vibrací Další metody Vídeňská monitorovací metoda Vienna Monitoring Method (VMM) Analýza kroutícího momentu Analýza výkonového spektra Neuronové sítě Diagnostika rotorových vad je mnohem častěji publikována a jsou více využívány různé metody analýzy signálů. Diagnostika rotorových vad 17

Signaturní analýza statorového proudu Motor Current Signature Analysis (MCSA) Přerušené rotorové tyče: fsb = (1± 2 ks )fl = fl ± 2ksfl fsb = frekvence levé a pravé postranní složky fl = napájecí frekvence (50 Hz) s = skluz, <0-1> k= 1,2,3 harmonická 2sfl 2fl s = skluz v %, prakticky 0-7 Hz (skluzová pólová frekvence) levá složka pravá složka 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. Diagnostika rotorových vad 18

1b. Signaturní analýza proudu u vyšších harmonických, přerušené rotorové tyče fsb = k1fl ± k2 2 s fl k1 = 1,3,5, k2 = 1,2,3 Zdravý motor bez přerušených tyčí Motor se 3 přerušenými tyčemi Časové harmonické (neharmonický průběh napětí) Prostorové harmonické (diskrétní rozložení vodičů v drážkách) Drážkové frekvence (tyče rotoru) Frekvenční spektrum kolem 5-té a 7-mé harmonické statorového proudu. Frekvenční spektrum kolem 5-té a 7-mé harmonické statorového proudu. Vlivem interakce časových a prostorových harmonických se ve spektru statorového proudu objeví hlavně levé postranní složky, pravé jsou potlačeny Nevýhody metody: opakovatelnost výsledků není dobrá přibližná metoda nepřesný indikátor poruchy Magnituda spektra do 1kHz, napájecí frekvence 25 Hz, 6 přerušených rotorových tyčí 19 Diagnostika rotorových vad

1c. Signaturní analýza statorového proudu - dynamická a kombinovaná exentricita 3 oblasti zájmu Okolo napájecí frekvence fl , fsb= fl ± fr (6-ti pólový motor, fr~16 Hz) Okolo hlavní drážkové frekvence,fpsl = (k fr nrb + fl) ± fr (k=1, nrb počet rotorových tyčí) Okolo 2 násobku hlavní drážkové frekvence fpsl , (principal slot frequency) , k=2 Magnituda spektra proudu do 1.6 kHz Magnituda spektra proudu do 200 Hz (zoom okolo1.) Kombinovaná excentricita, zvýšení hodnoty na drážkové frekvenci fpsl a modulace rotační frekvencí fr Detail spektra proudu kolem hlavní drážkové frekvence fpsl (zoom okolo 2) Diagnostika rotorových vad 20

2. 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) Nevýhody metody: nepřesné určení velikosti (kvantifikace) indikátoru poruchy Diagnostika rotorových vad 21

2a. Analýza statorového proudu při rozběhu pomocí DWT h (n), g (n) , zrcadlové filtry h (n) impulzní odezva dolnopropustného filtru vytváří aproximační složku hn g (n) impulzní odezva hornopropustného filtru vytváří detailní složku dn ↓2 decimace Frekvenční pohled na DWT, Mallatův algoritmus (exponenciální banka filtrů) Rozběhový proud a 5. aproximační úroveň, dobrý motor Rozběhový proud a 5. aproximační úroveň, přerušené tyče Nevýhody Přibližná metoda Diagnostika rotorových vad 22

2b. Analýza levé postranní spektrální složky při rozběhu pomocí CWT Provádí součin signálu s wavelet funkcí s postupným posunutím a změnou měřítka wavelet. fsb = fl ± 2sfl , frekvence levé postranní složky flsb = fl |1- 2s | fl = 50 Hz, s= < 1,0> levá složka 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 23

3. Externí vyhledávácí cívka 22 kW, 380 V, Il = 42 A Tři různé umístění externí cívky Nejlepší výsledky dává cívka na prostředním obrázku Napětí externí cívky, dobrý motor Napětí externí cívky, 3 přerušené rotorové tyče Nevýhody metody: přibližná metoda nepřesný indikátor poruchy pouze pro velké motory nad 10 kW Diagnostika rotorových vad 24

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

Analýzy vibrací, rozlišeni mechanických a elektromagnetických poruch Akcelerance, neboli mobilita – charakteristika mechanické struktury motoru, resonance (odezva na jednotkový impuls síly) p = 6 2fl Autospektrum vibrací řádový analyzátor, mechanické a elektromagnetické vlivy, malé vibrace statorových plechů na 2fl Autospektrum vibrací, řádový analyzátor, pouze mechanické vlivy, měřený motor poháněn druhým motorem Diagnostika rotorových vad 26

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

5.1 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 id, iq Magnituda – absolutní hodnota -prostorové transformace na frekvenci dvojnásobku napájecí frekvence 2fl - magP2fl - 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 Příspěvky autora - statorové vady 28

Hlavní cíle při výzkumu metody 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 Příspěvky autora - statorové vady 29

Prostorová transformace Prostorová transformace transformuje tři fázové proudy ia , ib, ic ia(t) = Im sin(lt) do prostorového vektoru P = I= Ks (ia +a ib +a2 ic ), kde a= e j2π/3 = P= id+ j iq. 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 Im a obsahuje pouze stejnosměrnou část a žádnou časově proměnnou složku. i a i b i c i d i q Mag P 30 Příspěvky autora - statorové vady

Rozvážení proudového systému indukčního motoru vlivem poruchy 1. Amplitudové rozvážení: Chybový proud při statorové vadě: iF = IF sin (l t) , zvýší fázový proud ia(t). Lze matematicky odvodit, že odpovídající magnituda magP(t) =1.5 Im +1/2 IFm – 1/2 IFcos (2l t), Porucha se projeví v magnitudě prostorového vektoru na 2fl dvojnásobku napájecí frekvence magP2fl - je základní indikátor poruchy Relativní vyjádření nevyváženosti statorových proudů a zároveň faktor nebezpečnosti poruchy ks (fault severity assessment) kS = magP2fl / Inom Inom - nominalní (katalogový) proud Im = 1A IF = 0.1A magP2fl = 0.05A = ½ IF Indikátor poruchy statoru Amplitudové rozvážení. Simulace. Příspěvky autora - statorové vady 31

2. Fázové rozvážení Fázové rozvážení se projeví v magnitudě prostorového vektoru magP(t) na frekvenci 2fl. Phase shift [deg] 2 4 6 8 10 12 15 30 magP2fl / Im[%] 1.74 3.49 5.23 6.97 8.71 10.45 12.19 25.79 Im = 1A Δφ = 8º magP2fl = 0.069A Indikátor poruchy statoru Fázové rozvážení.rozvážení. Simulace. 32 Příspěvky autora - statorové vady

Experimenty - Měřicí projekt Na základě multianalyzátoru PULSE Přídavné programování v PL jazyce Bridge do Matlabu Indikátor poruchy MagP2fl Příspěvky autora - statorové vady 33

Výsledky experimentů 1. Zkraty ve statorovém vinutí Zvýšení odporu statorového vinutí Pf= Rl Is2 Závislost MagP2fl na výkonu- nebezpečnosti poruchy pro motor napájený za sítě a měniče Závislost MagP2fl na změně odporu vinutí Příspěvky autora - statorové vady 34

Závěry a výhody metody Prostorová transformace a odvozený diagnostický symptom MagP2fl ( indikátor poruchy) diagnostikuje s dobrou přesností statorové vady indukčních motorů. Na tomto principu byla vyvinuta nová diagnostická metoda. MagP2fl je přímo úměrná celkové nevyváženosti statorových proudů, výkonu poruchy převedené na teplo tj. nebezpečnosti poruchy. MagP2fl se mění velmi málo s zátěží motoru a při opakovaných měřeních se nemusí dodržet stejné pracovní podmínky. 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 Příspěvky autora - statorové vady 35

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. Hlavní cíle metody 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) Příspěvky autora - rotorové vady 36

Komplexní analýza statorového proudu Příčiny modulace: Modulace vlivem vadných rotorových tyčí frekvencí – fsp skluzová pólová frekvence fsp= pfslip = psfsync = ps2fl /p = 2sfl = 2fl – frp ( 0 – 7Hz) Modulace vlivem dynamické exentricity, fr rotační frekvence motoru _________________________________________________________________ Při rotorových vadách nastanou dvě modulace: Amplitudová modulace AM je prvotní primární modulací způsobenou změnou magnetomotorické síly (MMF) Fázová modulace PM je sekundární modulací způsobenou oscilací kroutícího momentu Výsledkem je JAPM - spojená amplitudově fázová modulace Statorový proud motoru bez vady ia=Il cos(ωlt) se změní na ia = (Il +Ispa cosωsp t + Ira cos ωr t) cos(l t - Ispp cos(sp t + φ)- Irp cos( r t)) kde amplitudově modulační proud i AM = Ispa cosωsp t + Ira cos ωr t) fázově modulační proud i PM = - Ispp cos(sp t + φ)- Irp cos( r t)) Ispa / Il , Ir / Il vyjadřují hloubku AM pro rotorové tyče a dynamickou excentricitu Ispp , Irp představují modulační indexy PM pro rotorové tyče a dynamickou excentricitu Příspěvky autora - rotorové vady 37

JAPM- Spojená amplitudová a fázová modulace a její vliv na spektrum statorového proudu – Signaturu spektra proudu, vadné rotorové tyče A . AM -Aplitudová modulace proudem Ispa Vektorová reprezentace AM B . PM- Fázová modulace proudem Ispp fL,H = fl (1±2s) aAL= aAH= aA =Ispa /2 Modulační indexIspp < 0.5, Besselovy funkce nemusí být počítány fL,H = fl (1±2s) aPL= aPH= aP ≈Ispp /2 Vektorová reprezentace PM Frekvence a fáze dvou prvních postranních složek PM Component frequency fl-2fsp fl -fsp fl fl +fsp fl+2fsp Initial phase π-2φ π/2 -φ π/2 +φ π+2φ Component amplitude J2(Ispp) J1(Ispp) J0(Ispp) Příspěvky autora - rotorové vady 38

C. JAPM - spojená amplitudová a fázová modulace proudy Ispa a Ispp Představuje skutečné poměry v magnetickém poli vzduchové mezery IM Při malém momentu setrvačnosti a normálních pracovních podmínkách AM a PM jsou kolmé. Zvýšená zátěž způsobí zvýšení PM Ispa/2 Ispp/2 aAPL fl fl-fsp aAPH fl+fsp Levá i pravá postranní složka spektra proudu jsou stejné 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 Ispa/2 fl-fsp aAPL Ispp/2 fl -φ fl+fsp +φ aAPH Tato teorie poprvé vysvětlila, proč se levá a pravá postranní složka spektra proudu při rotorových vadách liší Příspěvky autora - rotorové vady 39

Demodulační metody při rotorových vadách 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 40

Demodulační metody při rotorových vadách B. Demodulace užitím prostorové transformace Z hlediska pokročilého zpracování signálů tvoří prostorový vektor P(t) komplexní analytický signál P(t)=id(t)+j iq(t) ze tří fázových proudů podobně jako Hilbertova transformace tvoří komplexní analytický signál H(t) pouze z jednoho proudu Vytvoření složek komplexního vektoru id , iq z I = Ks (ia +a ib +a2 ic), a= e j2π/3 musí být Ks= 2/3, pak není třeba přepočet mezi fázovými proudy a transformovanými proudy tvoří Amplitudovou demodulaci (t) = arctan(iq(t)/ id (t)) v <-, > tvoří Fázovou demodulaci Příspěvky autora - rotorové vady 41

Simulace rotorových vad Indikátor vady rotorových tyčí Indikátor exentricity Spektrum fázové modulace Spektrum amplitudové modulace Ispa Ispp Irp Ira Fázová demodulace Amplitudová demodulace Spektrum proudu motoru aAPL >> aAPH  Demodulační analýza statorového proudu. 2-pólový motor, 1kW. 2 přerušené rotorové tyče, malá excetricita, velký moment setrvačnosti. Simulované výsledky Příspěvky autora - rotorové vady 42

Experimenty - měřicí projekt Příspěvky autora - rotorové vady 43

Výsledky experimentů Komplexní demodulační analýza (simultání amplitudová a fázová demodulace) =0, =  ≠0 Chybové proudy Sensorless speed measurement Indikátory vad: Ispa rotorové tyče Ira dynamická exentricita Ispa Ira ksp= Ispa / Inom kr= Ira / Inom Koeficienty nebezpečnosti (normalizované nomin. proudem) Ispp Inom = nominální proud Komplexní demodulační analýza stator. proudu, 2-pólový 1.1.kW motor, 75% plné zátěže Příspěvky autora - rotorové vady 44

Zanedbání rušivých frekvencí způsobené časově proměnnou zátěží fsp= pfslip = psfsync = ps2fl /p = 2sfl = 2fl – fr p Např. textilní stav strojový cyklus každou 3- tí otáčku motoru fsp= 2fl – fr p, hledání špičky Zanedbání této špičky Příspěvky autora - rotorové vady 45

Charakteristika AM a PM při změnách zátěže motoru 50% 25% 85% 75% AM PM Ispa/2 Ispp/2 aAPL fl fl-fsp aAPH fl+fsp Se změnou zátěže se hodnoty AM téměř nemění a jsou základem diagnostiky rotorových vad. PM se zvyšuje se zvýšenou zátěží. Příspěvky autora - rotorové vady 46

Indukční motor napájený z měniče aAPL >> aAPH  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 aAPL >> aAPH Příspěvky autora - rotorové vady 47

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, 75% 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, 85 % plné zátěže Příspěvky autora - rotorové vady 48

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 aAPL aAPH Příspěvky autora - rotorové vady 49

Závěry 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 kr, ksp pro stanovení závažnosti poruch způsobených dynamickou excentricitou a přerušenými rotorovými tyčemi. MCDA je vhodná a snadno realizovatelná v průmyslové aplikaci. Příspěvky autora - rotorové vady 50

Metody diagnostiky indukčních motorů

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "Metody diagnostiky indukčních motorů"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář

Přihlásit se

Přihlásit se přes sociální síť:

Metody diagnostiky indukčních motorů

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "Metody diagnostiky indukčních motorů"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář