Diagnostyka silników: Podejście oparte na wielu technologiach

Wprowadzenie

Wciąż panuje błędne przekonanie, że istnieje “magiczna kula” w postaci przyrządu do monitorowania stanu (CBM), który dostarczy wszystkich informacji potrzebnych do oceny stanu układu silnika elektrycznego. To błędne przekonanie jest często spowodowane prezentacjami handlowymi producentów lub sił sprzedaży tych instrumentów CBM. To jest właśnie Zadaniem sprzedawcy jest skupienie się na mocnych stronach danego instrumentu (instrumentów) i przedstawienie go jako “jedynego rozwiązania, jakiego kiedykolwiek będziesz potrzebować, aby rozwiązać wszystkie swoje problemy”.

W rzeczywistości nie ma jednego narzędzia, które dostarczy wszystkich potrzebnych informacji. Nie ma “Świętego Graala” CBM i niezawodności. Jednak dzięki zrozumieniu systemu silnika elektrycznego i możliwości technologii CBM można uzyskać pełny obraz systemu, jego stanu i mieć pewność co do oszacowania czasu do awarii w celu wydania dobrej rekomendacji dla kierownictwa.

Cel tego artykułu jest prosty: Zarysowanie komponentów systemu silnika elektrycznego; Omówienie trybów awarii każdego głównego komponentu; Omówienie, w jaki sposób każda z głównych technologii odnosi się do każdego komponentu; Omówienie, w jaki sposób technologie mogą być zintegrowane w celu uzyskania pełnego obrazu systemu; oraz Omówienie wpływu podejścia opartego na wielu technologiach na wyniki finansowe. Rodzaje sprzętu CBM, które mają zostać poddane przeglądowi, to standardowe, gotowe technologie, które są wykorzystywane do okresowych testów.

System silnika elektrycznego

System silnika elektrycznego obejmuje znacznie więcej niż tylko silnik elektryczny. W rzeczywistości składa się z sześciu różnych sekcji, z których każda ma różne tryby awarii. Sekcje są następujące (rysunek 1):

• System dystrybucji zasilania obiektu, który obejmuje okablowanie i transformatory.
• Systemy startowe.
• Silnik elektryczny – trójfazowy silnik indukcyjny do celów niniejszego artykułu.
• Sprzęgło mechaniczne, które może być bezpośrednie, przekładniowe, pasowe lub inne. Na potrzeby tego artykułu skupimy się na bezpośrednim sprzężeniu i paskach.
• Obciążenie odnosi się do napędzanego sprzętu, takiego jak wentylator, pompa, sprężarka lub inny napędzany sprzęt.
• Proces, taki jak pompowanie ścieków, mieszanie, napowietrzanie itp.

Większość z nich będzie przeglądać poszczególne komponenty systemu podczas rozwiązywania problemów, tworzenia trendów, uruchamiania lub wykonywania innych funkcji związanych z niezawodnością systemu. Na jakich komponentach się skupiamy zależy od kilku czynników, w tym

• Jakie jest doświadczenie i doświadczenie zaangażowanych pracowników i menedżerów. Na przykład, najczęściej można spotkać się z silnym programem wibracji, gdy personel konserwacyjny jest głównie mechaniczny, lub programem podczerwieni, gdy personel jest głównie elektryczny.
• Postrzegane obszary niepowodzeń. Może to być poważny problem w zależności od tego, jak postrzegany jest system motoryczny i zasługuje na więcej uwagi.
• Zrozumienie różnych technologii CBM.
• Szkolenie. Ale od kiedy trening nigdy nie jest problemem?

Dostrzegane obszary awarii stanowią szczególnie poważny problem podczas przeglądania historii układu napędowego. Często, gdy dokumentacja jest tworzona, jedyne podsumowanie może zawierać coś w rodzaju “awaria wentylatora, naprawiona” lub “awaria pompy, naprawiona”. W efekcie końcowym postrzegana awaria ma związek z pompą lub wentylatorem w układzie silnika. Staje się to szczególnie istotnym problemem, gdy polegamy na pamięci, aby dostarczyć odpowiedzi na najpoważniejsze problemy, które należy rozwiązać w zakładzie, w oparciu o historię. Na przykład, gdy chcemy ustalić, która część zakładu powoduje najwięcej problemów, odpowiedź może brzmieć: “Pompa ściekowa 1”. Natychmiastowe wrażenie jest takie, że pompa ma stały problem, a ponieważ pompa jest systemem mechanicznym, można wybrać mechaniczne rozwiązanie do monitorowania trendów stanu pompy. Gdyby przy każdej awarii zarejestrowano przyczynę źródłową, można by ustalić, że było to uzwojenie silnika, łożyska, kabel, elementy sterujące, proces lub kombinacja tych czynników.

Na niedawnym spotkaniu, podczas omawiania wyboru sprzętu CBM, uczestnicy zostali poproszeni o podanie trybów awarii z ich lokalizacji. Odpowiedzi brzmiały: wentylatory, sprężarki i pompy. Podczas dalszej dyskusji stwierdzono, że w wentylatorach najczęściej występują usterki łożysk i uzwojeń silnika, uszczelki pomp i łożyska silnika w pompach oraz uszczelki i uzwojenia silnika w sprężarkach. Po bliższym przyjrzeniu się, usterki uzwojenia miały związek z problemami ze sterowaniem i okablowaniem, niewłaściwymi naprawami i jakością zasilania. Problemy z łożyskami miały związek z niewłaściwymi praktykami smarowania.

W efekcie, określając najlepszy sposób wdrożenia CBM w systemie silnika elektrycznego, należy przyjąć perspektywę systemową, a nie komponentową. Rezultat jest prosty: Większa niezawodność, mniej bólu głowy i lepsze wyniki finansowe.

Przyrządy testowe do monitorowania stanu

Poniżej przedstawiono niektóre z najczęściej stosowanych technologii CBM, a więcej szczegółów na ich temat można znaleźć w sekcji “Analiza obwodu silnika”.1 Szczegóły dotyczące komponentów testowanego systemu i jego możliwości można znaleźć w tabelach 1-4 na końcu niniejszego dokumentu:

Testowanie bez energii:

1 Analiza obwodów silnika: Teoria, zastosowanie i Analiza energii, Howard W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• Test wysokiego potencjału DC – poprzez przyłożenie napięcia o wartości dwukrotnie większej niż napięcie znamionowe silnika plus 1000 V dla prądu przemiennego i dodatkowo 1,7 razy większej wartości dla wysokiego potencjału DC (zwykle z mnożnikiem w celu zmniejszenia naprężeń w układzie izolacji), oceniany jest układ izolacji między uzwojeniami silnika a uziemieniem (izolacja ściany uziemienia). Test jest powszechnie uważany za potencjalnie destrukcyjny.
• Testy porównawcze przepięć: Wykorzystując impulsy napięcia o wartościach obliczonych tak samo jak w przypadku testowania wysokiego potencjału, impedancja każdej fazy silnika jest porównywana graficznie. Celem testu jest wykrycie zwarcia w pierwszych kilku zwojach każdej fazy. Test jest zwykle wykonywany w zastosowaniach produkcyjnych i przewijania, ponieważ najlepiej jest go wykonywać bez wirnika w stojanie. Test ten jest powszechnie uważany za potencjalnie destrukcyjny i jest używany głównie jako test “idź / nie idź” bez rzeczywistej zdolności do trendowania.
• Tester izolacji: Ten test umieszcza napięcie DC pomiędzy uzwojeniami a masą. Niski prąd upływu jest mierzony i konwertowany na pomiar w megach, gigach lub tera-Ohmach.
• Testowanie indeksu polaryzacji: Za pomocą testera izolacji, wartości 10 minut do 1 minuty są przeglądane i tworzony jest stosunek. Zgodnie z normą IEEE 43-2000, wartości izolacji powyżej 5000 MegOhm nie muszą być oceniane przy użyciu PI. Test służy do wykrywania poważnego zanieczyszczenia uzwojenia lub przegrzania układów izolacyjnych.
• Testowanie Ohm, Milli-Ohm: Za pomocą miernika Ohm lub Milli Ohm mierzone i porównywane są wartości między uzwojeniami silnika elektrycznego. Pomiary te są zwykle wykonywane w celu wykrycia luźnych połączeń, uszkodzonych połączeń i bardzo późnych usterek uzwojenia.
• Analiza obwodów silnika (MCA): Przyrządy wykorzystujące wartości rezystancji, impedancji, indukcyjności, kąta fazowego, odpowiedzi prądowo-częstotliwościowej i testowania izolacji mogą być używane do rozwiązywania problemów, uruchamiania i oceny sterowania, połączeń, kabli, stojana, wirnika, szczeliny powietrznej i stanu izolacji do uziemienia. Korzystając z wyjścia niskiego napięcia, odczyty są odczytywane przez szereg mostków i oceniane. Nieniszczące i zgodne z trendami odczyty często na wiele miesięcy przed awarią elektryczną.

2 Potencjalnie destrukcyjne: Każdy przyrząd, który może potencjalnie zmienić warunki pracy sprzętu poprzez niewłaściwe zastosowanie lub wykończenie osłabionej izolacji, jest uważany za potencjalnie destrukcyjny.

Testowanie pod napięciem:

Analiza drgań: Drgania mechaniczne są mierzone za pomocą przetwornika zapewniającego ogólne wartości drgań i analizę FFT. Wartości te dostarczają wskaźników usterek mechanicznych i stopnia usterek, mogą być trendowane i dostarczają informacji na temat niektórych problemów elektrycznych i wirnika, które różnią się w zależności od obciążenia silnika. Minimalne wymagania dotyczące obciążenia silników elektrycznych w celu wykrycia usterek wirnika. Wymaga praktycznej znajomości testowanego systemu.

Analiza podczerwieni dostarcza informacji na temat różnicy temperatur między obiektami. Usterki są wykrywane i trendowane w oparciu o stopień usterki. Doskonały do wykrywania luźnych połączeń i innych usterek elektrycznych z pewną zdolnością do wykrywania usterek mechanicznych. Odczyty będą się różnić w zależności od obciążenia. Wymaga praktycznej znajomości testowanego systemu.

Instrumenty ultradźwiękowe mierzą hałas o niskiej i wysokiej częstotliwości. Wykrywa różne problemy elektryczne i mechaniczne na późnych etapach usterki. Odczyty będą się różnić w zależności od obciążenia. Wymaga praktycznej znajomości testowanego systemu.

Pomiary napięcia i prądu dostarczą ograniczonych informacji na temat stanu układu silnika. Odczyty będą się różnić w zależności od obciążenia.

Motor Current Signature Analysis (MCSA) wykorzystuje silnik elektryczny jako przetwornik do wykrywania usterek elektrycznych i mechanicznych w znacznej części układu silnika. Zwykle używany jako test typu “idź/nie idź”, MCSA ma pewne możliwości wyznaczania trendów, ale zwykle wykrywa tylko usterki uzwojenia i problemy mechaniczne w ich późnych stadiach. Wrażliwy na zmiany obciążenia i odczyty będą się różnić w zależności od obciążenia. Wymaga informacji z tabliczki znamionowej, a wiele systemów wymaga podania liczby prętów wirnika, szczelin stojana i ręcznego wprowadzenia prędkości roboczej.

Główne komponenty i tryby awarii

Niektóre z głównych kwestii związanych z różnymi komponentami układu silnika zostaną poddane przeglądowi w celu zapewnienia zrozumienia rodzajów wykrytych usterek i technologii stosowanych do ich wykrywania. W ogólnym zarysie może to nie obejmować wszystkich trybów awarii, których możesz doświadczyć.

Moc przychodząca

Zaczynając od zasilania przychodzącego do obciążenia, pierwszym obszarem, którym należy się zająć, jest przychodzący system zasilania i dystrybucji. Pierwszym problemem jest jakość zasilania, a następnie transformatory.

Kwestie jakości zasilania związane z systemami silników elektrycznych obejmują:

• Harmoniczne napięcia i prądu: Z napięciem ograniczonym do 5% THD (Total Harmonic Distortion) i prądem ograniczonym do 3% THD. Harmoniczne prądu niosą ze sobą największy potencjał uszkodzenia układu silnika elektrycznego.
• Warunki zbyt wysokiego i zbyt niskiego napięcia: Silniki elektryczne są zaprojektowane do pracy przy napięciu nie wyższym niż +/- 10% napięcia podanego na tabliczce znamionowej.
• Niezrównoważenie napięcia: Jest to różnica między fazami. Zależność między niewyważeniem napięciowym i prądowym waha się od kilku do wielu razy w stosunku do niewyważenia napięciowego w zależności od konstrukcji silnika (może wynosić nawet 20 razy).
• Współczynnik mocy: Im niższy współczynnik mocy od jedności, tym więcej prądu system musi zużyć, aby wykonać pracę. Oznaki słabego współczynnika mocy obejmują również przygasanie świateł po uruchomieniu ciężkiego sprzętu.
• Przeciążony system: W oparciu o możliwości transformatora, okablowania i silnika. Zwykle wykrywane za pomocą pomiarów prądu, a także ciepła.

Podstawowymi narzędziami używanymi do wykrywania problemów z zasilaniem są mierniki jakości zasilania, MCSA oraz mierniki napięcia i prądu. Znajomość stanu jakości zasilania może pomóc zidentyfikować wiele “fantomowych” problemów.

Transformatory są jednym z pierwszych krytycznych elementów układu silnika. Ogólnie rzecz biorąc, transformatory mają mniej problemów niż inne komponenty w systemie. Jednak każdy transformator zwykle obsługuje wiele systemów, zarówno w silniku elektrycznym, jak i innych systemach.

Typowe problemy z transformatorami obejmują (transformatory olejowe lub suche):

• Usterki izolacji do uziemienia.
• Zwarcie uzwojeń.
• Luźne połączenia i,
• Wibracje elektryczne / luzy mechaniczne

Sprzęt testowy używany do monitorowania stanu transformatorów (w ramach wyboru przyrządów w niniejszym dokumencie) obejmuje:

• MCA dla uziemienia, luźnych/przerwanych połączeń i zwarć
• MCSA dla jakości zasilania i późnych usterek
• Analiza w podczerwieni pod kątem luźnych połączeń
• Ultradźwięki do wykrywania luzów i poważnych usterek
• Testery izolacji do wykrywania zwarć izolacji z uziemieniem.

Rozdzielnice MCC, sterowniki i odłączniki

Sterowanie silnikiem lub odłączenie zapewnia niektóre z podstawowych problemów związanych z systemami silników elektrycznych. Najbardziej powszechne dla systemów niskiego i średniego napięcia są:

• Luźne połączenia
• Złe styki, w tym wżery, uszkodzone, spalone lub zużyte
• Złe cewki rozrusznika na styczniku
• Złe kondensatory korygujące współczynnik mocy, które zwykle powodują znaczną nierównowagę prądu.

Metody testowe do oceny elementów sterujących obejmują podczerwień, ultradźwięki, mierniki napięcia/ampera, omomierze i inspekcje wizualne. MCA, MCSA i podczerwień zapewniają najdokładniejsze systemy wykrywania usterek i trendów.

Kable – przed i po kontroli

Problemy z okablowaniem są rzadko brane pod uwagę i w rezultacie powodują jedne z największych bólów głowy. Typowe problemy z kablami obejmują:

• Awaria termiczna spowodowana przeciążeniem lub wiekiem
• Zanieczyszczenie, które może być jeszcze poważniejsze w przypadku kabli przechodzących pod ziemią przez kanały kablowe
• Mogą wystąpić zwarcia międzyfazowe, a także zwarcia doziemne. Mogą one być spowodowane “drzewieniem” lub uszkodzeniami fizycznymi.
• Otwiera się z powodu uszkodzenia fizycznego lub innych przyczyn.
• Uszkodzenia fizyczne często stanowią problem w połączeniu z innymi problemami z kablami.

Testy i trendy są wykonywane za pomocą MCA, podczerwieni, testów izolacji i MCSA.

Podsumowanie strony zasilania silnika

Po stronie zasilania silnika problemy można podzielić w następujący sposób:

• Niski współczynnik mocy – 39%
• Słabe połączenia – 36%
• Niewymiarowe przewody – 10%
• Niezrównoważenie napięcia – 7%
• Warunki zbyt niskiego lub zbyt wysokiego napięcia – 8%

Najpopularniejsze urządzenia obejmujące te obszary to MCA, podczerwień i MCSA.

Silniki elektryczne

Silniki elektryczne zawierają komponenty mechaniczne i elektryczne. W rzeczywistości silnik elektryczny jest konwerterem energii elektrycznej na mechaniczny moment obrotowy.

Podstawowe problemy mechaniczne:

• Łożyska – ogólne zużycie, niewłaściwe zastosowanie, obciążenie lub zanieczyszczenie.
• Zły lub zużyty wał lub obudowa łożyska
• Ogólne niewyważenie mechaniczne i rezonans

Analiza drgań jest podstawową metodą wykrywania problemów mechanicznych w silnikach elektrycznych. MCSA wykryje problemy mechaniczne na późnym etapie, podobnie jak podczerwień i ultradźwięki.

Podstawowe problemy elektryczne:

• Zwarcia uzwojenia między przewodnikami lub cewkami
• Zanieczyszczenie uzwojenia
• Usterki izolacji do uziemienia
• Usterki szczeliny powietrznej, w tym wirniki mimośrodowe
• Usterki wirnika, w tym puste odlewy i pęknięte pręty wirnika.

MCA wykryje wszystkie błędy na wczesnym etapie rozwoju. MCSA wykryje późne usterki stojana i wczesne usterki wirnika. Wibracje wykryją usterki na późnym etapie, izolacja do masy wykryje tylko usterki uziemienia, które stanowią mniej niż 1% usterek układu silnika, testy udarowe wykryją tylko płytkie zwarcia uzwojenia, a wszystkie inne testy wykryją tylko usterki na późnym etapie.

Sprzęgło (bezpośrednie i taśmowe)

Sprzężenie między silnikiem a obciążeniem stwarza możliwości wystąpienia problemów związanych ze zużyciem i zastosowaniem.

• Niewspółosiowość paska lub napędu bezpośredniego
• Zużycie paska lub wkładki
• Problemy z naprężeniem paska są częstsze niż się większości wydaje i zwykle prowadzą do awarii łożyska
• Zużycie krążka

Najdokładniejszym systemem wykrywania usterek sprzęgła jest analiza drgań. MCSA i analiza w podczerwieni zwykle wykrywają poważne lub późne usterki.

Obciążenie (wentylatory, pompy, sprężarki, przekładnie itp.)

Obciążenie może mieć wiele rodzajów usterek w zależności od typu obciążenia. Najczęstsze z nich to zużyte części, uszkodzone komponenty i łożyska.

Instrumenty testowe zdolne do wykrywania problemów z obciążeniem obejmują MCSA, wibracje, analizę podczerwieni i ultradźwięki.

Wspólne podejścia do wielu technologii

Istnieje kilka powszechnych podejść w branży, a także kilka nowych (patrz Tabela 3). Najlepsze z nich wykorzystują kombinację testów pod napięciem i bez napięcia. Ważne jest, aby pamiętać, że testy pod napięciem są zwykle najlepsze w warunkach stałego obciążenia i trendów w tych samych warunkach pracy za każdym razem.

Jednym z najbardziej powszechnych podejść jest wykorzystanie rezystancji izolacji i/lub wskaźnika polaryzacji. Będą one identyfikować tylko usterki izolacji do uziemienia zarówno w silniku, jak i kablu, co stanowi mniej niż 1% wszystkich usterek systemu silnika (~5% usterek silnika).

Podczerwień i wibracje są zwykle używane w połączeniu ze sobą z dużym powodzeniem. Pomijają one jednak kilka typowych problemów lub wykrywają je dopiero w późnych stadiach awarii.

Testy udarowe i wysokopotencjałowe wykryją tylko niektóre usterki uzwojenia i usterki izolacji do masy, co może spowodować wyłączenie silnika z eksploatacji w przypadku zanieczyszczenia lub osłabienia izolacji.

MCA i MCSA wspierają się nawzajem i wykrywają praktycznie wszystkie problemy w układzie silnika. Ta dokładność wymaga systemów MCA, które wykorzystują rezystancję, impedancję, kąt fazowy, I/F i izolację do uziemienia oraz systemów MCSA, które obejmują demodulację napięcia i prądu.

Najnowszym i najskuteczniejszym podejściem są wibracje, podczerwień i MCA i/lub MCSA. Siłą tego podejścia jest to, że w ocenę i rozwiązywanie problemów zaangażowana jest kombinacja dyscyplin elektrycznych i mechanicznych. Jak stwierdzono w badaniu diagnostyki motorycznej i zdrowia motorycznego, 3 38% testów systemów silnikowych obejmujących tylko wibracje i/lub podczerwień wykazuje znaczny zwrot z inwestycji. 3 Diagnostyka silnika i inwestycja. Liczba ta wzrosła do 100% w systemach, które wykorzystywały kombinację MCA/MCSA wraz z wibracjami i/lub podczerwienią.

W jednym przypadku połączone zastosowanie podczerwieni i wibracji przyniosło zwrot z inwestycji w wysokości 30 tys. dolarów. Kiedy firma dodała MCA do swojego zestawu narzędzi, zwrot z inwestycji wzrósł do 307 000 USD, czyli dziesięciokrotnie więcej niż pierwotnie przy użyciu kombinacji instrumentów.

Możliwości zastosowania

Istnieją trzy typowe możliwości testowania układów silników elektrycznych. Obejmują one:

• Uruchamianie komponentów lub całego systemu podczas jego nowej instalacji lub naprawy. Może to zapewnić bardzo natychmiastowy zwrot z zaangażowanych technologii i pomoże uniknąć katastrofy związanej ze śmiertelnością niemowląt.
• Rozwiązywanie problemów z systemem poprzez zastosowanie wielu technologii pomoże ci zidentyfikować problemy znacznie szybciej i z większą pewnością.
• Trendowanie wyników testów pod kątem niezawodności systemu, ponownie przy użyciu odpowiedniego zastosowania wielu technologii. Korzystając z testów takich jak MCA, wibracje i podczerwień, potencjalne usterki mogą być monitorowane w długim okresie, wykrywając wiele usterek z wielomiesięcznym wyprzedzeniem.

Wniosek

W artykule przedstawiono krótki przegląd tego, jak wiele technologii współpracuje ze sobą, aby zapewnić dobry obraz systemu silnika elektrycznego. Dzięki zrozumieniu i zastosowaniu tego podejścia można osiągnąć fantastyczne zyski z programu konserwacji.

O autorze

Dr Howard W. Penrose uzyskał tytuł doktora w dziedzinie inżynierii ogólnej, koncentrując się na usprawnianiu procesów przemysłowych, analizie strumieni odpadów i energii oraz niezawodności sprzętu. Ma 15-letnie doświadczenie w branży silników elektrycznych i usług, prowadząc inicjatywy PdM i analizy przyczyn źródłowych w wielu różnych lokalizacjach komercyjnych i przemysłowych.

Tabela 1: Porównanie technologii diagnostyki układu silnika

Tabela 2: Rozważania dotyczące zarządzania

Tabela 3: Wspólne podejścia

Tabela 4: Dodatkowe uwagi