Анализ электрических сигналов в сравнении с анализом вибраций

Аннотация:

Хорошо известно, что вращающиеся механизмы демонстрируют специфические характеристики, когда неисправности вызывают периодическое смещение геометрической центральной линии вала.
Уже более 70 лет анализ вибрации оборудования (MVA) используется для выявления и определения серьезности этих неисправностей и является неотъемлемой частью многих успешных программ повышения надежности оборудования.
Недавний опыт и исследования доказали, что многие из этих же неисправностей могут быть выявлены с помощью анализа электрических сигналов (ESA).
ESA также оценивает и выявляет неисправности, связанные с питанием, поступающим на электростанцию, питанием, подаваемым на двигатель, а также электрические и механические неисправности в системе двигателя.
Более того, ESA становится очень важной технологией в рамках некоторых программ по обеспечению надежности электрооборудования.
Некоторые заводы используют ее в качестве основного инструмента для выявления электрических и механических проблем в машинах, которые приводятся в действие электродвигателями.
В этой статье мы рассмотрим обе эти технологии динамического прогнозируемого технического обслуживания (PdM), определим сильные и слабые стороны каждой технологии и попытаемся определить, где эти две технологии лучше всего вписываются в программу надежности.
Ключевые слова: Демод-спектр; фаза обнаружения; анализ электрической сигнатуры; БПФ-анализ; вибрация оборудования; неисправности системы двигателя; электрическая характеристика ротора; электрическая характеристика статора.  

Философия обслуживания:

Компании с большим количеством капитального оборудования либо предоставляют услуги, либо производят продукцию с помощью этого высококапиталоемкого оборудования.
Для того чтобы защитить это оборудование и поддерживать его в рабочем состоянии, необходимо проводить техническое обслуживание.
С течением времени компании все чаще вынуждены производить продукцию более высокого качества по более низкой цене, стараясь при этом получить более высокую прибыль.
Поставщики услуг также вынуждены предоставлять более надежные услуги по гораздо более низкой цене.
Это требует от отдела технического обслуживания не только правильно обслуживать оборудование, но и делать это с меньшими затратами.
Такое давление привело к эволюции практик или философий технического обслуживания.
Ранние методы технического обслуживания были известны как “работа до отказа” (RTF), но под давлением промышленности эти методы превратились в прецизионное (или проактивное) техническое обслуживание.
Краткий обзор этих философий технического обслуживания и затрат может объяснить необходимость эволюции этих практик.
Эти затраты на RTF, профилактическое и предиктивное обслуживание были взяты из статьи, опубликованной в конце 1970-х годов на одном из нефтеперерабатывающих заводов на юге США, который отслеживал и публиковал свои затраты на обслуживание в ходе этой эволюции.
Затраты на прецизионное обслуживание были добавлены и скорректированы с учетом стоимости жизни на основе результатов многих заводов, внедривших прецизионное обслуживание в начале 1990-х годов.  

Run Till Failure ($17 -18/HP/YR):

Такой подход не требует особого участия, кроме включения и выключения машины и подачи продукта.
Таким образом, машины продолжают работать без перебоев.
Однако, когда поломки все же случаются, они обычно очень серьезны и приводят к выходу из строя оригинального компонента, а также к повреждению других компонентов машины, таких как подключенные машины и фундамент.
Этот дополнительный ущерб часто приводит к повреждению компонентов, которые обычно не выходят из строя и редко встречаются в запасных частях на заводе.
Для ремонта или замены этих компонентов требуется их собственное производство или закупка у оригинального производителя по высокой цене и с большими затратами времени, что приводит к длительным остановкам.
Таким образом, RTF приводит к самому дорогому методу обслуживания оборудования на заводе.
И это без учета потерь в производстве.
Эти затраты очень трудно предсказать и измерить, но опыт показывает, что увеличение затрат на техническое обслуживание обычно приводит к дополнительным простоям.  

Профилактическое обслуживание ($11-12/HP/YR):

Эта философия обслуживания основана на предположении, что механическое оборудование со временем изнашивается и выходит из строя.
Разработчики и производители машин исследуют и изучают свои машины, чтобы определить рекомендуемые требования к техническому обслуживанию и интервалы между проверками.
Затем рекомендуемое техническое обслуживание и проверки проводятся через эти заранее установленные промежутки времени.
Однако в середине 1980-х годов в исследовании надежности, проведенном Ноланом и Хипом, было установлено, что машины не выходят из строя вовремя.
Они выходят из строя либо слишком рано, либо слишком поздно.
Машины, которые выходят из строя слишком рано, имеют те же проблемы и затраты, что и при обслуживании “до отказа”, в то время как машины, которые выходят из строя слишком поздно, приводят к многочасовому ненужному обслуживанию и преждевременной замене компонентов.
Что еще более важно, это исследование показало, что только около 11% отказов машин были связаны с возрастом, а 89% носили более случайный характер.
Это означает, что профилактическое обслуживание эффективно для 11% отказов, но неэффективно для 89%.
Они также сообщили, что 68% отказов происходят вскоре после установки или ремонта машины, этот период часто называют периодом введения в эксплуатацию, и чем сложнее машина, тем больше вероятность того, что она выйдет из строя в период введения в эксплуатацию.

Предиктивное обслуживание ($7-8/HP/YR):

Дополнительное снижение затрат на обслуживание было достигнуто благодаря использованию мониторинга состояния.
В начале 1960-х годов компании поняли, что когда вращающееся оборудование начинает выходить из строя, условия его работы меняются.
Регулярный мониторинг условий эксплуатации позволяет заранее предупредить об этих изменениях, чтобы успеть вывести машину из эксплуатации до того, как произойдет катастрофический отказ.
Эта философия технического обслуживания получила развитие в начале 1980-х годов с появлением микропроцессорных устройств сбора данных.
Рабочие характеристики машины, такие как температура, давление, состояние масла, вибрация и производительность, можно измерять и отслеживать, чтобы выявить изменения.
В некоторых случаях сравнение этих измерений с заранее заданными значениями позволяет быстро определить состояние машины без трендов.
Это привело к быстрому принятию и внедрению программ прогнозируемого технического обслуживания (PdM).
Предиктивное обслуживание использует различные измерения машины для определения ее состояния.
Существует множество различных технологий PdM, и наиболее успешные программы используют несколько технологий, чтобы предоставить максимум информации и, следовательно, с наибольшей вероятностью выявить машину с развивающейся проблемой.
Многие PdM-программы виновны в “лесной слепоте” (не видят леса среди деревьев).
Они тратят так много времени на сбор данных, что у них не остается времени на анализ, или они пренебрегают “менее критичными” машинами.
Наиболее успешные программы PdM используют эффективный скрининг.
Цель этапа обнаружения – выявить “плохие машины”.
После выявления “плохой машины” можно использовать дополнительные измерения или технологии, чтобы определить причину изменения состояния машины, а затем предпринять надлежащие корректирующие действия, чтобы вернуть машину в хорошее состояние.
Эта эволюция привела к созданию трех фаз PdM.
Эти три фазы – обнаружение, анализ и исправление.
Некоторые программы добавляют четвертую фазу – проверку, однако я считаю, что проверка является частью фазы исправления.
Некоторые из наиболее распространенных технологий PdM – это анализ вибрации оборудования (MVA), инфракрасная термография, ультрасоника, анализ масла, анализ цепей двигателя (MCA) и анализ электрических признаков (ESA).
Общая характеристика наиболее успешных технологий PdM заключается в том, что они просты в исполнении и обеспечивают неразрушающие, повторяемые измерения.  

Фаза обнаружения:

Обычно это самый важный этап и основа всей программы PdM.
Фаза обнаружения включает в себя периодический мониторинг рабочих характеристик выбранного оборудования.
Эти показатели отслеживаются и проверяются на предмет любых изменений.
Процесс сбора данных должен осуществляться быстро и тщательно, с целью мониторинга как можно большего количества машин.
Когда изменение обнаружено, для анализа берутся дополнительные данные, чтобы определить причину изменения состояния машины.
На этапе обнаружения вся цель состоит в том, чтобы выявить машины, которые выходят из строя.
Это означает, что проверяется как можно больше машин за как можно более короткий период времени.
Большинство программ PdM затем просматривают собранные данные и определяют подозрительные машины.

Этап анализа:

Этот этап включает в себя сбор дополнительных и, возможно, других типов данных, чем на этапе обнаружения.
Эти дополнительные данные обычно требуют дополнительного сбора информации.
Поскольку лишь немногие машины на этапе обнаружения (от 2% до 3% в зрелой программе) демонстрируют значительные изменения, обычно эффективнее быстро собрать данные, необходимые для выявления изменений в процессе обнаружения, а затем вернуться к более детальному анализу после обнаружения изменений.
Однако если завод находится в отдалении или имеет другие ограничения по доступу, то более детальный сбор данных на этапе обнаружения будет оправдан.
Многие предприятия и объекты решают установить системы мониторинга на постоянной основе для решения подобных задач.  

Фаза коррекции:

Этот этап включает в себя исправление и устранение проблемы, которая вызвала изменение состояния.
Для этого может потребоваться очистка вентилятора, замена подшипника или изношенной муфты и т.д.
Приемлемые уровни вибрации или другие уровни измерения производительности определяют точный тип исправлений и ремонта.
Подробности исправления и устранения этих проблем приведены в последующих разделах данной статьи.
Данных, полученных на этапе обнаружения, обычно недостаточно для проведения какого-либо анализа, кроме предварительного.
Для проведения более детального анализа необходимо получить другие типы и более сложные данные.
В некоторых случаях машину необходимо эксплуатировать в различных условиях и с использованием нескольких технологий.
Попытка проанализировать проблему, опираясь только на результаты обнаружения, не является надежным анализом.
Если на этапе обнаружения будет собрано достаточно данных для более точного анализа, это замедлит процесс обнаружения.
Большинство опытных отделов надежности признают важность разделения этих двух этапов.

Электрическая надежность:

Большинство людей считают, что надежность электрооборудования заканчивается на успешной доставке электроэнергии на завод.
Электроэнергия – одно из самых важных сырьевых материалов, используемых в современной промышленности.
Мы не только должны иметь непрерывный поток электроэнергии, он также должен быть чистым и сбалансированным.
Тем не менее, этот важный товар также является одним из наименее проверяемых сырьевых материалов, поставляемых на завод.
Электричество требуется почти во всех областях предприятия, чтобы обеспечить движущую силу, которая приводит в действие большинство оборудования, производящего продукцию или оказывающего услуги, для выполнения которых было создано оборудование предприятия.
Электричество – это уникальный продукт, поскольку оно требует непрерывного потока, не может удобно храниться и обычно не проверяется перед использованием.
Качество электроэнергии может стать причиной поломки или сбоя.
Результат плохого “качества электроэнергии” обычно носит долгосрочный характер и не всегда рассматривается как источник проблемы.
Сгорает двигатель или срабатывает выключатель, проводится электрическая и механическая проверка двигателя и приводимой в движение машины, затем двигатель восстанавливается или заменяется, и весь процесс повторяется.
Кроме того, современные новейшие машины и оборудование обусловили необходимость повышения качества электроэнергии.
Тем не менее, если электроэнергия и проверяется, то только в момент ее поступления на предприятие, а не на регулярной основе.
Также она не проверяется в момент подачи на двигатель или само оборудование.
Электроэнергия обычно вырабатывается далеко от места использования, надежность исходной генерации неизвестна, к тому же она объединяется в сеть со многими другими генераторами.
Электроэнергия проходит через несколько различных трансформаторов и многие мили наземных и подземных кабелей, прежде чем попадает на завод.
Многие из этих систем распределения электроэнергии принадлежат, управляются и обслуживаются несколькими различными организациями.
Как только плохая или “некачественная” электроэнергия попадает в сеть, она не может быть удалена или даже отклонена потребителем.
Многие генерирующие станции меньше и находятся в частной собственности.
В настоящее время ведется работа по регулированию и стандартизации качества электроэнергии, и многие штаты имеют свои собственные специальные стандарты и правила.
Однако выработанная электроэнергия не обязательно заканчивается на границах штата, где она была произведена.
Даже если электроэнергия поступает на электростанцию в “хорошем качестве”, существует множество областей в системе электродвигателей, которые могут негативно повлиять на дальнейшую успешную работу электростанции.  

Система электрических двигателей:

На надежность установки может повлиять не только сам двигатель.
Фактически, все, что находится в системе двигателя, может вызвать отказ системы двигателя, что может привести к нарушению технологического процесса.
Эффективный метод обнаружения выявит потенциальные проблемы в машине.
Логично, что метод обнаружения позволяет проверить как можно большую часть системы двигателя с помощью как можно меньшего количества измерений.
Метод обнаружения также используется для того, чтобы выявить как можно больше потенциальных неисправностей.
При выборе эффективного метода обнаружения необходимо также определить проблемы, которые приводят к сбоям в системе двигателя.
После того, как ответы на эти вопросы получены, необходимо определить возможные методы, позволяющие проверить как можно больше машин за наименьшее время.
Система двигателя состоит из двух подсистем: подсистемы двигателя/привода и механической подсистемы.
Подсистема двигателя/привода начинается с питания, поступающего на завод, которое может включать трансформаторы, кабели и коммутационные устройства.
Поступающая электроэнергия затем подается на распределительный щит или центр управления двигателем (MCC).
MCC состоит из пускателей, устройств защиты, таких как перегрузки, частотно-регулируемых приводов и множества других систем, которые безопасно передают энергию к двигателю для успешного управления и контроля.
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механический крутящий момент, поэтому в нем есть как электрические, так и механические компоненты.
Электрическая часть двигателя состоит из неподвижного компонента, или статора, и вращающегося компонента, или ротора.
Обмотки статора обеспечивают путь для протекания тока, создавая магнитное поле в статоре.
Ротор состоит из обмоток или стержней, обеспечивающих прохождение тока через ротор, создавая магнитное поле ротора.
Взаимодействие между магнитным полем ротора и магнитным полем статора создает механический крутящий момент.
Механическая подсистема начинается с механической части двигателя.
Она начинается с вала, который передает крутящий момент, создаваемый взаимодействием магнитных полей ротора и статора, на приводимую в движение машину или нагрузку.
Подшипники отделяют вращающиеся компоненты от невращающихся, а также позиционируют ротор внутри двигателя.
Вал двигателя соединяется с нагрузкой с помощью соединительных устройств, таких как прямые муфты, ремни и шкивы, а иногда даже шестерни.
Приводимая в движение машина – это часть системы, которая выполняет работу, и существует множество типов машин, которые выступают в качестве нагрузки, например, насосы, вентиляторы, компрессоры, станки, роботы, штоки клапанов и многие другие механические устройства.
Последняя часть системы машин – это сам процесс, машина может придавать форму или резать материал, повышать давление, перемещать воздух или другие виды газов, транспортировать жидкости или смешивать материалы.
При выборе метода обнаружения необходимо обследовать как можно больше компонентов системы.

Подсистема мотора/привода:

Типы неисправностей, которые могут возникнуть в подсистеме двигатель/привод, в основном имеют электрическую природу.
Неисправности входящего питания варьируются от несоответствия напряжения, несинусоидальности и дисбаланса напряжения.
Они могут поступать непосредственно от поставщика, или замыкания в обмотках трансформатора, или неправильные настройки ответвлений на трансформаторах.
Несинусоидальное напряжение может создавать отрицательные гармоники последовательности внутри двигателя, что приводит к избыточному нагреву. Неисправности в системе управления могут варьироваться от неплотного соединения шин или кабелей, разъеденных, корродированных или ослабленных контакторов, неплотного соединения предохранителей или неисправных реле перегрузки.
Ослабленные соединения, изъеденные или изъязвленные контакторы создают дисбаланс напряжения, небольшой дисбаланс напряжения, подаваемого на двигатель, может создать дисбаланс тока в двадцать раз больше, что приводит к возникновению циркуляционных токов, создающих избыточное тепло в системе двигателя.
Неисправности в системе двигателя можно разделить на электрические и механические.
В середине 1980-х годов Научно-исследовательский институт электроэнергетики сообщил, что 53% отказов электродвигателей носят механический характер (41% подшипников, 12% балансировки и выравнивания) и 47% – электрический (37% обмоток и 10% ротора), см. рис.
1.
Среди неисправностей обмотки 83% составляют короткие замыкания обмотки и только 17% – замыкания изоляции на землю.
Неисправности ротора зависят от типа и конструкции двигателя.
Однако наиболее распространенным является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Распространенными неисправностями роторов с короткозамкнутым ротором являются ослабленные или сломанные стержни ротора, неконцентрический ротор или термочувствительный ротор.

Механическая подсистема:

Механические неисправности в двигателе в основном такие же, как и в любом другом вращающемся оборудовании.
Эти неисправности могут включать в себя дисбаланс, несоосность, погнутый вал, ослабленные компоненты, изношенные или неисправные подшипники.
Двигатели также подвержены поломкам в результате искажения магнитных полей статора или ротора.
Эти дефекты создают механические силы, которые взаимодействуют с другими механическими силами, такими как дисбаланс, несоосность и т.д.
Внутри двигателя подшипники используются для позиционирования ротора и отделения вращающегося компонента от неподвижного.
Обычно используются два типа подшипников: подшипники качения и подшипники скольжения или цапфы.
Неисправности муфты зависят от типа соединительных устройств.
Существует множество различных устройств для соединения двигателя с нагрузкой.
Некоторые устройства напрямую соединяют двигатель с приводимой машиной, и эти машины работают на одной и той же скорости и в одном и том же направлении.
Некоторые устройства изменяют скорость или направление, или и то, и другое.
Другими распространенными соединительными устройствами являются ремни, шкивы и шестерни.
Любой из типов муфт может иметь дисбаланс, биения, неравномерную обработку или другие дефекты посадки или сборки вращающихся компонентов.
Ремни и шкивы могут иметь дефекты, вызванные тем, что шкив неправильно установлен на валу, шкив может иметь биение, или ремень может ослабнуть, потрескаться или обтрепаться.
Если соединительное устройство представляет собой зубчатую передачу, то обычно возникают небольшие силы в результате “зацепления” зубьев одной шестерни с зубьями другой.
Дополнительные неисправности возникают, если одна или другая шестеренка закончилась.
Шестерни также подвержены износу, трещинам или поломкам зубьев.
Приводимая в движение машина или груз также могут иметь различные уровни дисбаланса, несоосности или биения, которые могут создавать вращательные силы.
Центробежные машины, такие как вентилятор насоса и даже компрессоры, создают гидравлические силы, которые взаимодействуют между вращающимися и невращающимися частями машины.
Эти силы вызывают движение каждый раз, когда одна из лопастей или лопастей рабочего колеса проходит мимо неподвижного компонента, такого как “вода в насосе”.
Сам процесс может создавать механические силы, действующие на систему машина/двигатель.
Некоторые из этих сил являются результатом работы машины.
Такие машины, как вырубные прессы и штамповочные машины, создают силы во время нормальной работы.
Процессы, такие как кавитация и рециркуляция, могут создавать гидравлические силы в системе жидкости.
Дополнительные изменения процесса, такие как изменение нагрузки, могут изменять рабочую температуру и давление машины, вызывая изменения центровки в результате дифференциального теплового роста соответствующих машин.  

Вибрация оборудования:

При измерении вибрации оборудования используются преобразователи для измерения механического движения компонента или части машины, которая вибрирует.
Датчики преобразуют это механическое движение в электрический сигнал.
Датчик либо устанавливается непосредственно на движущийся компонент, либо крепится к подшипнику или другой опорной конструкции.
Эти датчики измеряют механическое движение наблюдаемого компонента, которым является либо корпус подшипника, либо сам вал.
Когда компонент движется по направлению к датчику, он генерирует положительное напряжение на выходе, а когда компонент движется от датчика, он генерирует отрицательное напряжение на выходе.
Это позволяет датчику генерировать выходной электрический сигнал, который дублирует движение движущегося компонента.
Величина напряжения отражает величину движения.
Второй закон движения Ньютона гласит, что F=ma.
Это означает, что величина перемещения представляет собой величину силы, приложенной к компоненту.
Это означает, что для очень больших машин потребуется очень большая сила, чтобы сдвинуть массу на измеримую величину.
Кроме того, тип датчика, используемого для измерения, может повлиять на выходной сигнал датчика.

Измерения вибрации:

Существует два типа измерений вибрации: относительное и абсолютное движение.  

Относительное движение:

Первое – это относительное измерение, при котором движение измеряемого компонента соотносится с движением другого компонента.
Наиболее распространенным из этих измерений является измерение движения вала внутри подшипника с цапфой.
Для такого измерения обычно используются бесконтактные вихревые датчики – сенсоры, которые крепятся либо к подшипнику, либо через него.
Эти измерения оказались очень эффективными для определения пути, по которому вал движется внутри подшипника, и величины движения.
Измерения производятся в смещении, либо в милях (0,001 дюйма), либо в микронах (.000001 м).
Основное преимущество этих типов датчиков заключается в том, что очень легко сравнить измеренное перемещение и сопоставить его с внутренним зазором подшипника.
Недостатком является то, что если деталь, на которой установлен датчик, движется, то невозможно определить истинное значение силы, приложенной к валу.
Второй недостаток заключается в том, что смещение на более высоких частотах может быть очень маленьким, но при этом иметь большое смещение.
Следовательно, дефекты на высоких частотах будут погребены в шумовом фоне измеряемого сигнала.  

Абсолютное движение:

Второе измерение вибрации – это абсолютное движение.
Для этого измерения используется датчик, который сравнивает движение с землей.
Наиболее распространенными датчиками являются датчики индукционного типа, которые вырабатывают выходное напряжение, пропорциональное скорости движения.
Более распространенным датчиком является пьезоэлектрическое устройство, которое производит электрические заряды, зависящие от приложенной силы.
У датчиков индукционного типа и пьезоэлектрических датчиков есть преимущества и недостатки.
Главный недостаток обоих датчиков заключается в том, что, поскольку они измеряют абсолютное перемещение, например, ранние стадии дефектов подшипников качения, кавитацию в полости насоса или гидравлические силы в глубинных насосах недостаточны для перемещения пьедестала или корпуса подшипника.
Вторым недостатком является частотная характеристика датчиков.
Индукционные датчики сильно ограничены как на низких, так и на высоких частотах, в то время как пьезоэлектрические датчики усиливают сигналы на более высоких частотах.
Оба датчика также подвержены изменениям линейности из-за техники монтажа датчика, а также направления или расположения датчика.
Силы, которые измеряют эти датчики, представляют собой комбинацию всех механических сил, объединенных в точке измерения.
Поскольку большинство вращающихся механизмов состоит из множества различных компонентов, и каждый из этих компонентов может создавать любое количество повторяющихся сил, измеренный сигнал вибрации будет сложным сигналом, состоящим из множества сигналов.  

Анализ вибрации оборудования (MVA):

В процессе анализа вибрации оборудования определяются частоты, которые присутствуют в вибрации оборудования, а затем они соотносятся с частотами сил, создаваемых механическими и электрическими неисправностями.
Чтобы определить частоты, присутствующие в измеряемом сигнале, анализатор выполняет быстрое преобразование Фурье (БПФ) для сигнала.
Этот математический процесс преобразует собранный сложный временной сигнал из временной области в частотную.
БПФ определяет амплитуды и частоты, которые вместе составляют этот сложный сигнал.  

Механические неисправности:

Существует множество графиков, таблиц и документов, описывающих частоты, которые генерирует каждая из этих механических неисправностей, когда эти неисправности присутствуют.
Некоторые из этих неисправностей генерируют одинаковые частоты.
Такие неисправности, как дисбаланс, несоосность, погнутый вал, треснувший вал и эксцентричный ротор – все они возникают из-за неисправностей в роторе и создают силы, которые связаны со скоростью вращения вала.
Во многих случаях необходимо провести дополнительные измерения или использовать дополнительные технологии для дальнейшего определения этих схожих проблем.
Другие проблемы, такие как дефекты подшипников качения, имеют частоту, которая зависит от стадии дефекта, а также от геометрии подшипника.
Одна из проблем с дефектами подшипников качения заключается в том, что дефекты на ранних стадиях генерируют сигналы с очень низкой амплитудой, и их трудно идентифицировать на ранних стадиях развивающейся неисправности.  

Электрические неисправности:

Электродвигатели работают за счет взаимодействия магнитных полей ротора и статора.
Если магнитное поле статора или ротора становится несбалансированным или искаженным, это создает несбалансированные электрические силы внутри двигателя.
Эти силы заставят ротор двигаться внутри двигателя по мере того, как вращающееся магнитное поле будет проходить мимо искаженных или несбалансированных полей.  

Электрические неисправности статора:

Форма сердечника определяется магнитным полем.
Обычно сердечник статора и ротор имеют идеально круглую форму.  

Неравные воздушные зазоры:

При расположении идеально круглого ротора внутри идеально круглого статора все магнитные силы будут равны и противоположны.
Однако если ротор расположен ближе к статору в какой-либо области, то при прохождении магнитного поля через узкий зазор возникнет более сильное притяжение, тянущее ротор к статору, и более слабое притяжение на противоположной стороне ротора, там, где зазор шире.
Это создаст электрический дисбаланс и будет называться неравным воздушным зазором.
Положение ротора внутри статора определяется положением подшипников (см. рис. 2).
Подшипник располагается в соответствии с обработанными посадками корпуса подшипника, торцевого колокола и рамы машины.
Поскольку узкие зазоры определяются положением ротора, неравные зазоры всегда будут находиться в одном и том же месте внутри воздушного зазора и обычно называются статическим эксцентриситетом. Было установлено, что для двухполюсного двигателя мощностью 2000 л.с., в котором воздушный зазор ротора смещен на 10% внутрь статора, возникающие электрические силы будут более чем в 10 раз превышать центробежную силу, если ротор сбалансирован в соответствии со спецификацией ISO по балансу G 2.5.
Показатель баланса G2.5 считается хорошим балансом.
Мягкая ножка обычно ассоциируется с несоосностью, однако, если двигатель имеет неисправленную мягкую ножку, затягивание прижимных болтов не только изменит положение подшипника, создавая возможную несоосность, но и деформирует корпус двигателя (см. рис. 3). Этот деформированный корпус будет деформировать железо статора, что приведет к изменению магнитного поля статора и создаст состояние, похожее на неравные воздушные зазоры.  

Свободная обмотка/статорное железо:

Если железо статора неплотно прилегает к раме двигателя или обмотки неплотно прилегают к пазам статора, вращающееся магнитное поле статора будет заставлять неплотно прилегающий компонент перемещаться каждый раз, когда одно из магнитных полей проходит над ним.
Эти три неисправности обычно являются причиной проблем с вибрацией, которые классифицируются как электрические неисправности статора.
Все эти неисправности возникают на частоте, в два раза превышающей частоту сети.
Для контроллера прямого привода это будет 7200 CPM для 60 Гц и 6000 CPM для 50 Гц.  

Электрические неисправности ротора:

Наиболее распространенным промышленным двигателем является индукционный ротор переменного тока с короткозамкнутым ротором.
В этих роторах стержни ротора используются в качестве проводников для создания магнитного поля на роторе.
Форма железа или сердечника ротора определяется магнитным полем.  

Эксцентриковый ротор:

Если сердечник ротора или торцевые кольца расположены эксцентрично, это исказит магнитное поле ротора, и оно примет форму сердечника.
Если эксцентричный ротор поместить внутрь концентричного статора, это создаст неравные зазоры между магнитным полем ротора и магнитным полем статора.
Однако, поскольку искаженное магнитное поле находится на роторе, узкий зазор будет вращаться вместе с валом.
Когда узкий зазор оказывается под магнитным полюсом, возникает электрический дисбаланс.
Поскольку электрический дисбаланс изменяется в зависимости от положения ротора, эту неисправность часто называют динамическим эксцентриситетом.  

Сломанные роторные шины:

Назначение стержней ротора в короткозамкнутом роторе – обеспечить путь для протекания тока от одного конца ротора к другому.
Протекающий ток создает магнитное поле на роторе.
Когда ток течет в одном направлении, он создает магнитное поле одной полярности, либо северной, либо южной.
Эти противоположные полюса будут находиться прямо напротив друг друга и создадут сбалансированное магнитное поле.
Если один или несколько стержней ротора сломаны, ток не будет протекать в этой части ротора, когда он будет находиться под одним из магнитных полей.
Однако, поскольку стержни по обе стороны от разрыва соединены, ток будет протекать через эти стержни при условии наличия полного пути для протекания тока.
Это создает мертвую точку на роторе в месте сломанного стержня или стержней.
Когда эта мертвая точка оказывается под одним из магнитных полей, возникает электрический дисбаланс.
Этот электрический дисбаланс объединит все механические силы, действующие на систему ротора, и приведет к изменению общей силы ротора.
Как сломанные стержни, так и эксцентричные роторы являются механическими дефектами ротора и будут вращаться вместе с ним.
В асинхронном двигателе ротор вращается со скоростью, которая меньше скорости вращающегося магнитного поля, поэтому механические дефекты будут перемещаться внутрь и наружу из-под действия магнитного поля.
По мере вращения ротора с дефектами электрические силы, действующие на ротор, будут увеличиваться и уменьшаться в зависимости от положения сломанных стержней по отношению к магнитному полю.
Это приводит к модуляции комбинированных электрических и механических сил.
Частота модуляции будет равна числу полюсов, умноженному на скорость скольжения ротора.
Эта частота обычно называется частотой прохождения полюсов (PPF).  

Термочувствительный ротор:

Некоторые роторы асинхронных двигателей переменного тока выглядят так, что силы, исходящие от ротора, меняются в зависимости от нагрузки.
Обычно это происходит потому, что роторы прогибаются при прохождении тока и увеличении ротора.
Причиной такого явления является замыкание слоев сердечника, неравномерная толщина слоев ротора или пустоты в литых роторах.
В любом из вышеперечисленных случаев одна сторона ротора становится более горячей, чем противоположная сторона, что позволяет более горячей части ротора растягиваться или расширяться, вызывая изгиб ротора.
Изгиб ротора приведет к тому, что ротор будет работать эксцентрично и проявится как динамический эксцентриситет.
Когда неисправность затрагивает магнитное поле ротора, силы дисбаланса вызывают модуляцию комбинированных сил ротора.
Это приведет к тому, что амплитуда вибрации оборудования на скорости вращения также будет изменяться.
БПФ амплитудно-модулированного сигнала приведет к появлению боковых полос вокруг основной частоты, которая в данном случае в один раз превышает скорость вращения.
Наличие боковых полос указывает на наличие амплитудной модуляции, а расстояние между боковыми полосами – на частоту модуляции.
Если неисправность исходит от ротора, боковые полосы будут расположены на частоте прохождения полюсов.
Поскольку каждая из трех распространенных неисправностей ротора, описанных выше, вызывает модуляцию силы ротора, БПФ каждой неисправности будет выглядеть как спектральный пик на скорости вращения с боковыми полосами PPF.  

Механические неисправности:

Другие механические неисправности в двигателе будут выглядеть так же, как и в любом другом механизме.
Неисправность будет определена в БПФ на основе частоты или, в некоторых случаях, паттерна БПФ.
Эти частоты можно получить из любого количества графиков или таблиц.  

Анализ электрической сигнатуры (ESA):

Анализ электрической сигнатуры измеряет все три фазы тока и напряжения на контроллере двигателя во время работы машины.
Благодаря измерению всех трех фаз напряжения и тока, при каждом снятии данных ESA выполняется полный анализ мощности, подаваемой на двигатель.
Кроме того, для формы напряжения и тока выполняется БПФ.
Испытания и исследования показали, что многие механические и электрические неисправности в системе двигателя приводят к модуляции тока двигателя на частоте неисправности.  

Анализ мощности:

Анализ мощности не только выявит проблемы, связанные с двигателем, но и определит любые проблемы с входящей мощностью, такие как избыточное содержание гармоник, дисбаланс напряжения, рассогласование напряжения, дисбаланс тока, коэффициент мощности системы двигателя и эффективность системы двигателя.
Кроме того, поскольку ESA одновременно измеряет все три фазы напряжения и тока, он может очень точно определить нагрузку на двигатель.
Это позволяет программному обеспечению ESA точно определить фактическую скорость вращения ротора; обычно скорость вращения измеряется с точностью до 1 оборота в минуту.  

Анализ БПФ:

БПФ тока выявляет неисправности в системе двигателя аналогично MVA или другим методам сигнатурного анализа.
Однако выполнение БПФ на осциллограммах напряжения и тока двигателя обеспечивает дополнительные диагностические возможности по сравнению с MVA и анализом сигнатур тока двигателя (MCSA).
И MVA, и MCSA измеряют реакцию только системы двигателя.
Если в спектре тока или вибрации имеются большие спектральные пики, что является результатом несущей частоты в поступающей мощности, это невозможно обнаружить ни с помощью одного из этих методов.
Однако, если выполнить БПФ для напряжения и тока, то все имеющиеся спектральные пики будут вызваны входящей мощностью.
Однако если в спектре напряжения нет спектральных пиков, которые присутствуют в спектре тока, то неисправность исходит либо от двигателя, либо от приводимой машины.  

Неисправности статора:

Неисправности статора в ESA классифицируются как электрические или механические по своей природе.  

Механические неисправности статора:

Неисправности, классифицируемые как механические неисправности статора, возникают либо при ослаблении сердечника статора в раме двигателя, либо при ослаблении обмоток в пазах статора.
Любая из этих неисправностей приводит к модуляции магнитных полей, создаваемых разрывами в железе статора, на котором расположены обмотки.
Эти частоты известны как частоты прохождения пазов статора, которые определяются путем умножения числа пазов статора на скорость вращения.
Хотя это и не сразу приводит к катастрофе, но если продолжать ослаблять изоляцию, то это приведет к пробою изоляции либо обмоток (поскольку ослабление приводит к износу изоляции обмоток), либо к пробою изоляции стенки заземления и возникновению замыкания на землю.
Любая из этих неисправностей в конечном итоге приведет к полному отказу обмотки, в лучшем случае – к перемотке двигателя или его полному разрушению.
Если во время отказа повреждено железо статора, то такой отказ потребует полной замены двигателя.
Нарушение частоты прохождения пазов статора обычно настолько незначительно, что MVA не обнаружит эти неисправности до тех пор, пока они не перейдут в очень запущенную стадию.
Эти неисправности приводят к перемещению ослабленного компонента, железа статора или обмотки, так как магнитное поле вращается вокруг статора, что проявляется в виде боковых полос линейной частоты, окружающих частоту прохождения пазов статора.  

Статор электрический:

Если изоляция между обмотками статора и землей разрушается, происходит замыкание обмотки или замыкание на землю.
Эти повреждения приводят к локальному нагреву и дальнейшему разрушению изоляции, пока обмотка в конце концов не сгорит и полностью не разрушит ее, а в тяжелых случаях деформирует или прожжет внутреннюю ламинарную изоляцию.
При возникновении этих неисправностей слабость обмотки приводит к модуляции частот прохождения пазов статора на частоте линии, поскольку магнитное поле вращается вокруг статора.
Они будут дополнительно модулироваться при вращении вала, что приведет к появлению боковых полос частоты вращения вокруг боковых полос частоты линии.
ESA может выявить неисправности, которые классифицируются как электрические неисправности статора, но для подтверждения типа неисправности рекомендуется выполнить анализ цепи двигателя при обесточенном двигателе.
И снова эти модуляции частоты прохождения пазов статора настолько незначительны, а создаваемые силы очень малы и обычно не обнаруживаются с помощью MVA.  

Неисправности ротора:

Распространенными неисправностями ротора, выявляемыми с помощью ESA, являются статический эксцентриситет (неравные воздушные зазоры), динамический эксцентриситет (эксцентричный ротор) и сломанные стержни ротора.  

Статический эксцентриситет:

Когда сердечник ротора концентричен и центрирован в магнитном поле, токи, протекающие через стержни ротора, будут равны и полярно противоположны на противоположных сторонах ротора.
Но если ротор не центрирован в магнитном поле, то напряженность магнитного поля в стержнях ротора, которые находятся ближе всего к статору, будет сильнее, чем на противоположной стороне.
Кроме того, при вращении магнитных полюсов вокруг статора магнитное поле вокруг стержней ротора будет модулироваться каждый раз, когда один из полюсов проходит через узкий зазор.
Это создаст в два раза больше спектральных пиков линейной частоты в районе частоты прохождения стержня ротора.
Частота прохождения стержня ротора равна количеству стержней ротора, умноженному на скорость вращения.  

Динамический эксцентриситет:

Если ротор центрирован, но сердечник ротора эксцентричен, это создаст узкий воздушный зазор, который вращается вокруг, внутри воздушного зазора с ротором.
Узкий воздушный зазор создает двухкратные линейные частоты (2xLF) боковых полос вокруг частоты прохождения шины ротора, но поскольку узкий зазор вращается в воздушном зазоре, при скорости вращения ротора это приведет к модуляции 2xLF боковых полос при скорости вращения ротора.
Это создает боковые полосы частоты вращения вокруг боковых полос 2xLF.  

Сломанные роторные шины:

Когда мертвая точка на роторе проходит под магнитным полем, между магнитным полем статора и ротором не будет индуктивности.
Это приведет к модуляции тока двигателя по частоте PPF, что создаст в спектре тока боковые полосы частоты PPF вокруг линейной частоты.
Исследования показали, что серьезность неисправности роторного стержня зависит от отношения модуляции; было определено семь уровней серьезности, см. таблицу 1.

Механические неисправности:

Любые механические неисправности, создающие вибрации на вращающемся оборудовании, действуют как нагрузка на двигатель.
Даже очень малая реакция на воздействие, например, собственные частоты подшипниковой системы, легко обнаруживается с помощью ESA.
В спектре ESA механические неисправности выглядят как центральные частоты боковых полос линейной частоты.  

Спектр демода:

ESA также генерирует низкочастотный спектр демода, Fmax 120 Гц.
Спектр демода – это метод обработки сигнала, который удаляет сигнал линейной частоты из захваченного сигнала временной волны.
Все, что остается в обработанном сигнале, – это частоты, которые вызывают модуляцию тока двигателя.
БПФ этого обработанного сигнала очень четко отображает все частоты неисправностей, например, неисправностей, исходящих от ротора, включая дисбаланс, несоосность (не только на двигателе, но во многих случаях и на приводимой машине).
Пики PPF и скорости вращения (RS), которые обычно появляются в виде боковых полос вокруг линейной частоты в обычном спектре тока, появляются в виде одиночных пиков в спектре демодатчика.
Это помогает программному обеспечению очень точно определить фактическую РС системы двигателя в момент съемки данных, обычно с точностью до 1 оборота в минуту.
Другие частоты неисправностей, которые меньше 120 Гц, появляются в виде одиночных пиков в спектре демода, и дефекты ремня очень легко обнаружить с помощью спектра демода.  

Другие механические неисправности:

Проблемы с зубчатым зацеплением, прохождение лопаток и любые другие механические силы, присутствующие в любой точке системы двигателя, будут проявляться в спектре высокочастотного тока в виде центральных частот между боковыми полосами линейной частоты.

Дефекты подшипников качения:

Дефекты подшипников ранней и поздней стадии 2 очень четко проявляются в спектре высокочастотного тока в виде боковых полос линейной частоты, окружающих нецелое кратное число оборотов.  

Каково будущее ESA?

Предварительное тестирование показало, что ESA – один из самых мощных инструментов для проверки машин с механическим приводом.
Почти во всех случаях неисправности появляются гораздо раньше в данных ESA, чем в MVA, поскольку сила неисправности не должна быть достаточной для перемещения всей конструкции машины, как это происходит при механической вибрации.
Кроме того, ESA позволяет определить состояние питания, подаваемого на систему двигателя, а также определить КПД двигателя и, самое главное, точную скорость вращения двигателя в момент получения данных.
Это измерение очень важно при использовании ESA и MVA, поскольку большинство неисправностей в системе двигателя зависят от скорости, и точное определение скорости вращения имеет решающее значение для точного спектрального анализа.  

Частотная характеристика:

Поскольку ESA использует изменения тока двигателя в качестве идентификатора неисправностей, можно обнаружить даже очень низкочастотные и очень высокочастотные неисправности.
MVA имеет ограничения, основанные на типе измерения (относительное или абсолютное) и частотной характеристике датчика.  

Вертикальные насосы для глубоких скважин:

Опыт работы с вертикальными насосами показал, что неисправности в насосе не передаются на двигатель.
Чтобы определить, что происходит в насосе, необходимо установить датчики на самом насосе.
Неисправности насоса не обнаруживаются на двигателе до тех пор, пока насос обычно полностью не разрушается.
Предварительные испытания показали, что небольшое количество кавитации и даже частоты прохождения лопастей в насосе могут быть легко обнаружены с помощью ESA.
Спектр MVA, снятый в то же время, не выявил никаких признаков ни одной из неисправностей.  

Частотно-регулируемые приводы:

При использовании ESA для тестирования двигателей, управляемых ЧРП, можно не только обнаружить неисправности в системе двигателя, но и легко выявить старые конденсаторы и другие электрические проблемы в приводе.   Для получения дополнительной информации об анализе электрических сигнатур или о том, как повысить надежность системы электродвигателей на Вашем предприятии, посетите сайт www.alltestpro.com или напишите по адресу [email protected].