Диагностика двигателя: Мультитехнологический подход

Введение

Существует устойчивое заблуждение, что существует “волшебная пуля” в виде прибора Condition Based Monitoring (CBM), который предоставит всю информацию, необходимую Вам для оценки состояния системы электродвигателя.
Это заблуждение часто порождается коммерческими презентациями производителей или продавцов этих приборов CBM.
Это самое Задача продавца – сосредоточиться на сильных сторонах своего конкретного инструмента (инструментов) и представить его как “единственное решение, которое Вам когда-либо понадобится для решения всех Ваших проблем”.

В действительности, не существует одного инструмента, который предоставит Вам всю необходимую информацию.
Нет “Святого Грааля” МД и надежности.
Однако, благодаря пониманию системы электродвигателя и возможностей технологий CBM, Вы сможете получить полное представление о Вашей системе, ее состоянии и уверенно оценить время до отказа, чтобы дать хорошую рекомендацию руководству.

Цель этой статьи проста: Описать компоненты системы электродвигателя; Обсудить способы отказа каждого основного компонента; Обсудить, как каждая из основных технологий решает проблему каждого компонента; Обсудить, как технологии могут быть интегрированы для получения полного представления о системе; и обсудить влияние мультитехнологического подхода на конечный результат.
Типы оборудования МД, которые будут рассмотрены, представляют собой стандартные готовые технологии, которые используются для периодического тестирования.

 

Система электрического двигателя

Система электродвигателя включает в себя гораздо больше, чем просто электродвигатель.
Фактически, она состоит из шести отдельных секций, каждая из которых имеет свои собственные режимы отказа.
Вот эти секции (Рисунок 1):

• Система распределения электроэнергии на объекте, включающая в себя электропроводку и трансформаторы.
• Стартовые системы.
• Электродвигатель – для целей данной работы используется трехфазный асинхронный двигатель.
• Механическое соединение, которое может быть прямым, редукторным, ременным или каким-либо другим.
  В рамках данной статьи мы сосредоточимся на прямой и ременной муфте.
• Нагрузка относится к приводимому в действие оборудованию, такому как вентилятор, насос, компрессор или другое приводимое в действие оборудование.
• Процесс, такой как перекачка сточных вод, смешивание, аэрация и т.д.

Большинство из них будут просматривать отдельные компоненты системы при поиске неисправностей, отслеживании тенденций, вводе в эксплуатацию или выполнении других функций, связанных с надежностью системы.
На каких компонентах сосредоточено внимание зависит от нескольких факторов, среди которых:

• Каков опыт и образование персонала и менеджеров.
  Например, чаще всего Вы увидите сильную программу по вибрации, если персонал по обслуживанию в основном механический, или программу по инфракрасному излучению, если персонал в основном электрический.
• Воспринимаемые области неудач.
  Это может быть серьезной проблемой в зависимости от того, как воспринимается двигательная система, и заслуживает более пристального внимания.
• Понимание различных технологий МД.
• Обучение.
  Но с каких это пор обучение не является проблемой?

 

Предполагаемые места поломки представляют собой особенно серьезную проблему при просмотре истории Вашей системы двигателя.
Часто, когда составляются отчеты, в единственном резюме может быть написано что-то вроде “отказ вентилятора, отремонтирован” или “отказ насоса, отремонтирован”.
В итоге получается, что предполагаемая неисправность связана с насосом или вентилятором в системе двигателя.
Особенно это становится проблемой, если полагаться на память, чтобы получить ответы на самые серьезные проблемы, которые необходимо решить на предприятии, основываясь на истории.
Например, если Вы хотите определить, какая часть предприятия вызывала больше всего проблем, ответ может быть таким: “Насос сточных вод 1”.
Сразу же возникает ощущение, что у насоса постоянная проблема, и, поскольку насос – это механическая система, для отслеживания состояния насоса может быть выбрано решение для механического мониторинга.
Если бы первопричина каждого сбоя была зафиксирована, можно было бы определить, что это обмотка двигателя, подшипники, кабель, система управления, процесс или комбинация проблем.

На одном из недавних совещаний, обсуждая выбор оборудования для МД, присутствующих спросили о способах выхода из строя оборудования в их местах.
Ответы были такими: вентиляторы, компрессоры и насосы.
При дальнейшем обсуждении вентиляторов выяснилось, что чаще всего встречаются неисправности подшипников и обмоток двигателя, уплотнений и подшипников двигателя для насосов, а также уплотнений и обмоток двигателя для компрессоров.
При ближайшем рассмотрении оказалось, что неисправности обмоток связаны с проблемами управления и кабелей, неправильным ремонтом и качеством электроэнергии.
Проблемы с подшипниками были связаны с неправильной практикой смазки.

По сути, определяя наилучший способ внедрения МД в Вашу систему электродвигателей, Вы должны рассматривать систему, а не отдельные компоненты.
Результат прост: Повышение надежности; Меньше головной боли; и улучшение итоговой прибыли.

 

Тестовые приборы для мониторинга состояния

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых технологий МД, более подробно об этих технологиях можно прочитать в разделе “Анализ цепей электродвигателей”.1 Подробную информацию о компонентах протестированной системы и ее возможностях можно найти в таблицах 1-4 в конце этой статьи:

Тестирование с пониженным энергопотреблением:

1 Анализ цепей электродвигателей: Теория, применение и Энергетический анализГовард В. Пенроуз, доктор философии, SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• Испытание высоким потенциалом постоянного тока – Прикладывая напряжение, вдвое превышающее номинальное напряжение двигателя плюс 1 000 вольт для переменного тока и еще в 1,7 раза большее значение для высокого потенциала постоянного тока (обычно с множителем для снижения нагрузки на систему изоляции), оценивается система изоляции между обмотками двигателя и землей (изоляция “земля-стена”).
  Это испытание широко считается потенциально разрушительным.
• Сравнительное тестирование импульсов напряжения: Используя импульсы напряжения с величинами, рассчитанными так же, как при тестировании высокого потенциала, графически сравнивают импеданс каждой фазы двигателя.
  Цель теста – обнаружить короткие витки в первых нескольких витках каждой фазы.
  Обычно этот тест проводится при производстве и перемотке, так как его лучше всего выполнять без ротора в статоре.
  Этот тест считается потенциально разрушительным и используется в основном как тест “годен/не годен”, не давая возможности проследить тенденцию.
• Тестер изоляции: При этом тесте между обмотками и землей подается постоянное напряжение.
  Измеряется утечка слабого тока и преобразуется в мега-, гига- или тера-Ом.
• Тестирование индекса поляризации: Используя тестер изоляции, просмотрите значения 10 минут и 1 минуты и получите соотношение.
  Согласно стандарту IEEE 43-2000, значения изоляции свыше 5 000 мегаом не нужно оценивать с помощью PI.
  Тест используется для обнаружения сильного загрязнения обмотки или перегрева изоляционных систем.
• Тестирование Ом, МиллиОм: С помощью измерителя Ом или Милли Ом измеряются и сравниваются значения между обмотками электродвигателя.
  Эти измерения обычно проводятся для обнаружения ослабленных соединений, разрывов соединений и неисправностей обмоток на самых поздних стадиях.
• Анализ цепей двигателя (MCA): Приборы, использующие значения сопротивления, импеданса, индуктивности, фазового угла, тока:частотной характеристики и тестирования изоляции, могут использоваться для поиска неисправностей, ввода в эксплуатацию и оценки состояния системы управления, соединений, кабелей, статора, ротора, воздушного зазора и изоляции с землей.
  Используя низковольтный выход, показания считываются через серию мостов и оцениваются.
  Неразрушающие и отслеживаемые показания часто позволяют за несколько месяцев до начала электрического сбоя.

2 Потенциально разрушительный: Любой инструмент, который может потенциально изменить рабочее состояние оборудования из-за неправильного применения или ослабления изоляции, должен считаться потенциально разрушительным.

 

Тестирование под напряжением:

Анализ вибрации: Механическая вибрация измеряется с помощью датчика, обеспечивая общие значения вибрации и FFT-анализ.
Эти значения служат индикаторами механических неисправностей и их степени, могут быть проанализированы и предоставят информацию о некоторых электрических проблемах и проблемах ротора, которые зависят от нагрузки на двигатель.
Минимальные требования к нагрузке электродвигателей для обнаружения неисправностей в роторе.
Требуется рабочее знание тестируемой системы.

Инфракрасный анализ предоставляет информацию о разнице температур между объектами.
Неисправности обнаруживаются и отслеживаются в зависимости от степени повреждения.
Отлично подходит для обнаружения ослабленных соединений и других электрических неисправностей с некоторой возможностью обнаружения механических неисправностей.
Показания будут меняться в зависимости от нагрузки.
Требуется рабочее знание тестируемой системы.

Ультразвуковые приборы измеряют шумы низкой и высокой частоты.
Обнаруживают различные электрические и механические проблемы на поздних стадиях неисправности.
Показания будут меняться в зависимости от нагрузки.
Требуется рабочее знание тестируемой системы.

Измерения напряжения и тока дадут ограниченную информацию о состоянии системы двигателя.
Показания будут меняться в зависимости от нагрузки.

Анализ сигнатуры тока двигателя (MCSA) использует электродвигатель в качестве преобразователя для обнаружения электрических и механических неисправностей в значительной части системы двигателя.
Обычно MCSA используется в качестве теста “идет/не идет”, но имеет некоторые возможности для определения трендов, но обычно обнаруживает только повреждения обмоток и механические проблемы на поздних стадиях.
Чувствителен к изменениям нагрузки, и показания будут меняться в зависимости от нагрузки.
Требуется информация с заводской таблички, а многие системы требуют указания количества стержней ротора, пазов статора и ручного ввода рабочей скорости.

 

Основные компоненты и способы отказа

Некоторые из основных проблем, связанных с различными компонентами системы электродвигателя, будут рассмотрены для того, чтобы дать представление о типах неисправностей и технологиях, используемых для их обнаружения.
В качестве общего обзора здесь могут быть рассмотрены не все виды неисправностей, с которыми Вы можете столкнуться.

 

Входящая мощность Начиная с входящей мощности в нагрузку, первой областью, которую необходимо рассмотреть, является входящей мощности и системы распределения.
Первой проблемой является качество электроэнергии, затем трансформаторы.

Проблемы качества электроэнергии, связанные с системами электродвигателей, включают:

• Гармоники напряжения и тока: Напряжение ограничено 5% THD (Total Harmonic Distortion), а ток – 3% THD.
  Гармоники тока несут в себе наибольший потенциал вреда для системы электродвигателя.
• Условия повышенного и пониженного напряжения: Электродвигатели рассчитаны на работу при напряжении, не превышающем +/- 10% от паспортного.
• Дисбаланс напряжения: Это разница между фазами.
  Соотношение между дисбалансом напряжения и тока варьируется от нескольких раз до многократного увеличения дисбаланса тока по отношению к дисбалансу напряжения в зависимости от конструкции двигателя (может достигать 20 раз).
• Коэффициент мощности: Чем ниже коэффициент мощности от единицы, тем больше тока должна потреблять система для выполнения работы.
  К признакам плохого коэффициента мощности также относится приглушение света при запуске тяжелого оборудования.
• Перегруженная система: В зависимости от возможностей трансформатора, кабелей и двигателя.
  Обнаруживается с помощью измерений тока, как правило, а также тепла.

 

Основными инструментами, используемыми для обнаружения проблем с поступающей электроэнергией, являются измерители качества электроэнергии, MCSA и измерители напряжения и тока.
Знание состояния качества электроэнергии может помочь выявить множество “фантомных” проблем.

Трансформаторы – один из первых критических компонентов системы электродвигателя.
В целом, с трансформаторами возникает меньше проблем, чем с другими компонентами системы.
Однако каждый трансформатор обычно обслуживает несколько систем, как в электродвигателе, так и в других системах.

К числу распространенных проблем с трансформаторами относятся (маслонаполненные или сухие трансформаторы):

• Замыкание изоляции на землю.
• Закороченные обмотки.
• Ослабленные соединения и,
• Электрическая вибрация/механическое ослабление

 

Испытательное оборудование, используемое для контроля состояния трансформаторов (в рамках выбора приборов в этой статье), включает:

• MCA для поиска заземлений, свободных/сломанных соединений и коротких замыканий
• MCSA для качества электроэнергии и неисправностей на поздних стадиях
• Инфракрасный анализ на предмет ослабленных соединений
• Ультразвук для выявления неплотностей и серьезных дефектов
• Тестеры изоляции для определения замыканий изоляции на землю.

 

MCC, контроллеры и разъединители

Устройство управления двигателем или разъединитель обеспечивает решение некоторых основных проблем в системах с электродвигателями.
Наиболее распространенными как для систем низкого, так и среднего напряжения являются:

• Ослабленные соединения
• Плохие контакты, включая изъяны, повреждения, подгорание или износ
• Плохая катушка стартера на контакторе
• Плохие конденсаторы для коррекции коэффициента мощности, что обычно приводит к значительному дисбалансу тока.

 

Методы тестирования для оценки систем управления включают инфракрасные, ультразвуковые, вольт/амперметры, омметры и визуальный осмотр.
MCA, MCSA и инфракрасное излучение обеспечивают наиболее точные системы для обнаружения неисправностей и отслеживания тенденций.

 

Кабели – до и после управления

Проблемы с кабелями редко принимаются во внимание и, как следствие, являются одними из самых больших головных болей.
К распространенным проблемам с кабелями относятся:

• Термическое разрушение из-за перегрузок или возраста
• Загрязнение, которое может быть еще более серьезным в кабелях, проходящих под землей через кабелепровод
• Могут возникать фазовые замыкания, а также замыкания на землю.
  Они могут быть вызваны “древоточцами” или физическими повреждениями.
• Открывается из-за физических повреждений или по другим причинам.
• Физические повреждения часто являются проблемой в сочетании с другими проблемами кабеля.

Тестирование и определение тенденций выполняются с помощью MCA, инфракрасного излучения, тестирования изоляции и MCSA.  Резюме по питанию двигателя На стороне питания двигателя проблемы можно разделить следующим образом:

• Плохой коэффициент мощности – 39%
• Плохие соединения – 36%
• Неразмерные проводники – 10%
• Дисбаланс напряжения – 7%
• Условия пониженного или повышенного напряжения – 8%

Наиболее распространенное оборудование, которое охватывает эти области, включает MCA, инфракрасное оборудование и MCSA.

 

Электрические двигатели

Электродвигатели включают в себя механические и электрические компоненты.
Фактически, электродвигатель – это преобразователь электрической энергии в механический крутящий момент.

Основные механические проблемы:

• Подшипники – общий износ, неправильное применение, нагрузка или загрязнение.
• Плохой или изношенный вал или корпус подшипника
• Общий механический дисбаланс и резонанс

 

Анализ вибрации – основной метод обнаружения механических проблем в электродвигателях.
MCSA обнаружит механические проблемы на поздних стадиях, так же как и инфракрасный и ультразвуковой анализ.

Основные проблемы с электричеством:

• Замыкание обмотки между проводниками или катушками
• Загрязнение обмотки
• Замыкание изоляции на землю
• Неисправности воздушного зазора, включая эксцентриковые роторы
• Неисправности ротора, включая пустоты в отливке и сломанные стержни ротора.

 

MCA обнаружит все неисправности на ранней стадии разработки.
MCSA обнаружит неисправности статора на поздних стадиях и ротора на ранних.
Вибрация выявит неисправности на поздних стадиях, изоляция на землю – только неисправности на земле, которые составляют менее 1% неисправностей системы двигателя, тестирование перенапряжения – только неглубокие замыкания обмоток, а все остальные тесты – только неисправности на поздних стадиях.

 

Сцепление (прямое и ременное) Муфта между двигателем и нагрузкой создает возможности для возникновения проблем, связанных с износом и применением.

• Перекос ремня или прямого привода
• Износ ремня или вставки
• Проблемы с натяжением ремня встречаются чаще, чем многие думают, и обычно приводят к поломке подшипника
• Износ шкива

Наиболее точной системой для обнаружения неисправностей муфты является анализ вибрации.
MCSA и инфракрасный анализ обычно выявляют серьезные или поздние неисправности.

 

Нагрузка (Вентиляторы, насосы, компрессоры, редукторы и т.д.)

Нагрузка может иметь множество типов неисправностей в зависимости от типа нагрузки.
Наиболее распространенными являются изношенные детали, сломанные компоненты и подшипники.

Приборы для тестирования, способные обнаружить проблемы с нагрузкой, включают MCSA, вибрацию, инфракрасный анализ и ультразвук.

 

Общие подходы к мультитехнологиям

Существует несколько общепринятых в промышленности подходов, а также несколько новых (см. Таблицу 3).
Лучшие используют комбинацию испытаний под напряжением и без него.
Важно отметить, что испытания под напряжением обычно лучше проводить в условиях постоянной нагрузки и каждый раз в одних и тех же рабочих условиях.

Одним из наиболее распространенных подходов является использование сопротивления изоляции и/или индекса поляризации.
Они позволяют выявить только замыкание изоляции на землю как в двигателе, так и в кабеле, что составляет менее 1% от общего числа неисправностей системы электродвигателя (~5% неисправностей двигателя).

Инфракрасное излучение и вибрация обычно используются в сочетании друг с другом с большим успехом.
Однако они пропускают несколько распространенных проблем или обнаруживают их только на поздних стадиях поломки.

Тестирование на перенапряжение и тестирование на высокий потенциал выявит только некоторые повреждения обмоток и замыкания изоляции на землю, но при этом может вывести двигатель из строя, если имеется загрязнение или слабость изоляции.

MCA и MCSA поддерживают друг друга и обнаруживают практически все проблемы в системе двигателя.
Для такой точности необходимы системы MCA, использующие сопротивление, импеданс, фазовый угол, I/F и изоляцию от земли, и системы MCSA, включающие демодуляцию напряжения и тока.

Новейший и наиболее эффективный подход – это вибрация, инфракрасное излучение и MCA и/или MCSA.
Сильной стороной этого подхода является сочетание электрических и механических дисциплин, участвующих в оценке и устранении неисправностей.
Как показано в исследовании “Диагностика двигателя и его здоровье”, 3 38% испытаний систем двигателя, включающих только вибрацию и/или инфракрасное излучение, приносят значительную прибыль 3 Диагностика двигателей и инвестиции.
Это число возросло до 100% в системах, использующих комбинацию MCA/MCSA вместе с вибрацией и/или инфракрасным излучением.

В одном случае при комбинированном применении инфракрасного излучения и вибрации окупаемость инвестиций составила 30 тысяч долларов.
Когда компания добавила MCA в свой арсенал инструментов, окупаемость инвестиций увеличилась до $307 000, что в десять раз больше, чем при использовании комбинации инструментов.

 

Возможности применения

Существует три общие возможности для тестирования систем электродвигателей.
К ним относятся:

• Ввод в эксплуатацию компонентов или всей системы при ее установке или ремонте.
  Это может обеспечить очень быструю окупаемость задействованных технологий и поможет Вам избежать катастроф, связанных с детской смертностью.
• Устранение неполадок в системе с применением нескольких технологий поможет Вам выявить проблемы гораздо быстрее и с большей уверенностью.
• Отслеживание результатов тестирования для обеспечения надежности системы, опять же с помощью правильного применения нескольких технологий.
  Используя такие тесты, как MCA, вибрация и инфракрасное излучение, можно отслеживать потенциальные неисправности в течение длительного времени, обнаруживая многие неисправности за несколько месяцев до их возникновения.

 

Заключение

В этой статье представлен краткий обзор того, как несколько технологий работают вместе, чтобы обеспечить хорошее представление о системе электродвигателя.
Поняв и применив этот подход, Вы получите фантастическую отдачу от своей программы технического обслуживания.

 

 

Об авторе

Д-р Говард В. Пенроуз, доктор философии, получил степень доктора философии в области общей инженерии, специализируясь на совершенствовании процессов в промышленных системах, анализе потоков отходов и энергии, а также надежности оборудования.
Он имеет 15-летний опыт работы в сфере производства электродвигателей и сервисного обслуживания, возглавляя инициативы по PdM и анализу корневых причин в самых разных коммерческих и промышленных предприятиях.

Таблица 1: Сравнение технологий диагностики систем двигателя

PQ

Cntrl

Conn

Кабель

Статор

Ротор

Воздух Зазор

Brgs

Ins

Vibe

Выровняйте

Загрузить

VFD

Off-Line тестирование

Высокий Потенциальный Тестирование

–

–

–

–

–

–

–

–

X

–

–

–

–

Тест на всплеск напряжения

–

–

–

–

X

–

–

–

–

–

–

–

–

Изоляция Тестер

–

–

–

–

–

–

–

–

X

–

–

–

–

Измеритель Ом

–

–

L

–

L

–

–

–

–

–

–

–

–

Тестирование PI

–

–

–

–

–

–

–

–

X

–

–

–

–

Тест MCA

–

X

X

X

X

X

X

–

X

–

–

–

–

On-Line тестирование

Вибрация Анализ

–

–

–

–

L

L

L

X

–

X

X

X

–

Инфракрасный

X

X

X

L

L

–

–

L

–

–

L

L

–

Ультразвук

–

L

–

–

L

–

–

X

–

–

–

L

–

Вольт/Ампер

L

L

L

–

L

L

–

–

–

–

–

–

–

MCSA

X

X

L

–

L

X

X

L

–

X

X

X

L

 

Таблица 2: Соображения по управлению

Метод тестирования	Оценка Ценообразование	Не Разрушающий	Требуется Опыт работы	Выделенный Персонал	В комплекте Программное обеспечение	Другие Приложения
Off-Line Test
Высокий потенциал	$10,000 +	Потенциально Разрушительный	Высокий	Рекомендуем	Нет	Нет
Тест на всплеск напряжения	$25,000 +	Потенциально Разрушительный	Высокий	Рекомендуем	Некоторые	Нет
Изоляция Тестер	$1,000 +	(NDT) Неразрушающий	Некоторые	Нет	Нет	Да
Измеритель Ом	$500 +	(NDT)	Некоторые	Нет	Нет	Да
PI Tester	$2,500 +	(NDT)	Средний	Нет	Некоторые	Нет
MCA	$1,000/ $9,000 +	(NDT)	Некоторые	Нет	Да	Да
Тест On-Line
Вибрация	$10,000 +	(NDT)	Высокий	Рекомендуем	Да	Да
Инфракрасный	$10,000 +	(NDT)	Высокий	Рекомендуем	Да	Да
Ультразвук	$10,000 +	(NDT)	Высокий	Рекомендуем	Некоторые	Да
Вольт/Ампер	$500 +	(NDT)	Некоторые	Нет	Нет	Да
MCSA	$16,000 +	(NDT)	Высокий	Рекомендуем	Да	Да

 

Таблица 3: Общие подходы

PQ

Cntrl

Conn

Кабель

Статор

Ротор

Воздух Зазор

Brgs

Ins

Vibe

Выровняйте

Загрузить

VFD

Сопротивление изоляции и PI

–

–

–

L

–

–

–

–

X

–

–

–

–

Инфракрасное излучение и вибрация

L

X

X

L

L

L

L

X

–

X

X

X

–

Всплеск и высокая температура

–

–

–

–

X

–

–

–

X

–

–

–

–

MCA и MCSA

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

MCA и Инфракрасный / Vibe

L

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

L

 

Таблица 4: Дополнительные соображения

Метод тестирования	Где Вы можете проводить испытания
Тестирование высокого потенциала	На двигателе – Требуется отключение
Тест на перенапряжение	На двигателе – Требуется отключение
Тестер изоляции	От MCC
Измеритель Ом	На двигателе – Требуется отсоединение
Тестирование PI	На двигателе – рекомендуется отключение
Тест MCA	От MCC
Анализ вибрации	В каждом протестированном месте
Инфракрасный	В каждом протестированном месте
Ультразвук	В каждом протестированном месте
Вольт/ампер	От MCC
MCSA	От MCC