Виброакустическая диагностика технического состояния энергетического оборудования
Виброакустическая диагностика один из методов неразрушающего контроля, позволяющий определять степень изношенности энергетического оборудования с выявлением дефектов.
Диагностика энергооборудования
Рассмотрим подход к определению коэффициента недоброкачественного преобразования энергии, имеющий непосредственное отношение к надежности привода и прогнозирующих его срок эксплуатации в разных режимах работы электрической машины методом анализа экспериментальных данных в программном пакете MathCAD на основе измерительно-диагностического комплекса. Полученные показатели некачественного преобразования энергии расширяют возможности выявления всевозможных потенциальных дефектов в ходе эксплуатации, предремонтного обслуживания или ремонта.
В настоящее время все отчетливее проявляются различия между системами управления и контролем сложного энергетического оборудования, с одной стороны, и промышленными системами их диагностики, с другой стороны. Современные промышленные системы мониторинга и диагностики машин и энергетического оборудования основываются на базе неразрушающих методов контроля и технического диагностирования. При мониторинге оборудования появляется дополнительная информация о тенденциях различных изменений параметров во времени, которые могут использоваться для прогнозирования. Диагностические системы контроля строятся с учетом необходимости получения наибольшего объема информации, содержащейся в сигналах вибрации и шума. Именно поэтому для промышленных систем диагностики широко используются новейшие информационные технологии, часто основанные на более сложных методах измерения и анализа сигналов.
Целью исследования является анализ экспериментальных данных в пакете MathCAD для определения коэффициентов, влияющих на надежность, и прогнозирование срока эксплуатации электрической машины. В практике эксплуатации сложных электромеханических систем наиболее актуальной является проблема обеспечения надежности их работы, неразрывно связанная с контролем параметров технического состояния функционирующих механизмов, т.е. с проблемой технической диагностики. Большой объем информации дает диагностирование, а именно, идентификация места, вида и величины дефекта. Наиболее сложна задача прогноза развития дефекта, а не изменений контролируемых параметров, решение которой позволяет определить остаточный ресурс или прогнозируемый интервал безаварийной работы. Для сбора данных необходимых для анализа используется измерительный прибор - дефектоскоп. Для определения информативности коэффициентов некачественности преобразования энергии проведено математическое моделирование работы АД в различных режимах при помощи математической модели.
Рассмотрим влияние различного рода некачественностей на основные показатели преобразования: гармонический состав тока, мгновенную потребляемую мощность, электромагнитный момент и тепловую загрузку фаз двигателя. При амплитудной не симметрии питающего напряжения и несимметрии активных сопротивлений статорной цепи процессы, происходящие в электрической машине, достаточно сходны как по математическому описанию, так и по физическому проявлению. При указанных видах некачественностей токи в фазах несимметричны и несинусоидальны. В результате, несимметричная система токов создает МДС прямой и обратной последовательности. Каждая МДС создает свой магнитный поток, которые приводят к появлению электромагнитных полей, вращение которых направлено в противоположные стороны. Взаимодействие магнитных потоков и токов ротора прямой и обратной последовательностей создает два момента, вращение которых направлено в противоположные стороны.
В гармоническом составе тока присутствует третья гармоника, величина которой зависит от степени несимметрии и составляет не более 10 % амплитуды первой гармоники в исследуемом диапазоне. Кривые потребляемой мощности и развиваемого момента содержат, кроме постоянной составляющей, вторую и, в меньшей степени, четвертую гармоники. Причем, амплитуда второй гармоники по величине может быть соразмерна амплитуде постоянной составляющей (в зависимости от величины несимметрии).
Исследования произведены при увеличении величины Х1 фазы А на 60%. Данный случай соответствует конструктивной некачественности электрической машины, возникшей вследствие локальных механических дефектов стали статора (распушение листов, межлистовые замыкания), приводящих к увеличению вихревых токов. Кроме того, представлены результаты исследования несимметрии геометрических параметров машины (как следствие прогиба вала, неравномерности воздушного зазора и т. п.), при этом изменению подвергся параметр Х1, являющийся функцией угла поворота ротора двигателя.
Диапазон исследования – ±5% от номинального значения. Возникновение в электрической машине данного рода изменений режима преобразования энергии приводит к появлению высших гармоник в токах статора, кривых потребляемой мощности и развиваемого момента. Необходимо отметить, что при несимметрии Х1 в токе проявляется третья гармоника, амплитуда, которой, в моделируемом диапазоне, составляет до 7% первой гармоники. В гармоническом составе потребляемой мощности и электромагнитного момента присутствует, кроме постоянной составляющей, вторая и, в меньшей степени, четвертая гармоники.
При несимметрии токи статора имеют более сложный гармонический состав, причем самыми значимыми по амплитуде являются первая и третья гармоники. Кривые мгновенной потребляемой мощности и развиваемого момента также имеют сложный гармонический состав, наиболее весомыми являются нулевая (постоянная составляющая) и вторая гармоники. Необходимо учитывать, что система «электрическая машина – питающая сеть» неидеальна и в ней всегда, в той или иной степени, присутствуют некачественности как со стороны сети, так и со стороны двигателя. При наличии конструктивной несимметрии параметров АД или некачественностей напряжения питающей сети происходит перераспределение тепловых потерь в фазах, в результате чего некоторые из фаз оказываются значительно перегруженными в тепловом отношении, что значительно снижает срок службы изоляции обмоток, приводит к повторным ремонтам электрической машины. Кроме того, ухудшение вибрационных характеристик двигателя приводит к усилению механических воздействий на подшипниковую группу, что является причиной ее разрушения.
Последствия взаимодействия различного вида некачественностей приводит к усложнению процесса преобразования энергии в электрической машине и снижению его эффективности. Технология ремонта подразумевает термические и механические воздействия на электрическую машину, что приводит к изменению конструктивных параметров и, соответственно, процесса преобразования энергии в ней. В свою очередь машина, имеющая некачественности, оказывает негативное влияние на питающую сеть и ухудшает качество электроэнергии, что отражается на других потребителях энергии. Требуется глубокая проработка вопросов послеремонтных испытаний и последующей эксплуатации промышленного оборудования, связанных с разработкой и внедрением новых подходов в определении эффективности преобразования энергии, прогнозировании срока службы некачественной машины и управлении процессом преобразования энергии в ней. Необходимым является создание систем управления электроприводом с комплексным подходом к задачам улучшения энергетических показателей электрических машин путем использования особенностей преобразования энергии в электрических машинах.
Результаты моделирования показали, что все виды приобретенных в результате ремонта двигателя некачественностей и некачественности питающей энергии приводят к снижению эффективности преобразования энергии в электрической машине. В результате, как правило, появляются знакопеременные составляющие потребляемой мощности и электромагнитного момента, что негативно влияет на вибрационные характеристики машины, снижает ресурс подшипников. Сформулированные показатели некачественности преобразования энергии расширяют возможности выявления потенциальных (скрытых) дефектов, приобретенных в ходе эксплуатации, предремонтного обслуживания или непосредственно ремонта.
