Диагностика электрических двигателей добычи, транспорта и

Диагностика электрических двигателей добычи, транспорта и переработки нефти.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение........................................................ 4

Диагностика электрических двигателей добычи, транспорта и

переработки нефти...................................... 8

1.1. Классификация средств диагностирования............................ 7

1.2. Технические требования к средствам диагностирования.... 11

1.3. Методы диагностирования электрооборудования.............. 13

1.4 Применение методов прогнозирования технического состояния при эксплуатации электрооборудования............... 20

1.5. Структура автоматизированной системы контроля технического состояния электрооборудования...................................... 22

Библиографический список........................ 27

 


Введение

 

Эффективность и надежность функционирования электротехнического оборудования электростанций, подстанций, промышленных предприятий, электрических сетей и систем (в дальнейшем объектов энергетики) зависит от его технического состояния. Современное электротехническое оборудование, имеет достаточно высокие расчетные показатели надежности. Однако в процессе эксплуатации под действием внешних условий и режимов работы исходное состояние оборудования непрерывно ухудшается, снижается эксплуатационная надежность и увеличивается опасность возникновения отказов. Надежность электрооборудования зависит не только от качества изготовления, но и от научно обоснованной эксплуатации, правильного технического обслуживания и своевременного ремонта. В основе процесса эксплуатации электрооборудования лежат последовательные во времени смены состояний работы, резерва, ремонта, технического обслуживания, хранения и т. п.

В настоящее время в электроэнергетике для ведения производственной эксплуатации и поддержания технического состояния оборудования в соответствии с требованиями нормативно-технической документации применяют систему планово-предупредительного ремонта (ППР) [1,2]. Основным технико-экономическим критерием системы ППР служит минимум простоев оборудования на основе жесткой регламентации ремонтных циклов. В соответствии с этим критерием периодичность и объем работ по техническому обслуживанию и ремонту определяются заранее установленными для всех видов оборудования типовыми нормативами. Такой подход предупреждает прогрессирующий износ оборудования и уменьшает внезапность выхода его из строя. Система ППР дает возможность подготовить управляемую и прогнозируемую на длительный период ремонтную программу: по видам ремонтов, типам оборудования, электростанциям и отрасли в целом. Постоянство ремонтных циклов позволяет осуществлять долгосрочное планирование выработки энергии, а также прогнозировать материальные, финансовые и трудовые ресурсы, необходимые капитальные вложения в развитие производственной базы энергоремонта. Это упрощает планирование профилактических мероприятий, позволяет осуществить предварительную подготовку ремонтных работ, выполнять их в минимальные сроки, повышает качество ремонта и, в конечном итоге увеличивает надежность энергоснабжения потребителей. Таким образом, система ППР предназначена для поддержания надежной эксплуатации энергетического оборудования в условиях жесткого централизованного планирования и управления, стабильной загрузки генерирующих мощностей при минимальном их резерве.

Однако система ППР в новых экономических условиях не обеспечивает во многих случаях принятие оптимальных решений. Это объясняется тем, что назначение профилактических работ осуществляется регламентно и не зависит от фактического состояния электрооборудования к моменту начала ремонта; планы-графики профилактических работ не устанавливают приоритета вывода в ремонт различных видов электрооборудования; при составлении планов-графиков не учитывается ряд ограничений (технологических, материальных, временных, трудовых), а также не предусматривается их оптимизация с позиции рационального управления состояниями процесса эксплуатации и более полного расходования ресурса каждой единицы электрооборудования. Кроме того, система ППР имеет большую трудоемкость профилактических работ. Пропорционально росту количества электрооборудования увеличивается и общая трудоемкость профилактических работ, что требует значительного увеличения численности ремонтного персонала. При проведении профилактических работ через полученные статистическим путем усредненные периоды, даже при наличии поправочных коэффициентов на условия и режимы эксплуатации, без точного определения технического состояния нельзя гарантировать, что в межремонтный период не будут возникать отказы электрооборудования. На отдельных энергообъектах число отказов в течение года достигает нескольких десятков, а годовой недоотпуск электроэнергии – несколько миллиардов киловатт-часов. Суммарное количество электрооборудования одновременно простаивающего в аварийном ремонте составляет несколько тысяч единиц, при суммарной выведенной мощности десятки миллионов киловатт. При этом большинству отказов предшествует тот или иной вид накопленных повреждений, а фактическое время работы электрооборудования, находящегося в структуре ремонтных циклов, как правило, не учитывается. При такой высокой аварийности, проблема обеспечения надежности электрооборудования в процессе эксплуатации становится первоочередной задачей.

Основными причинами выхода электродвигателя из строя служат:

А) Несимметрия электрических цепей ротора

Обрыв стержня ротора или повышение электрического сопротивления в месте его соединения с короткозамыкающим кольцом занимают второе место после подшипников среди причин, приводящих к отказу асинхронных электродвигателей. Обрыв стержня и вызванный им локальный нагрев ротора в месте дефекта может привести к его деформации и появлению теплового дисбаланса (нередко ошибочно проводят постоянную подбалансировку ротора, не разбираясь в действительной природе дефекта), при этом изменение его линейных размеров вызывает избыточную осевую нагрузку на подшипники и преждевременный их выход из строя. Поскольку через стержни соседние с поврежденным течет ток превышающий номинальный, подвергая их дополнительным механическим и тепловым нагрузкам, то ускоренный их выход из строя неизбежен. Если вовремя не принять меры, то в результате этого процесса возможна остаточная тепловая деформация ротора и его выбраковка. Дефект проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных сил (вторая сетевая— 100 Гц) с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов. При этом пик боковой полосы на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте.

Витковые замыкания в обмотках роторов синхронных электродвигателей и генераторов вызывают вибрацию на тех же частотах, но без боковых полос, т.к. отсутствует скольжение ротора в электромагнитном зазоре. Часто на опорах с момента пуска и до стабилизации теплового режима наблюдается постоянный рост вибрации на частоте вращения ротора, т.к. витковые замыкания из-за локального нагрева и прогиба ротора вызывают тепловой дисбаланс.

 

Б) Несимметрия электрических цепей статора

Короткие замыкания или обрывы в обмотках статора приводят к появлению пульсирующего крутящего момента. В спектре вибрации проявляется в возрастании уровня вибрации на частоте электромагнитных сил, как в радиальном, так и осевом направлении. Кроме того, появляются составляющие на зубцовой частоте (количество стержней ротора, умноженное на частоту вращения). Это может приводить к локальному нагреву корпуса статора и вызвать его деформацию, что в свою очередь ведет к перекосу ротора относительно статора и неравномерности воздушного зазора.

 

В) Магнитная несимметрия

Эксцентриситет статора (неравномерный воздушный зазор) чаще всего является следствием не качественного монтажа подшипниковых опор, неплоскостности опорных поверхностей фундамента или тепловых деформаций в агрегате и фундаменте. Проявляется в возрастании уровня вибрации на частоте электромагнитных сил и на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре (частота сети, деленная на количество пар полюсов).

Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительнооси его вращения проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных сил с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту равную частоте скольжения ротора, умноженную на число полюсов. При этом пик боковой полосы на меньшей частоте равен «зеркальному» пику на большей частоте.

Осевое смещение ротора относительно статора приводит к тому, что осевые силы, стремясь вернуть ротор в нейтральное положение, вызывают значительную осевую вибрацию на частоте питающей сети или частоте вращения ротора в зависимости от типа трения в препятствии к осевому смещению. Большинство подшипников не предназначены для компенсации осевых усилий и поэтому быстро выходят из строя.

Ослабление прессовки пакета стали ротора, ведет к увеличению вибрации на частоте действия электромагнитных сил и появлению зубцовой частоты с боковыми полосами, сдвинутыми друг относительно друга на частоту действия электромагнитных сил.

Контроль технического состояния электродвигателей должен проводиться при нагрузке не менее 70% от номинальной, т.к. при контроле на холостом ходу, возможно, выявить только некоторую часть проблем. Основным признаком того, что диагностируемый дефект имеет электромагнитную причину, является мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключения электродвигателя от сети.

Своевременное определение и устранение дефектов электромагнитной системы электродвигателей возможно только с применением анализаторов спектра вибрации с высокой разрешающей способностью. Это необходимо для четкого разделения в спектре— частоты вращения поля в зазоре и частоты питающей сети от частоты вращения ротора, частоты электромагнитных сил от гармоник частоты вращения ротора, частоты скольжения ротора и боковых полос.

В настоящее время двигатели переменного тока являются крупнейшими потребителями электрической энергии. Согласно последним исследованиям, они потребляют свыше 80% вырабатываемой электроэнергии. Однако в процессе эксплуатации могут возникать повреждения элементов двигателя, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу его из строя.

Многочисленные исследования характера повреждений двигателей переменного тока позволили получить следующие статистические данные:

· Повреждения элементов статора - 38%

· Повреждения элементов ротора - 10%

· Повреждения элементов подшипников - 40%

· Другие повреждения - 12%

Во многих производствах внезапный выход из строя двигателя может привести к непоправимым последствиям. Кроме того, эксплуатация находящихся в неудовлетворительном техническом состоянии электродвигателей приводит как к прямым финансовым потерям, связанным с непрогнозируемым выходом из строя оборудования и вызванным этим нарушением технологического процесса, так и к значительным (до 5-7%) косвенным непродуктивным затратам электроэнергии, обусловленным повышенным электропотреблением (при той же полезной мощности). Поэтому возникает необходимость диагностики состояния двигателя в процессе его работы.

В настоящий момент существуют 3 основных метода диагностирования электродвигателей:

- Вибродиагностика электрических двигателей

- Диагностика электродвигателей на основе временных и спектральных характеристик фазных токов и напряжений

- Диагностика электрических машин на основе измерения полей рассеяния

 

1. Диагностика электрических двигателей добычи, транспорта и переработки нефти.

 

1.1. Определение технического состояния насосно-компрессорного оборудования по значениям параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем

электропривода.

На предприятиях нефтегазовой отрасли доля насосно-компрессорного оборудования составляет порядка 35 % всего производственного оборудования, и, соответственно, уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется техническим состоянием насосно-компрессорного оборудования.

Ввиду высокой опасности обращающихся в технологических циклах предприятий нефтегазовой отрасли веществ отказ насосно-компрессорного оборудования может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождающихся существенным экономическим и экологическим ущербом.

Подавляющая часть насосно-компрессорного оборудования предприятий нефтегазовой отрасли имеет электрический привод. Отличительной особенностью насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом является то, что безотказность этого оборудования определяется безотказностью совокупности элементов механической части и электрического привода. Система электропривода содержит два канала силовой и информационный. По первому каналу транспортируется преобразуемая энергия, по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей [1, 4].

В реальных электрических машинах в воздушном зазоре наряду с основной гармоникой присутствует бесконечное число гармоник магнитного потока. Эти гармоники имеют частоты выше и ниже основной, но принято называть их высшими гармониками. Высшие гармоники делятся на временные и пространственные. Временные гармоники, которые попали в воздушный зазор машины со стороны выводов машины. Пространственные гармоники, появившиеся из-за конструктивных особенностей и нелинейности параметров машинного агрегата [2, 3].

Если рассматривать электрическую машину как шестиполюсник, то можно считать, что временные гармоники попадают в воздушный зазор со стороны электрической сети, со стороны вала механического вывода, а также со стороны теплового вывода.

В установившемся режиме основной источник высших временных гармоник несинусоидальное напряжение на выводах электрической машины. Если к двухфазному идеализированному двигателю подведено несинусоидальное симметричное напряжение, то индукция в воздушном зазоре повторит форму приложенного напряжения. В воздушном зазоре вращающееся поле будет содержать наряду с первой гармоникой еще и высшие гармоники. Таким образом, зная форму подведенного к выводу машины напряжения, можно определить гармонический состав магнитного потока в воздушном зазоре.

Второй источник временных гармоник в воздушном зазоре вал механический выход машины. При нелинейном изменении момента нагрузки или частоты вращения в воздушном зазоре появляются высшие гармоники. Если мощность двигателя соизмерима с мощностью сети, к которой он подключен, то высшие гармоники от ударных моментов могут из зазора «выйти» на электрический вывод и исказить напряжение сети. Со стороны механического вывода высшие гармоники в воздушном зазоре могут появиться при нелинейном изменении момента нагрузки и частоты вращения.

Высшие временные гармоники могут «прийти» в воздушный зазор и с теплового вывода. При нелинейном изменении температуры среды, окружающей электрическую машину, в воздушном зазоре появляются высшие гармоники, и магнитное поле искажается. Наибольшие амплитуды высших гармоник имеют место при тепловых ударах.

Пространственные гармоники оказывают значительное влияние на процессы преобразования энергии в электрической машине. Пространственные гармоники в воздушном зазоре машины появляются из-за особенностей конструкции машинного агрегата. Значительное влияние на состав пространственных гармоник оказывают неисправности подшипников, повреждения рабочего колеса, эксцентриситет расточки статора и ротора, конусность и эллипсность ротора, несоосность статора и ротора, дефекты обмоток статора и ротора, дисбаланс ротора и вала насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом и др.

Рассмотрим физические процессы, обусловленные возникновением неисправностей насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом [5, 6].

Известно, что в симметричной трехфазной обмотке статора электрической машины генерируются гармоники порядка

= 6k ±1 (1),

где k = 0, 1, 2, 3,...

Магнитодвижущая сила (МДС) каждой отдельной фазы обмотки статора представляет собой сумму неподвижных в пространстве и пульсирующих во времени всех гармонических составляющих. Результирующая МДС машины для каждой гармонической составляющей в отдельности является суммой соответствующих всех трех фаз.

При возникновении электрических неисправностей (ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов обмоток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания) нарушаются электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и ротора, и, как следствие этого, определенным образом нарушается симметрия МДС третьей гармоники в фазных обмотках. В этих случаях МДС третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему, и их сумма не равняется нулю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая МДС с частотой 3f1 (f1 частота сети), индуктирующая в обмотке статора ЭДС с частотой 3f1, а в обмотке ротора с частотой 3f1s

(2)

(3)

где Е v=3 (ст) ЭДС третьей гармоники обмотки статора, В; Е v=3 (рот) ЭДС третьей гармоники обмотки ротора, В; w1 число витков обмотки статора; w2 число витков обмотки ротора; К об v=3 обмоточный коэффициент; s скольжение; f1 частота сети, Гц; Ф v=3 магнитный поток третьей гармоники, Вб.

Возникновение межвитковых и межфазных замыканий в фазных обмотках приводит к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники и к увеличению ЭДС третьей гармоники обмотки статора и ротора.

Несимметричная система токов обмотки ротора с частотой f2 = f1s (при дисбалансе, при повреждениях подшипников и т.д.) может быть разложена на составляющие прямой и обратной последовательностей. При этом ток прямой последовательности создает поле, которое вращается в сторону вращения ротора синхронно с полем статора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, обратную вращению ротора с частотой вращения n2 = n1s относительно ротора. Частота вращения обратного поля относительно статора складывается из частот вращения ротора относительно статора n и данного поля относительно ротора n2

n3 = n + n2 = n1(1 s) n1s = n1(1 2s). (4)

Такое представление может быть распространено и на высшие гармоники в фазных величинах. Так как магнитный поток v-ro порядка гармоник МДС статора вращается с частотой

(5)

то частота тока, индуктированного в роторе этим потоком,

f2v = f1[1 ± (1 s)]. (6)

Магнитный поток v-го порядка гармоник МДС ротора вращается относительно ротора с частотой

(7)

Частота вращения магнитного потока гармоник ротора в пространстве

(8)

Обратное поле ротора индуктирует в обмотке статора ЭДС с частотой (1 2s)f1, вызывающие в ней токи такой же частоты.

По отношению к обратновращающемуся полю машина может рассматриваться как обращенный асинхронный двигатель, питаемый со стороны ротора. Таким образом, в статорной обмотке протекают токи, вызванные напряжением сети, и токи, вызванные напряжением, индуктированным обратным полем ротора. Так как частоты этих токов отличаются друг от друга незначительно, в результате сложения их магнитных полей возникает пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих. При механических повреждениях (дисбаланс, повреждения подшипников) пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих увеличивается.

Таким образом, состояние механической части насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом может быть оценено по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений прямой и обратной последовательностей, а состояние электрической части по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений нулевой последовательности.

Анализ характера изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, позволяет выявить и идентифицировать повреждения элементов электрической и механической части насосно-компрессорного оборудования.

 

 

1.2. Методология вибродиагностирования зарождающихся и

развитых дефектов.

 

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что внедрение средств диагностирования является одним из важнейших факторов повышения экономической эффективности использования оборудования в промышленности. Назначение диагностики — выявление и предупреждение отказов и неисправностей, поддержание эксплуатационных показателей в установленных пределах, прогнозирование состояния в целях полного использования доремонтного и межремонтного ресурса.

Практически мгновенная реакция вибросигнала на изменение состояния оборудования является незаменимым качеством в аварийных ситуациях, когда определяющим фактором является скорость постановки диагноза и принятия решения.

Вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования позволяют:

•уточнить причины дефекта и условия его возникновения и развития, оценить влияющие факторы;

•вовремя устранить дефект или увеличить среднюю наработку парка на проявление дефекта (отказа);

•снизить интенсивность проявления дефекта (отказа) при наиболее ответственных режимах работы и эксплуатации машины;

•улучшить организацию работ по разработке и внедрению мероприятий, направленных на устранение дефекта;

•оценить эффективность мероприятий, направленных на устранение дефекта, и выбрать для внедрения наиболее эффективные;

•получить чисто экономический эффект благодаря снижению затрат на внедрение мероприятий, предотвращающих дефект или устраняющих неисправность, и затрат производства на изготовление деталей;

•оценить возможный эффект от разработанных и внедренных мероприятий на ранней стадии, что очень важно, так как полное проявление действия этих мероприятий зависит от наработки изделия после их внедрения.

Назначение виброакустической диагностики.

Вибродиагностика, являясь разделом технической диагностики, есть отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов распознавания технических состояний машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.

Основным физическим носителем информации о состоянии элементов работающего оборудования в вибродиагностике является виброакустический сигнал — собирательное понятие, включающее информацию о колебательных процессах (вибрационных, гидро — или газодинамических и пр.) и акустическом шуме механизма в окружающей среде. Следовательно вибродиагностированию может подвергаться любое оборудование, функционирование которого сопровождается возбуждением колебательных процессов. В данной книге рассматриваются в основном проблемы диагностирования дефектов узлов роторных машин и механизмов (в дальнейшем агрегатов). Всякое отклонение параметров функционирования оборудования от нормы приводит к изменению характера взаимодействия его элементов и к изменению сопровождающих взаимодействия виброакустических процессов.

 

Возможные состояния оборудования.

Различают следующие состояния оборудования:

•исправности - состояния, при котором исследуемый агрегат соответствует всем требованиям, установленным нормативно — технической документацией;

•работоспособности — состояния, при котором исследуемый агрегат способен выполнять заданные функции в пределах, установленных нормативно -технической документацией; проверку работоспособности исследуемого агрегата осуществляют при выводе из монтажа или ремонта и на стадии эксплуатации, она может быть менее полной, чем проверка исправности, т. е. может оставлять необнаруженные неисправности, не препятствующие применению его по назначению;

•правильности функционирования — состояния исследуемого агрегата, при котором он выполняет в текущий момент времени предписанные ему алгоритмы функционирования; проверка правильности менее полна, чем проверка работоспособности, так как она позволяет убедиться лишь в том, что исследуемый агрегат правильно функционирует в данном режиме работы в данный момент времени;

•предельного (аварийного) — состояния исследуемого агрегата (отказа), при котором его дальнейшая эксплуатация невозможна вследствие ухода его параметров за недопустимые пределы.

Совокупность технических параметров оборудования, характеризующих возможное отклонение функционирования оборудования от нормального, определяет состояние оборудования в текущий момент времени (диагноз). Поиск неисправностей — одна из важнейших задач диагностики состояния оборудования.

Множество возможных состояний оборудования вследствие непрерывности их изменения во времени бесконечно. Их можно разделить по крайней мере на два подмножества:

•работоспособные состояния, позволяющие оборудованию выполнять возложенные на него функции;

•состояния, соответствующие возникновению в оборудовании неисправностей, приводящих к потере им работоспособности, или предельные аварийные состояния (отказ оборудования).

Эффективность процессов постановки диагноза определяется не только качеством алгоритма диагностирования, но и, в не меньшей мере, средств диагностирования. Эффективная организация системы сбора и обработки информации, увеличивающая достоверность диагностирования, уменьшающая влияние субъективных факторов, затраты времени, труда и средств, должна определяться Регламентом предприятия.

Существуют два вида систем диагностирования: тестовая функциональная. Тестовое диагностирование заключается в подаче на механизм специально организуемых тестовых воздействий. Функциональное диагностирование в качестве входных воздействий использует рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования механизма. Настоящая книга затрагивает второй подход, поскольку специфика эксплуатации оборудования, с одной стороны, и взаимодействия деталей и узлов механизмов, с другой, не всегда позволяют заменить естественные воздействия искусственно сформированными.

Особенность методов диагностирования дефектов, особенно на ранней стадии развития, заключается в использовании разнообразных приемов повышения чувствительности компонентов вибросигнала к изменению технического состояния механизма, поскольку на стадии зарождения дефектов во многих случаях помеха значительно превышает уровень полезного сигнала, содержащего информацию об изменении технического состояния.

 

Задачи вибродиагностики.

Итак, вибродиагностическими методами решаются две основные задачи диагностики эксплуатируемых агрегатов: распознавание состояния эксплуатируемого агрегата и выявление причин и условий, вызывающих неисправности, которые следует устранить.

В теоретическом плане задача вибродиагностики при мониторинге парка агрегатов и выявлений изделий с потенциально ненадежными деталями может рассматриваться применительно к эксплуатации сложных систем по фактическому техническому состоянию как часть задачи управления случайным процессом повреждаемости на основе косвенной информации о процессе. При этом управление процессом или наблюдение за ним во многих случаях начинается не с начала эксплуатации агрегата, а по событию — проявлению неисправности, и проводится зачастую в условиях неполноты и неопределенности информации.

Косвенность информации заключается в том, что для определения состояния деталей используют вибрационные сигналы, прошедшие через динамическую систему и преображенные ею. Неполнота информации обусловлена технической невозможностью получить все необходимые сведения, неопределенность — неточностями постановки задачи и описания диагностируемых состояний, влиянием помех.

Как говорилось ранее, роль диагностики в управлении процессом заключается в установлении границ и условий, в которых допускается или происходит протекание процесса, обнаружении и прогнозе выхода параметров процесса за установленные границы.

Разнообразие дефектов, обнаруживаемых методами вибрационной диагностики, и сложность сигналов, порождаемых неисправностями и колебаниями деталей агрегатов, заставляет при выявлении и измерении диагностических параметров проводить разнообразную обработку сигналов:

•разделение вибрационного сигнала в частотно — фазовой и временной областях на "элементарные" сигналы, т. е. на компоненты, обусловленные различными факторами, каждый из которых является самостоятельным источником, вызывающим колебания;

•пространственное разделение вибрационных сигналов;

•восстановление форм выделенных "элементарных" сигналов;

•линейные и нелинейные преобразования сигналов (фильтрацию, нормализацию, интегрирование, дифференцирование и т. д.);

•измерение отдельных параметров и статистических характеристик сигналов;

•измерение характеристик взаимосвязи сигналов.

Выбор способа обработки сигнала и соответствующей структурной схемы измерительного канала определяется постановкой диагностической задачи, особенностями исследуемого и выделяемого сигналов, особенностями конструкции обследуемого оборудования и прочими факторами.

Успех решения задач вибродиагностики при эксплуатации парка оборудования во многом зависит от контролепригодности конкретных агрегатов.

 

Требования к диагностическим признакам.

Вибродиагностика оборудования есть не что иное, как распознавание классов технических состояний агрегата по совокупности его вибрационных характеристик. Эта проблема может быть решена как методами статистической теории распознавания при наличии большого объема информации, так и детерминистскими методами, более кратко описывающими наиболее существенные стороны явления.

Распознавание состояний оборудования — это отнесение предъявленного к опознанию виброакустического образа к одному из возможных классов (диагнозов) с помощью специально построенного решающего правила. Для успешного решения этой задачи должна быть набрана статистика соответствия диагностических признаков классам технических состояний. Исходя из изложенного выше, задачу диагностирования можно рассматривать как двойственную задачу: с одной стороны, задачу построения характеристики класса состояний, которому принадлежит совокупный виброакустический образ, и, с другой стороны, задачу принятия решения о принадлежности к одному из классов состояний испытуемого виброакустического образа. Решение такой задачи обеспечивается правильным выбором ряда структурных параметров (диагностических признаков), в частности параметров вибрации.

Рациональный выбор диагностических признаков, т. е. соответствующим образом представленных характеристик колебательных процессов, чувствительных к изменению технического состояния машин и механизмов, в значительной мере определяет успех диагностирования. Казалось бы, чем больше число признаков, тем полнее они характеризуют объект диагностирования и тем надежнее распознавание. Но это справедливо лишь в том случае, когда признаки независимы. Очевидно, что наиболее полезными признаками являются те, которые инвариантны (нечувствительны) к изменению внутри класса и резко меняются при переходе от одного класса к другому. Каждый из признаков, характеризующих состояние механизма, при измерении может получать случайные значения как в результате погрешностей измерения, так и в результате разброса параметров состояний, принадлежащих одному классу.

 

1.3. Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального

анализа потребляемого тока.

В последнее время получили развитие методы диагностики состояния электрических машин, основанные на выполнении мониторинга потребляемого тока с последующим выполнением специального спектрального анализа полученного сигнала, что позволяет с высокой степенью достоверности определять состояние различных элементов двигателя.

Кроме того, проведение мониторинга тока электродвигателя может быть выполнено как непосредственно на нем, так и в электрощите питания (управления).

Физический принцип, положенный в основу данного метода диагностики электродвигателей, заключается в том, что любые возмущения в работе электрической и/или механической части электродвигателя и связанного с ним устройства приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины и, следовательно, к слабой модуляции потребляемого электродвигателем тока.

Таким образом, наличие в спектре тока двигателя характерных (и не совпадающих) частот определенной величины свидетельствует о наличии повреждений электрической и/или механической части электродвигателя и связанного с ним механического устройства.

Остановимся более подробно на возможностях рассматриваемого метода диагностики с точки зрения обнаружения различных видов повреждений и характерных для них частот:

-Повреждения ротора двигателя (обрыв стержней, ослабление крепления стержней к контактным кольцам, скрытые дефекта литья).

-Несоосность валов двигателя и механической нагрузки

-Дефекты ременной передачи вентилятора

-Межвитковые замыкания обмоток статора

-Повреждения подшипников (необходимы данные о подшипниках электродвигателя и механического устройства);

-Повышенный эксцентриситет ротора (статический и/или динамический);

-Ослабление элементов крепления электродвигателя;

-Дефекты механической части связанных с электродвигателем устройств.

 

1.4. Эксплуатация электрических двигателей

Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей указывают, что на электродвигателях и при­водимых ими механизмах требуется нанесение стрелки на­правления вращения механизма и электродвигателя, а на пускорегулирующих устройствах — отметки о положения «пуск» и «стоп». При кнопочном включении и отключении электрооборудования и механизмов кнопки включения должны быть заглублены на 3—5 мм в крышку пусковой коробки. Выключатели, контакторы, магнитные пускатели, рубильники, пускорегулирующие устройства и предохранители должны иметь надписи, указывающие, к какому электродвигателю они относятся. Продуваемые электродвигатели установленные в запыленных помещениях, должны иметь подвод охлаждающего воздуха извне или из смежных помещений с заслонкой для прекращения подачи воздуха после остановки электродвигателя. Выводы статорной и ро­торной обмоток и кабельные воронки, а также вращающи­еся части машин — шкивы, муфты, вентиляторы, открытые части валов должны быть ограждены во время работы машин; электродвигатели с принудительной смазкой под­шипников снабжаются блокировкой, отключающей электро­двигатель при прекращении подачи смазки; аппараты управления должны располагаться как можно ближе к электродвигателю в удобных для обслуживания местах.

Перед пуском электродвигателя главного привода круп­ных агрегатов, электродвигателей, работающих в схеме технологической взаимосвязанной цепочки или управляе­мых с разных мест, должен подаваться предупреждающий звуковой сигнал, а когда электрооборудование и его пуско­вая аппаратура расположены в разных помещениях, пуск их производится только после получения ответного звуко­вого или светового сигнала о готовности к включению от лица, ответственного за эксплуатацию данного механизма или комплекса механизмов; электродвигатели, длительное время находящиеся в резерве, должны быть постоянно го­товы к немедленному пуску, для чего их следует периоди­чески осматривать и опробовать по графику, утвержденно­му лицом, ответственным за электрохозяйство. Необходимо вести постоянный надзор за нагрузкой электродвигателей и температурой их подшипников, входящего и выходящего воздуха у электродвигателей с замкнутой системой венти­ляции. ПТЭ также предусматривают аварийное отключение электродвигателя от сети при несчастном случае (или угро­зе его) с человеком; появлении дыма или огня из электродвигателя или его пускорегулирующей аппаратуры; вибрации сверх допустимых норм, угрожающей целости самого электродвигателя; поломке приводного механизма; нагре­ве подшипника сверх допустимой температуры; значительном снижении частоты вращения, сопровождающемся быст­рым нагревом электродвигателя. В местной инструкции могут быть указаны и другие случаи, при которых электро­двигатель должен быть аварийно остановлен.

Во время эксплуатации электродвигателей необходимо вести общее наблюдение за ними; при этом необходимо периодически контролировать режим работы, исправное состояние наружных болтовых соединений электродвигателей, нагрев, состояние контактов и следить за чистотой электродвигателя (удаление с доступных частей масла, влаги пыли). Перегружать электродвигатели недопустимо В электродвигателях с повышенным скольжением, нагрузка должна соответствовать указанной на табличке для принятой продолжительности включения (ПВ). Периодичность технических осмотров устанавливает­ся в зависимости от производственных условий, но не реже 1 раза в 2 мес. При технических осмотрах надо произво­дить чистку электродвигателей от загрязнений, проверять состояние контактных колец и щеток у электродвигателей с фазным ротором, надежность заземления и соединения электродвигателей с приводными механизмами. Периодич­ность профилактических ремонтов устанавливается в зави­симости от производственных условий, но не реже 1 раза в год. При профилактических ремонтах должна произво­диться разборка электродвигателя, внутренняя чистка его; замена смазки подшипников, измерение сопротивления изо­ляции обмоток от корпуса. При обнаружении понижения сопротивления изоляции обмотки статора необходимо не­медленно принять меры к ее восстановлению в соответствии с ПТЭ. После сборки электродвигателя производят пробный пуск, во время которого убеждаются в отсутствии стуков и вибраций, задевания вентилятора о ко­жух. Смена смазки в подшипниках при нормальных усло­виях эксплуатации должна производиться через 4000 ч работы, но не реже 1 раза в год. При работе электродви­гателя в пыльной или влажной среде смена смазки в под­шипниках должна производиться чаще, в зависимости от местных условий. Перед заполнением свежей смазкой под­шипники должны быть тщательно промыты бензином.

При заполнении подшипниковых камер смазкой 50 % ее объема следует закладывать непосредственно в подшип­ник, а остальное в крышки подшипника. Заполнение смаз­кой подшипниковых камер сверх нормативных количеств, недопустимо, так как превышение объема закладываемой смазки может вызвать перегрев подшипников, а также выброссмазки на лобовые части обмотки. При смене смазки в электродвигателях защищенного исполне­ния необходимо снять крышку подшипника, промыть под­шипник, заложить свежую порцию смазки, вновь устано­вить крышку в прежнее положение и закрепить ее болтами. В электродвигателях закрытого обдуваемого исполнения подшипник, расположенный со стороны вентилятора, менее доступен для наружного осмотра. Для замены смазки в этом подшипнике следует снять защитный кожух вентиля­тора и наружный вентилятор, а затем крышку подшипника. Для смены смазки в подшипнике, расположенном со сто­роны контактных колец, необходимо: снять кожух контактных колец, вынуть щетки из обойм щеткодержателей, снять кожух вентилятора вместе с комплектом щеткодержателей, осла­бить крепление вентилятора и защитной шайбы на валу, повернув на два-три оборота крепящий болт вентилятора и установочный винт защитной шайбы, сдвинуть вентиля­тор и защитную шайбу в сторону контактных колец, отвер­нуть болты подшипниковой крышки и сдвинуть ее на валу в сторону вентилятора, промыть подшипник и подшипни­ковую крышку бензином и заложить смазку. При промывке и заполнении смазкой контактные кольца следует предох­ранять от повреждений и загрязнений, завернув их в бумагу.

 

1.4. Профилактические испытания электрических двигателей.

Объем и нормы испытаний.

 

Вводимые в эксплуатацию двигатели переменного тока необходимо подвергать приемосдаточным испытаниям, согласно ПУЭ, в следующем объеме:

1. Определение возможности включения электродвигателей на­пряжением выше 1000 В без сушки.

2. Измерение сопротивления изоляции: а) обмотки статора элек­тродвигателя напряжением до 1000 В мегомметром на напряжение 1000 В (R60 должно быть не менее 0,5 МОм при 10—30 °С); б) обмотки ротора электродвигателей с фазовым ротором мегомметром на напря­жение 500 В (сопротивление изоляции должно быть не менее 0,2 МОм); в) термодетекторов мегомметром на напряжение 250 В (сопротивление изоляции не нормируется); г)подшипников синхронных электродви­гателей напряжением выше 1000 В (сопротивление изоляции не нор­мируется).

Сопротивление изоляции обмоток электродвигателей напряже­нием выше 1000 В не нормируется.

3. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты.

4. Измерение сопротивления постоянному току: а) обмоток статора и ротора электродвигателей мощностью 300 кВт и более (разница между измеренными сопротивлениями обмоток различных фаз или меж­ду измеренными и заводскими данными допускается не более 2 %);

б) у реостатов и пускорегулировочных сопротивлений измеряется об­щее сопротивление и проверяется целость отпаек. Разница между из­меренным сопротивлением и паспортными данными допускается не бо­лее 10 %.

5. Измерение зазоров между сталью ротора и статора. Разница между воздушными зазорами в диаметрально противоположных точках или точках, сдвинутых относительно оси ротора на 90°, и средним воз­душным зазором допускается не более 10 %.

6. Измерение зазоров в подшипниках скольжения.

7. Измерение вибрации подшипников электродвигателя.

8. Измерение разбега ротора в осевом направлении для электро­двигателей, имеющих подшипники скольжения (допустимо значение разбега 2—4 мм).

9. Испытание воздухоохладителя гидравлическим давлением 0,2— 0,25 МПа (2—2,5 кгс/см2). Продолжительность испытания 10 мин.

10. Проверка работы электродвигателя на холостом ходу или с не­нагруженным механизмом. Значение тока холостого хода электродви­гателя не нормируется. Продолжительность проверки не менее 1 ч.

11. Проверка работы электродвигателя под нагрузкой. Произво­дится при мощности, потребляемой электродвигателем из сети, обеспе­чиваемой технологическим оборудованием к моменту сдачи в эксплуата­цию. При этом для электродвигателей с регулируемой частотой враще­ния определяются пределы регулирования.

Электродвигатели напряжением до 1000 В испытываются по пп. 2, 4б, 10, 11; напряжением выше 1000 В — по пп. 1—4, 7, 9—11. Элек­тродвигатели, поступающие на монтаж в разобранном виде, испытыва­ются по пп. 5, 6, 8 дополнительно.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Баширов М.Г., Шикунов В.Н. Диагностика электрических сетей и электрооборудования промышленных предприятий: учеб. пособие для вузов. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. 220 с.

2. Таран В.П. Диагностирование электрооборудования. – К.: Техника, 1983. – 200 с.

3. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. - М.: Энергоатомиздат, 1991. – 160 с.

4. Михлин В.М., Сельцер А.М., Маренич А.Я. Методические указания по

прогнозированию технического состояния машин. М.: Колос, 1972. – 216 с.

5. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: Наука, 1984 300 с.

6. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. – М.1996 196 с.

7. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока. – Центр электротехнической безопасности, статья, 2005, 20 с.

8. Соколов Р.И. Эксплуатация и ремонт крупных вертикальных электродвигателей – М: Энергоатомиздат, 1988, 289 с.

9. Баширов М.Г., Сайфутдинов Д.М. Обеспечение безопасности эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом электромагнитными методами диагностики [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело: сетевой журн. URL: http://www.ogbus.ru/authors/bashirov/bash_1.pdf

10. Богданов Е.А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2006. 279 с.