Detekce a diagnostika poruch částí točivých elektrických strojů a ložiskových proudů

Bylo by výhodné, kdyby se signály získané detekčními metodami uvedenými v tomto návodu daly využít k rozlišení různých poruch. Tímto způsobem lze výsledky analýzy signálů použít jako vstupní data kompletního monitorovacího systému.
Záměrem tohoto návodu je představit možné nástroje, které jsou pro daný účel využitelné a vysvětlit jejich výhody a nevýhody. Budou probrány minimální požadavky, které mají být u různých snímačů splněny, přičemž detailní konstrukční pravidla přesahují předmět této technické specifikace. Tento článek se zabývá detekcí poruch aktivních částí vícefázových točivých strojů (veškeré druhy poruch vinutí statoru a rotoru, vady klece, excentricity) a ložiskových proudů.

Základ diagnostiky

Schopnost elektrických strojů vykonávat svoji funkci je založena na existenci magnetického pole ve vzduchové mezeře, které vytváří uzavřenou smyčku v ploše příčného řezu plechů statoru a rotoru. Složky magnetického toku v koncových částech stroje vně jader mají nežádoucí charakter. Proto se dostupné signály, které jsou vhodné pro detekci možných poruch, odvozují se od magnetického pole ve vzduchové mezeře. Toto pole se musí analyzovat za účelem rozlišení mezi těmi složkami, které se vyskytují při obvyklých provozních podmínkách, a mezi složkami, které jsou přisuzovány určitým poruchám, a které neexistují ve zdravém stroji.
Jelikož se vinutí, budící magnetické pole, skládá z cívek symetricky rozložených po obvodu, a protože součet napájecích proudů je obvykle nulový, vytváří pole ve vzduchové mezeře také periodickou funkci podél obvodu. Mnu hustoty magnetického toku lze považovat za superpozici součtu sinusové rozložených vln, které jsou charakterizovány těmito vlastnostmi:

• amplituda,
• počet pólpárů,
• úhlová rychlost,
• fázový úhel,
• typ vlny (rotující nebo stojatá).

Tabulka 1 uvádí složení pole ve vzduchové mezeře v případě trojfázového asynchronního motoru opatřeného souměrným vinutím. Tabulku lze snadno rozšířit tak, aby platila i pro zlomkové vinutí. Obdobné tabulky mohou být vypracovány pro kroužkové motory a pro všechny druhy synchronních strojů.

Druhy analýzy elektrických signálů

Hodnotná detekční metoda musí být schopna detekovat poruchy v ranném stádiu. Proto jsou pro zamýšlený účel optimální signály, které v případě malých vad vykazují rychlou změnu. Naopak signály, které se mění jen nepatrné, se jako základ diagnostiky nemají používat.
Zpracování signálu vyžaduje dostupnost příslušného elektronického zařízení. I když je rozlišovací schopnost moderních zařízení vysoká, je třeba dávat v této souvislosti přednost signálům, které nepotřebují příliš vysokou přesnost.

Analýza statorových proudů/napětí

Analýza svorkových napětí nebo proudů točivých strojů umožňuje zjišťování:

• rozdílných kmitočtů;
• sousledné, zpětné a nulové složky;
• různých amplitud složek.

Všechny indukční vlny v magnetickém poli ve vzduchové mezeře mohou obecně indukovat ve statorovém vinutí napětí o určitém kmitočtu a mohou způsobovat proudy o totožném kmitočtu. Přídavné složky proudů, které jsou vytvářeny určitou poruchou, se v průběhu bezporuchového provozu superponují na hodnoty napájecích proudů. Veškeré detaily se musí brát z příslušné tabulky, což u trojfázového asynchronního motoru s klecí nakrátko znamená tabulku 1.
Tabulka 1 je vytvořena pro jeden napájecí kmitočet U. U stroje napájeného z měniče však tabulka 1 platí pro každou složku napětí/kmitočtu, která je obsažena ve výstupním spektru měniče.
Tabulka 1 ukazuje složky magnetického pole ve vzduchové mezeře. Jestli určitá složka vyvolá napětí ve vinutí statoru, závisí na jeho činiteli vinutí pro uvažovaný počet pólpárů.
Činitel vinutí je výsledkem těchto parametrů:

• činitel rozlohy vinutí;
• činitel kroku;
• činitel rozvětvení.

Činitel rozvětvení není obecně mezi inženýry znám, ale pro uvažovaný problém má zásadní význam. Každé symetrické souměrné trojfázové vinutí se skládá z „p" (u jednovrstvového vinutí) nebo „2p" (u dvouvrstvového vinutí) totožných skupin cívek (větví), které jsou rozloženy symetricky po obvodu. Mohou být spojeny sériově nebo ve formě paralelních větví s maximálním počtem a = 2p. Metoda zapojení značně ovlivňuje činitel rozvětvení určitého počtu pólpárů.
Lze prokázat, že činitel rozvětvení je nulový pro oblast excentricity v=p+1av=p-1 pro všechna vinutí se skupinami cívek spojenými do série. Proto tedy nelze u takových strojů detekovat oba typy excentricity pomocí analýzy statorových proudů.
Činitel rozvětvení harmonických polí podle položek 1 až 4 tabulky 1 závisí také na jednotlivém uspořádání a kromě toho na počtu rotorových drážek. Konstrukce daného případu je zvolena výrobcem stroje z rozdílných důvodů (např. k potlačení nevyváženého magnetického tahu, pro vyvarování se nepříjemným zvukům magnetického charakteru, atd.) a není uživateli známa. Proto se nedoporučuje používat harmonická rotorová pole u položek 3 a 4 jako signál pro analýzu statorových proudů.
Skupina poruch vinutí v položce 3 označuje nejvážnější vady aktivních částí. Všechny vybuzují magnetická pole o základním kmitočtu. Závady vinutí proto nelze detekovat pomocí kmitočtové analýzy statorových proudů.
Vlny magnetického pole, které byly vybuzeny závadami vinutí, mají eliptický charakter, což znamená superpozici dvou zpětných točivých vln při stejném počtu pólů a stejném kmitočtu, ovšem s rozdílnými amplitudami. V zásadě lze takové poruchy detekovat zkoumáním zpětné proudové složky o základním kmitočtu.
Zvláště v případě nanejvýš nebezpečných poruch, mezizávitových poruch vysokonapěťového stroje, kdy velké proudy protékají pouze jednou z mnoha větví na fázi, je tato složka velmi malá. Zpětná proudová složka může být také způsobena nevyhnutelnou nepatrnou nesouměrností napájecích napětí (zpětná napěťová složka má za následek zpětnou proudovou složku, která je 6 až 10krát větší). Ve výsledku se nedoporučuje detekovat závady vinutí prostřednictvím analýzy napětí/proudů.
Spolehlivá detekce nedokonalostí klece nebo poškození (např. přerušených tyčí nebo kruhů nakrátko) je možná při použití analýzy statorových proudů.
Další nevýhodu analýzy statorových proudů nelze opomenout. Statistiky pojišťovacích společností dokazují, že většina závad vinutí nastává během přechodných jevů, jako např. při spouštění motoru, zkratech na svorkách, atd., které způsobují vysoký nárazový proud. V průběhu výskytu přechodových jevů není možné detekovat poruchy pomocí analýzy proudů.

Indukovaná napětí pomocných závitů uložených ve statorových drážkách nebo jiné magnetické senzory pro měření magnetického toku ve vzduchové mezeře

Během provozu zdravého stroje při ustáleném a přechodném stavu by měl mít ideální diagnostický signál nulovou hodnotu. Zvětšoval by se v závislosti na počtu vad pro všechny poruchy podle položek 3 až 5 v tabulce 1 a pomocí něho by bylo možné rozlišovat mezi poruchami. Jsou vyvíjena řešení, která se optimálnímu stavu blíží.
Tato řešení jsou založena na závitech vytvořených izolovaným kabelem, jehož průměr lze zvolit pouze při uvažování mechanických aspektů. Obě cívkové strany jsou založeny ve statorových drážkách hlavního vinutí, obvykle během výroby stroje mezi horní vrstvu vinutí a drážkový klín. Možná je i montáž v pozdějším stádiu. Čelní spojení jsou vedena poblíž konce jádra.
Použitím jiných typů magnetických senzoru namísto měřicích závitů lze případně dosáhnout stejné představy o magnetickém poli v určitých místech ve vrtání statoru.
Obvykle je několik závitů se stejným krokem spojeno do série a posunuto vůči sobě o předem daný úhel. Konečným cílem je získat soustavu pomocných měřicích cívek, pro níž je výsledný činitel vinutí roven nule pro všechna pole ve vzduchové mezeře, která existují při běžném nerušeném provozu. Pro tuto soustavu je činitel vinutí maximální u pole s určitým počtem pólpárů, o kterém se uvažuje, že bude použito jako referenční pole diagnostiky.
Pokud se shledá, že soustava pomocných cívek splňuje výše uvedenou podmínku pro referenční pole, které patří mezi pole vybuzená všemi poruchami podle položek 3 až 5, mohla by soustava cívek být kompletní. Zbývá však jeden problém: Pole, která jsou vybuzena závadou vinutí podle položky 3 v tabulce 1, mají eliptický charakter. Pokud se jedno z nich zvolí za referenční pole, mohlo by se indukované napětí soustavy cívek měnit s místem výskytu poruchy na obvodu. Taková situace je ovšem nepřípustná.
Problém lze eliminovat použitím druhé totožné soustavy cívek, která je posunuta proti první soustavě o úhel π/(2v), přičemž v je počet pólpárů referenčního pole. Obě skupiny cívek pak tvoří symetrický dvoufázový systém, který umožňuje snadno vypočítat symetrické složky (SC) dvou měřených napětí. Tyto složky SC jsou nezávislé na místě výskytu poruchy.
Tento návod není vhodným prostorem pro podrobné vysvětlení konstrukčních pravidel pro soustavu cívek. Pouze se uvádí, že minimální počet závitů na soustavu cívek se obvykle mění mezi 6 a 12 v závislosti na údajích příslušného stroje a na požadavcích na citlivost diagnostiky.
Referenční pole se vybere z řady polí ve vzduchové mezeře, které jsou vybuzeny poruchovým stavem a za běžného provozu jsou nulové. Proto se amplituda referenčního pole během přechodového děje skoro nemění. Toto tvrzení je prokázáno zkouškami.
Závady vinutí jsou charakterizovány kritériem, že existují obě symetrické složky (sousledná a zpětná) a mají kmitočet sítě. Napětí v případě statické excentricity mají také kmitočet sítě, avšak zpětná složka Un je nulová. Dynamickou excentricitu lze od jiných poruchových stavů odlišit pomoci typických kmitočtů indukovaných napětí. Nesymetrie rotoru se vyznačují jinými typickými kmitočty; indukovaná napětí nabývají nulové hodnoty, když stroj běží při synchronních otáčkách (s = 0), protože pak zaniknou rotorové proudy odpovědné za referenční pole.
Lze učinit závěr, že profesionálně konstruovaná soustava pomocných cívek představuje užitečný nástroj pro detekci a diagnostiku poruch.
Pro úplnost je potřeba zmínit, že v technických článcích byly navrženy jiné typy měřicích cívek, které např. zahrnují pouze jeden zub statoru. Lze je použít pro zkoumání konkrétního jevu, ale nejsou vhodné pro vytváření kompletní diagnostiky, a proto nebyly zavedeny do inženýrské praxe.

Indukovaná napěti měřicích cívek snímajících axiální toky

Bylo navrženo použít buď toroidní cívky připevněné na přední straně stroje, nebo cívky obklopující hřídel stroje.
V obou případech je strojem vybuzený axiální tok určen pro využití při detekci poruch. Obecně vzato, nejsou takové přístupy užitečné z následujících důvodů.
Složky axiálního toku jsou vždy rušivé a nežádoucí, protože výkon stroje je založen na složkách toku, které vytváří uzavřený obvod v ploše příčného řezu plechů. Axiální tok je velmi malý z důvodu velkého magnetického odporu vzduchu. Axiální tok nelze předpovědět pomocí analytických metod.
Tok, který je vybuzen nejvýznamnějšími závadami vinutí, má základní kmitočet a velikost jeho axiální složky je nepředvídatelná.
Pouze pro případ excentricit u dvoupólových strojů přejde oblast excentricity s počtem pólpárů p - 11 na jednopólový tok, který lze úspěšně měřit pomocí prstencové cívky obklopující vrtání statoru a namontované na jednom konci jádra.
Až na tuto výjimku se použití měřicích cívek snímajících axiální toky nedoporučuje.

Analýza hřídelového napětí

Někteří autoři dokládají užitečnost měření hřídelového napětí pro detekci jakékoliv poruchy rozložení magnetického pole uvnitř stroje.
Hřídelová napětí jsou vybuzena magnetickým oběžným tokem, uzavírajícím se okolo hřídele. Tento oběžný tok je způsobený nepravidelnostmi jha statoru (např. stahovacími zářezy) a jejich rozložením podél obvodu u strojů napájených ze sítě. Oběžný tok je vybuzen pouze tehdy, když se integrál intenzity magnetického pole okolo obvodu odchyluje od nuly. Pole s počtem pólpárů p a 3p mají v tomto ohledu nejvýznamnější roli. Toto fyzikální pozadí ukazuje, že účinek závad vinutí na statorové napětí je zcela rušivý a příliš malý na to, aby byl používán jako citlivé detekční zařízení.
V případě napájení z měničů se může hřídelové napětí značně zvýšit následkem složek oběžného toku, které jsou způsobeny souhlasným napětím měniče. V důsledku toho nesouvisí složky hřídelového napětí s provozním rozložením toku stroje a jsou naprosto nevhodné pro zvažovaný účel.
Ve výsledku nelze poruchy aktivních části spolehlivě detekovat pomocí analýzy hřídelového napěti.

Detekce ložiskových proudů

Ložiskové proudy jsou vytvářeny dvěma zdroji:

• nepravidelnostmi „jha" statoru,
• souhlasnými proudy u motorů napájených z měničů.

Pokud „jho" obsahuje nepravidelnosti, jako například ventilační kanály, spojky, rybinové stahovací zářezy, atd., je jejich počet a rozložení podél obvodu rozhodující pro indukci hřídelových napěti, které mohou vést k ložiskovým proudům protékajícím oběma ložisky. Ložiskové proudy obvykle obsahují převážně základní kmitočet, a díky saturačním účinkům i superponovanou složku o trojnásobném základním kmitočtu. Dlouhodobé zkušenosti ukazují, že ložiska jsou ohrožena tehdy, když efektivní hodnota hřídelového napětí přesáhne 200 mV až 250 mV. V tomto případě je na odpovědnosti výrobce, aby zabránil ložiskovým proudům pomocí izolace ložiska na nepoháněné straně (NDE). Běžných je několik druhů izolace.
Když je ložisko na nepoháněné straně řádně izolované, není obvykle nutné žádné další ochranné opatření. Pokud však nelze vyloučit přemostění izolace mimovolnými opatřeními, doporučuje se monitorovat napětí napřič izolací.
Pokud je točivý stroj napájený z měniče s přivedeným stejnosměrným napětím v meziobvodu, vytváří souhlasné napětí (nulová složka) měniče přídavný zdroj ložiskových proudů. V závislosti na detailech uspořádání mohou tyto proudy procházet pouze jedním ložiskem (EDM (elektrojiskrové obrábění)) a zemní proudy mohou téci zpět do měniče přes uzemňovací soustavu) nebo protékat přes obě ložiska, když jsou způsobeny kapacitními proudy mezi vinutím a plechy.
Souhlasné proudy lze měřit, ale pokud mohou téci různými cestami od rámu stroje do země, nelze je považovat za znamení rizika. Je na odpovědnosti konstruktéra/dodavatele, aby rozhodl, zda je izolace jednoho ložiska dostatečným preventivním opatřením, nebo jestli musí být izolována obě ložiska.
Při výběru izolace ložiska se musí brát v úvahu, že kmitočet souhlasných proudů leží v pásmu kHz, a že analýza průrazů EDM zahrnuje mnohem vyšší hodnoty. Kapacitní proudy nelze potlačit tenkým izolačním filmem v řádu stovek mikrometrů.
V případě použití uzemňovacího kartáče, lze analyzovat proud protékající tímto kartáčem, aby se zjistil původ proudu.
Průraz izolace ložiska nebo výboj skrze olejový film ložisek lze monitorovat pomocí měření napětí hřídele proti zemi a použitím snímacích kartáčů.
Pro zkušební účely lze na obou stranách izolace instalovat kolíky konektoru, aby se dalo změřit napětí napříč izolací nebo ložiskový proud když je izolace přemostěna páskem. Taková měření vyžadují použití příslušného přístrojového vybavení a kabeláže s ohledem na vysoké kmitočty. V současné době je monitorování těchto veličin výjimečné.

Literatura: ČSN CLC/TS 60034-24: Točivé elektrické stroje - Část 24: Online detekce a diagnostika možných poruch aktivních částí točivých elektrických strojů a ložiskových proudů.