Najważniejszym zadaniem dla służb utrzymania ruchu jest systematyczne podejście do zagadnień diagnostyki, w tym analizy pracy silników elektrycznych. Podstawowym parametrem, jaki powinien być regularnie monitorowany, jest napięcie fazowe prądu. Wszelkiego rodzaju odchyłki od wartości nominalnych będą wymagały przeprowadzenia głębszej diagnostyki, aż do znalezienia przyczyny źródłowej problemu. Tab. 1 pokazuje wpływ odchyleń napięcia zasilania od wartości znamionowej na poszczególne parametry pracy silnika elektrycznego, a poniższe równanie – definicję odchylenia napięcia:

        (1)

Kolejnym parametrem, jaki należy uwzględnić w podstawowej analizie silnika, jest natężenie prądu. W tym przypadku należy zwrócić szczególną uwagę na zawyżone wartości natężenia prądu, które mogą świadczyć np. o przeciążeniu silnika. Pomiaru prądu należy dokonywać dla wszystkich trzech faz. Niesymetria obciążenia faz może świadczyć o uszkodzeniu wewnętrznym silnika lub luźnych połączeniach. Podobnie ważnym parametrem jest rezystancja izolacji silnika. Pomiary rezystancji pozwalają na identyfikację wszelkich problemów związanych z przegrzaniem, nadmierną wilgotnością środowiska pracy, ze starzeniem, ale również z drganiami. Z punktu widzenia utrzymania ruchu ważne są szczególnie te ostatnie, gdyż potrafią w bardzo krótkim czasie zniszczyć układ napędowy. Z tego powodu konieczne są umiejętne diagnozowanie i wykrywanie drgań. Istnieje wiele metod pozwalających na zbieranie sygnałów drganiowych, ich analizę oraz interpretację. Można to czynić poprzez akwizycję wartości przemieszczenia lub akceleracji, ale również prądu. Służy do tego metoda MCSA.

MCSA (Motor Current Signature Analysis)

MCSA jest zbiorem metod umożliwiających przeprowadzanie analizy sygnału prądowego, która identyfikuje uszkodzenia silnika (analiza widmowa, transformata Parka). Co ciekawe – analiza ta pozwala na wykrycie w silniku nie tylko uszkodzeń elektrycznych (klatki, zwarcia, uszkodzenia izolacji), ale również defektów łożysk, braku osiowości lub nierównomiernego obciążenia. Rys. 1 prezentuje metodę MCSA pośród innych metod analizy prądowej. Ta forma diagnostyki umożliwia identyfikację wielu uszkodzeń za pomocą symptomów w sygnale prądowym.

Ekscentryczność

Rys. 2 pokazuje układ wirnika i stojana w trzech ustawieniach: koncentrycznym i dwóch typach ekscentryczności – statycznej i dynamicznej. W przypadku ekscentryczności statycznej odległość między statorem i rotorem maszyny nie jest identyczna w każdym punkcie, jednak nie zmienia się w czasie obrotu. W przypadku ekscentryczności dynamicznej w trakcie obrotu odległość ta ulega zmianie. Wynika to z ustawienia środka wirnika względem środka statora. W celu zidentyfikowania tego uszkodzenia należy szukać w widmie natężenia prądu prążków o częstotliwości wyrażonej wzorem:

      (2)

gdzie: ƒ_ec – częstotliwość ekscentryczności,
ƒ_g – częstotliwość zasilania, R – liczba prętów w klatce sinika, s – poślizg, p – liczba biegunów, n_d = ±1, n_ws= 1, 3, 5,…

Uszkodzony pręt klatki

Częstotliwość charakterystyczna uszkodzonego pręta klatki wyraża się wzorem:

        (3)

gdzie: ƒ_g – częstotliwość zasilania, k = 1, 2, 3, s – poślizg, p – liczba biegunów.

Zwarcie uzwojeń stojana

Częstotliwość charakterystyczna zwarcia uzwojeń stojana wyraża się wzorem:

       (4)

gdzie: ƒ_g – częstotliwość zasilania, s – poślizg,
k = 1, 2, 3, …, n = 1, 2, 3, …, p – liczba biegunów.

Nierównomierne obciążenie silnika

Częstotliwość charakterystyczna nierównomiernego obciążenia silnika wyraża się wzorem:

    (5)

gdzie: ƒ_g – częstotliwość zasilania, m = 1, 2, 3, …, f_r – częstotliwość obrotowa, s – poślizg, p – liczba biegunów.

Asymetria zasilania

Częstotliwość charakterystyczna nierównomiernego obciążenia silnika wyraża się wzorem:

     (6)

gdzie: ƒ_g – częstotliwość zasilania, k = 1, 2, 3, …, s – poślizg.

Widać, że wiele uszkodzeń układu napędowego może być zidentyfikowanych poprzez analizę prądu pobieranego przez silnik elektryczny.
Rys. 3 prezentuje przykładowe widmo prądu pobieranego przez silnik asynchroniczny z uszkodzeniami. Widmo wykonane zostało na podstawie sygnału natężenia prądu silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości. Widzimy, że częstotliwość podstawowa H1 nie jest dominująca, ponieważ widmo zostało wykonane po przekształceniu sygnału za pomocą wektora Parka (EPVA). Tego typu przekształcenie umożliwiło wyeksponowanie anomalii w sygnale prądowym. Na widmie widać wyraźnie częstotliwości charakterystyczne dla nierównomiernego obciążenia (H1, H2, H4 fload), a także częstotliwość niewyosiowania układu (fec). Zaznaczono również H23, czyli 23. harmoniczną częstotliwości podstawowej. Zgodnie ze standardem IEEE 519 amplituda harmonicznej numer 23 nie powinna przekraczać poziomu 0,6% amplitudy częstotliwości podstawowej. Jej wzmocnienie może być spowodowane przez wewnętrzny rezonans w układzie, jako że wyjście z falownika razem z silnikiem stanowią układ LC.

Analiza mechaniczna

W diagnostyce silników ważną rolę odgrywają również pomiary drgań. Stosując odpowiednie metody analizy sygnałów, można we wczesnym stadium wykryć uszkodzenia silnika, jak i elementów z nim współpracujących. Wykrycie uszkodzonych łożysk czy pękniętego pręta w klatce jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich narzędzi oraz metod analizy sygnałów. Przed przystąpieniem do pomiarów drgań wskazane jest zapoznanie się z kryteriami dopuszczalnymi wibracji dla danej maszyny. Dane takie powinny znajdować się w dokumentacji techniczno-ruchowej (DTR). W przypadku braku danych producenta należy wzorować się na normach. Jedną z najczęściej stosowanych jest norma PN-ISO 10816-1. Zawarte w niej kryteria są oparte na pomiarze średniej wartości skutecznej [RMS] prędkości drgań bezwzględnych łożysk, w zależności od mocy danej maszyny. Poziom całkowity drgań jest dokonywany w paśmie 10-1000 Hz. Kryterium pierwsze zajmuje się ustaleniem granicznych wielkości drgań z punktu widzenia dopuszczalnego dynamicznego obciążenia łożysk i dopuszczalnego przenoszenia drgań na konstrukcję wsporczą i fundament. Maksymalną wielkość drgań obserwowaną na każdym łożysku ocenia się w odniesieniu do czterech stref ustalonych na podstawie międzynarodowej wymiany doświadczeń:

• strefy A – do strefy tej zalicza się maszyny przekazane do eksploatacji;
• strefy B – maszyny, których drgania zaliczono do tej strefy, mogą pracować długotrwale bez ograniczeń;
• strefy C – maszyny, których drgania zaliczono do tej strefy, uważa się zwykle za nieprzydatne do długotrwałej ciągłej pracy; w tym stanie maszyna może zasadniczo pracować w ograniczonym okresie, aż będzie odpowiednia sposobność do podjęcia działań zapobiegawczych;
• strefy D – drgania w tej strefie uważa się zwykle za wystarczająco intensywne, aby spowodować uszkodzenie maszyny.

Kryterium drugie polega na monitorowaniu stanu drgań. Znaczne zmiany w stosunku do normalnej wielkości drgań należy badać, aby nie dopuścić do niebezpiecznych sytuacji. Norma przewiduje następujące klasy maszyn:

• klasę I – części składowe silników i maszyn połączone z kompletną maszyną w stanie jej normalnej pracy; moc maszyn: do 15 kW;
• klasę II – maszyny średniej wielkości o mocy od 15 kW do 75 kW bez specjalnych fundamentów lub o mocy od 15 kW do 300 kW przy mocowaniu sztywnym na specjalnych fundamentach;
• klasę III – duże maszyny z wirującymi masami, ustawione na sztywnych i ciężkich fundamentach;
• klasę IV – duże silniki napędowe lub inne maszyny z wirującymi masami, ustawione na fundamentach stosunkowo podatnych w kierunku pomiaru drgań (na przykład turbozespoły i turbiny gazowe o mocy wyjściowej ponad 10 MW).

Jednak sama ocena stanu na podstawie wartości RMS prędkości drgań często nie jest wystarczająca. Istnieje wiele metod pozwalających na dokładniejsze określenie stanu maszyny. Wiele z metod analizy sygnałów drganiowych jest ciągle rozwijanych i udoskonalanych. Ich użyteczność jest w dużej mierze zależna od elementu diagnozowanego. W przypadku łożysk tocznych szczególnie często używaną metodą jest transformata Fouriera. Pozwala ona na przejście sygnału z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości. Dziedzina częstotliwości pozwala na pokazanie amplitudy poszczególnych składowych o różnych częstotliwościach w ostatecznym sygnale. W ten sposób można określić, czy wartość w częstotliwości charakterystycznej danego uszkodzenia się nie zmienia, co może wskazywać na dane uszkodzenie.
Przykładem może być tutaj nadmierne zużycie elementu elastycznego w sprzęgle kłowym bezpośrednio współpracującym z silnikiem indukcyjnym. Układ ten jest elementem napędu głównego linii pras. Nadmierne zużycie elementu elastycznego spowodowało wystąpienie luzów kątowych w sprzęgle. Na rys. 4 przedstawiono widmo sygnału przed wymianą oraz po wymianie sprzęgła.
Jak można zauważyć istnieją niewielkie różnice wartości dla wybranych częstotliwości. Częstotliwość obrotowa wału wynosi 23 Hz. W przypadku użytego sprzęgła o 4 parach kłów najlepiej monitorować wartości będące wielokrotnością prędkości obrotowej oraz dzielników liczby kłów, czyli 46 Hz oraz 92 Hz. Jak można zauważyć, po naprawie wartość dla częstotliwości 46 Hz znacznie spadła. Ustalenie wartości progu ostrzegawczego oraz ciągłe monitorowanie tej wartości pozwolą w przyszłości na szybsze wykrycie nadmiernego zużycia sprzęgła, co może w znacznym stopniu zapobiec nieprzewidzianemu postojowi.
Bardzo ważnym elementem całego procesu diagnostyki jest odpowiednio wyszkolony oraz doświadczony personel. W normie ISO 18436-2 przedstawiono poszczególne poziomy doświadczenia diagnosty oraz zakres wiedzy, którą powinien posiadać. Dodatkowym, bardzo ważnym elementem wykształcenia zespołu diagnostów jest znajomość konkretnej maszyny, na której pracują. Tutaj bardzo istotna jest nie tylko znajomość samej specyfiki danego typu maszyn, ale konkretnego egzemplarza. Dodatkowym zadaniem związanym z pracą diagnosty jest umiejętność odpowiedniego zarządzania strategią przeglądów i napraw urządzeń. W wielu przypadkach w dokumentacji techniczno-ruchowej sprecyzowane są okresy, w jakich należy sprawdzać poszczególne punkty maszyny. Jednak często, mimo skrupulatnego sprawdzania, nie jesteśmy w stanie wychwycić niektórych uszkodzeń. Jest to głównie związane z tym, że dostęp do niektórych elementów maszyny może być znacznie utrudniony. Przykładem są łożyska. W wielu przypadkach, by sprawdzić stan konkretnego łożyska, konieczne jest zdementowanie znacznej części maszyny. Tutaj diagnosta zobowiązany jest przeprowadzić odpowiednie testy z wykorzystaniem odpowiednich przyrządów, jak np. wspomniane już czujniki przyspieszeń. Na podstawie określonych w DTR norm drganiowych czy doświadczenia związanego z użytkowaniem maszyny możliwe jest dokładne ustalenie stanu łożyska i ewentualne podjęcie decyzji o jego wymianie.

Piśmiennictwo

1. Markiewicz H., Klajn A.: Wpływ zmian parametrów określających jakość energii elektrycznej na pracę odbiorników. Wrocław 2001.
2. Dongdong Z., Ruichi A., Thomas W.: Effect of voltage unbalance and distortion on the loss characteristics of three-phase cage induction motor. „IET Electric Power Applications”, nr 2/2018.

Rys. 1. Metody analizy prądowej

Rys. 2. Układ wirnika i stojana w trzech ustawieniach:
a) koncentrycznym, b) ekscentrycznym – statycznym,
c) ekscentrycznym – dynamicznym

Rys. 3. Przykładowe widmo prądu pobieranego przez silnik asynchroniczny z uszkodzeniami

Rys. 4. Widmo sygnału drgań (przyspieszenia) z czujnika zamontowanego na obudowie silnika

Tab. 1. Wpływ odchylenia napięcia zasilania na parametry silnika [1]