вибрация 100 герц что это
Вибрация 100 герц что это
Анализируя сигналы с вибродатчиков, установленных на подшипниках электрических машин можно выявить достаточно много специфических причин повышенной вибрации, возникающих только в электродвигателях и генераторах различного типа. Эти причины могут являться как прямым результатом наличия различных внутренних электромагнитных дефектов электрических машин, так и быть просто связанными со специфическими особенностями проявления электромагнитных процессов в обмотках и сердечниках, отражать особенности нормальной работы электродвигателей и генераторов в агрегатах.
Вибродиагностические методы контроля состояния двигателей и генераторов обычно являются первым этапом в оценке состояния, т. к. позволяют анализировать состояние оборудования непосредственно во время его работы. После выявления при помощи контроля вибропараметров в электрических машинах основных характерных признаков существования того или иного дефекта необходимо применять другие, специализированные и, естественно, более точные методы диагностики.
Обычные, широко распространенные причины повышенной вибрации электрических машин “не электромагнитного характера”, такие как небаланс, проблемы подшипников и т. д. в данном разделе не рассматриваются. По вопросам их диагностики в двигателях и генераторах следует обращаться к другим разделам данного руководства.
4.8.1. Общие вопросы описания физических процессов
Вопросами диагностики текущего технического состояния и поиска дефектов в электрических машинах обычно занимаются специальные электротехнические службы, знакомые с особенностями физических процессов в двигателях и генераторах. Для тех, кто раньше не был связан с вибродиагностикой электротехнического оборудования, необходимо обязательно ознакомиться со специальной литературой, описывающей основные особенности его работы.
Здесь же, на первом этапе, для простоты объяснения причин возникновения вибрации в электрических машинах, а также чтобы не загромождать объяснения в дальнейшем, кратко вспомним некоторые основные определения и понятия из минимального, по объему, курса электрических машин. Знание этих понятий совершенно необходимо для проведения корректного диагностирования дефектов электрических машин.
Необходимо вспомнить следующее:
В данном разделе методического руководства будут рассмотрены основные способы диагностики состояния и поиска дефектов состояния машин переменного тока, синхронных и асинхронных, как наиболее распространенных в промышленности.
Синхронные и асинхронные машины являются по своему принципу действия обратимыми, т. е. могут работать в как режиме двигателя, так и в режиме генератора. В дальнейшем диагностика дефектов статоров синхронных и асинхронных машин, двигателей и генераторов, не будет подразделяться, т. к. они имеют одинаковые по конструкции статоры. Синхронные машины отличаются от асинхронных только конструкцией ротора, что найдет отражение в разделе, где будут описаны дефекты короткозамкнутых роторов.
б) Очень важно уже на самом первом этапе диагностики представлять диапазон численных значений частоты вращения ротора и электромагнитного поля в зазоре, знать оборотную частоту вращения поля статора и оборотную частоту вращения ротора электрической машины переменного тока.
— Максимальная частота вращения ротора электрической машины, в обычных условиях [ об / мин ], численно равна произведению частоты питающей сети, измеряемой в [ 1 / сек = Гц ], умноженной на переводной коэффициент, равный 60 ( количество секунд в минуте ). При 50 Гц питающей сети максимальная частота вращения двигателей и генераторов равна 3000 об / мин. При частоте сети в 60 Гц, что является общепринятым в Америке и в Японии, максимальная частота вращения ротора машины переменного тока составит 3600 об / мин. Справедлива формула:
При числе пар полюсов, отличном от единицы, частота вращения поля в зазоре электрической машины отлична от частоты питающей сети. Это очень важно учитывать при диагностике состояния “мало знакомых” электрических машин по спектрам вибросигналов.
с) В асинхронных машинах частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на небольшую величину, ротор отстает от электромагнитного поля. Это отставание обычно называется скольжением “s” и измеряется в долях от единицы или в процентах. Имеющаяся небольшая разница в частотах вращения поля и ротора называется частотой скольжения ротора, которая измеряется в герцах или в процентах. В диагностике дефектов ротора асинхронного двигателя эта частота имеет большое значение.
д) Следует обязательно сказать, что широко используемое диагностическое правило о преобладающем влиянии второй гармоники питающей сети в электромагнитных процессах двигателей и генераторов является не совсем корректным с точки зрения теории.
Причина этого кроется в природе электромагнитных процессов. Поскольку часть вибрации в электрических машинах возбуждается силами электромагнитного взаимодействия между элементами машины, будь то силы магнитного тяжения между элементами сердечника или “амперовы силы” между элементами обмотки с током, более корректно будет использование другого диагностического правила.
Более правильно будет говорить, что основная, или, говоря терминами, принятыми в спектральной вибродиагностике, оборотная частота электромагнитных сил и вибраций равна удвоенной частоте питающей сети. Это математически вытекает из того, что магнитные процессы пропорциональны квадрату “синусоиды” питающей сети, а это и есть колебание с удвоенной частотой от исходного.
Это совершенно отдельная сила, не связанная с частотой вращения ротора, что может быть легко выяснено при помощи средств кепстрального анализа. Она просто имеет частоту, равную удвоенной частоте питающей сети. Гармоники основной частоты этой силы имеют значения 200 Гц, 300, 400 и т. д. В чистом виде эта сила очень явно проявляется в статическом электрооборудовании. Примером этого является трансформатор, в котором гармоника вибрации с частотой питающей сети в 50 Гц практически отсутствует, а максимальна гармоника с частотой 100 Гц.
Объединим все вышесказанное.
Вибрации в двигателях и генераторах переменного тока, в общем случае, могут вызываться, в основном, пятью силами электромагнитной природы, имеющими свои собственные частоты:
— Вторая сила F ЭМ генерирует колебания с частотой проявления электромагнитных процессов в меди и стали электрической машины, имеет пик на частоте 100 герц, проявляется в вибрации сердечника и обмоток всех машин переменного тока.
— Третья связана с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины и есть частное от деления частоты питающей сети на число пар полюсов статора
В синхронных машинах это частота вращения ротора.
— Четвертая F P связана с частотой вращения ротора и в асинхронных машинах всегда на несколько процентов меньше частоты вращения электромагнитного поля. У синхронных машин эти две силы возбуждают колебания с одной и той же частотой, что прямо вытекает из принципа действия синхронной машины.
Очень важным является то, что диагностика причин повышенной вибрации электрических машин должна проводиться при возможно большей нагрузке двигателя. Если исследования проводятся на холостом ходу, то очень часто удается выявить только малую часть всех имеющихся в оборудовании электромагнитных проблем.
Для успешной диагностики различных электромагнитных проблем в электрических двигателях и генераторах необходим спектроанализатор с очень высокой разрешающей способностью, с числом спектральных линий, не меньшем, чем 3200.
4.8.2. Сводка электромагнитных проблем
Приведем краткую сводку по электромагнитным проблемам электрических машин, которые можно эффективно диагностировать по спектрам вибросигналов. Здесь же приведем все характерные признаки каждого вида дефекта.
Для описания дефектов здесь и далее будем использовать термины:
Наиболее важные проблемы статора, которые можно
определить по вибропараметрам:
Основные проблемы ротора, диагностируемые по вибрации:
Гармоники вибрации от электромагнитных процессов в статоре синхронной машины, по своей физической природе, являются синхронными относительно частоты вращения ротора. В асинхронном двигатели эти же гармоники являются несинхронными, т. к. частота вращения ротора и частота питающей сети не кратны между собой, а различаются между собой пропорционально частоте скольжения.
При этих локализациях дефекта железа статора важную роль начинает играть место установки вибродатчика. Чем ближе он устанавливается к дефектному месту пакета статора, чем короче будет путь прохождения полезной виброинформации, тем более корректно можно будет проводить диагностирование и, достаточно часто, удается даже локализовать место проявления дефекта.
Аналогично обстоит дело и с особенностями проявления в спектрах вибросигналов различных дефектов обмоток статора, но поиск их и локализация происходят гораздо сложнее.
4.8.4. Проблемы эксцентричности статора
Эксцентриситет статора возникает чаще всего как дефект изготовления “шихтованного” пакета стали статора, как дефект монтажа статора. Очень высока вероятность возникновения эксцентриситета статора в процессе монтажа электрической машины, особенно, если статор и подшипниковые опоры монтируются раздельно. Данный дефект статора может возникнуть в результате ослабления фундамента или же как итог тепловых и иных деформаций в агрегате и фундаменте.
Для примера на рисунке 4.8.2. приведен спектр вибросигнала, зарегистрированного на подшипнике асинхронного двигателя, имеющего номинальную частоте вращения ротора, равную n 0 = 1480 об/мин.
Этот спектр соответствует наличию в электрической машине достаточно развитого дефекта типа “эксцентриситет статора”.
Эксцентриситет статора приводит, с точки зрения физики протекания электромагнитных процессов, к периодическому изменению магнитной проводимости воздушного зазора, к ее пульсации, или, говоря иными словами, к ее модуляции. Эта пульсация происходит с удвоенной частотой сети, т. е. с частотой воздействия электромагнитных сил.
Дополнительно несколько возрастает амплитуда гармоники на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре. Это позволяет в асинхронных двигателях хорошо дифференцировать эксцентричность статора от эксцентричности ротора, где вибрация идет с частотой вращения ротора. Для выявления этого различия необходимо наличие спектроанализатора с хорошим разрешением.
Для разделения эксцентриситетов статора и ротора в синхронной машине между собой, при диагностике следует помнить, что эксцентриситет статора неподвижен в пространстве и различен по амплитуде вибрации в различных проекций измерения. Благодаря такой локализации эксцентриситет статора приводит к возникновению направленной в пространстве вибрации. Это можно выявить при помощи последовательного перемещения вибродатчика по контролируемому подшипнику “вокруг вала”. Эксцентриситет же ротора всегда “вращается” вместе с ротором, поэтому он не имеет стационарного максимума при определенном значении угла установки датчика. При эксцентриситете статора такой максимум явно выражен.
Для исключения проявления эксцентриситета в вибрации электрических машин необходимо, чтобы воздушный зазор между статором и ротором должен быть неизменным по окружности. При монтаже он должен тщательно контролироваться.
Обязательно должно соблюдаться требование к качеству взаимного монтажа статора и ротора, что различие в величине воздушного зазора вдоль окружности не должно превышать значение в 5% для асинхронных двигателей и генераторов, и не превышать 10 % для синхронных двигателей. Значение этого параметра жестко контролируется при помощи специальных щупов при монтаже электрической машины. Такая процедура измерения должна производится при нескольких взаимных положениях ротора и статора.
4.8.5. Неправильный осевой монтаж двигателя
В синхронной машине энергия подается одновременно: в ротор от источника постоянного тока, в статор от питающей сети. В асинхронной машине энергия подается только от сети в статор, поэтому для работы машины часть энергии должна быть передана через зазор в ротор, и только тогда возникает электромагнитное взаимодействие. Наличие передачи энергии через зазор объясняет наличие меньшего зазора в асинхронных машинах, а так же их большую чувствительность к нелинейности величины зазора между ротором и статором.
Рассмотрим чуть подробнее осевую составляющую. Если ферромагнитные сердечники ротора и статора расположены непосредственно друг под другом, то и суммарная осевая составляющая силы электромагнитного тяжения равна нулю. Иначе будет происходить при осевом смещении сердечников ротора и статора. При этом итоговая осевая сила не равна нулю и будет стремиться вернуть ротор в исходное нейтральное положение.
Если осевая подвижность ротора достаточна для перемещения в нейтральное положение, то проблем с вибрацией не будет. Если же возникнет препятствие к такому осевому перемещению, то на нем возникнет значительная осевая вибрация. Частота этой вибрации, см. рис 4.8.3., может быть равна как частоте сети, так и частоте вращения ротора и зависит от типа трения в препятствии к осевому смещению.
Часто такая проблема возникает у двигателей с подшипниками качения, осевая подвижность которых почти нулевая. Осевая вибрация возникает при осевом смещении пакета статора, при неполной посадке подшипников на вал, при смещении подшипниковых щитов и т. д. Большинство подшипников не предназначены для компенсации осевых усилий и быстро выходят из строя.
На практике бывают случаи, когда ротор в подшипниках скольжения перед пуском принудительно смещают в ту или иную сторону в осевом направлении, например при помощи лома, и двигатель некоторое время хорошо работает. С течением времени, в процессе работы, ротор смещается обратно и осевые вибрации агрегата снова возрастают.
4.8.6. Эксцентричный ротор
Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации электрических машин.
Если бы мы имели очень чувствительные приборы для измерения частоты вращения ротора, то мы бы обнаружили следующее. В интервале перемещения ротора от зоны, с увеличенным зазором в сторону зоны, с уменьшенным зазором, ротор бы ускорился в своей частоте вращения на небольшое значение. На интервале перехода ротора обратно, к зоне с увеличенным зазором, ротор бы замедлился на то же значение. Конечно таких приборов у нас нет, но это видно на спектре с большой разрешающей способностью есть признаки таких изменений скорости.
Аналогичные зубцы, даже еще большей интенсивности, появляются и вокруг пика электромагнитной силы, на частоте, равной второй гармонике питающей сети. Необходимо пояснить причины проявления эксцентричности ротора на этой частоте.
Вращение эксцентричного ротора модулирует проводимость зазора с удвоенной частотой. При числе пар полюсов, равном единице частота вращения поля равна 50 Гц, удвоенная частота сети, частота электромагнитной вибрации равна 100 Гц. Эксцентричность ротора приводит к модуляции электромагнитной силы. При уменьшении числа пар полюсов частота вращения поля в зазоре уменьшится в Р раз. Переменный зазор ротора за один свой оборот будет модулировать электромагнитную силу 2 х Р раз больше частоты своего вращения, что как раз и соответствует частоте электромагнитной силы.
Эксцентричный ротор генерирует вокруг F Р и вокруг F ЭМ семейства гармоник, представляющих из себя пики, сдвинутые на одинаковый шаг по частоте. Сдвиг между этими гармониками равен произведению частоты скольжения на число полюсов обмотки статора
Необходимо помнить, что во временном сигнале эксцентриситет ротора проявляется в виде пульсирующей вибрации, средняя частота которой располагается в диапазоне частот ( или вблизи него ) между F ЭМ и гармоникой оборотной частоты ротора, по частоте чуть меньшей, чем у электромагнитной силы ( порядковый номер этой гармоники ротора равен удвоенному числу пар полюсов статора ). Разделить эти гармоники на спектре можно только при его высоком разрешении.
Эксцентричность ротора обычно проявляется и в вертикальной и поперечной проекциях вибрации. Иногда ее удается обнаружить даже и в осевой проекции. Так бывает при наличии эксцентричности ротора не по всей его длине, а только в районе одного, если смотреть вдоль оси ротора, края пакета электротехнической стали.
После останова двигателя, в процессе его разборки для измерения зазора, температуры быстро выравниваются и диагноз не подтверждается. Часто так бывает при обрывах стержней или частичных “задеваниях” ротора об неподвижные элементы, когда ротор так же начинает односторонне нагреваться.
4.8.7. Обрыв стержней ротора
Наиболее распространенной конструкцией ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутый ротор с “беличьей клеткой”. У такого ротора в пазах, без изоляции, забиваются медные, латунные стержни или пазы залиты сплавом алюминия. Концы стержней объединяются короткозамыкающими кольцами из такого же материала. В процессе работы по стержням протекает большой ток, они сильно нагреваются, особенно во время пуска. Частой причиной выхода из строя двигателя является отгорание стержней, приводящее к увеличению нагрузки на оставшиеся, перегреву и отгоранию их и т. д. Процесс завершается “лавинообразным” выходом двигателя из строя.
Выявление начальных фаз зарождения процесса “отгорания” стержней беличьей клетки ротора является очень актуальной задачей и позволяет повысить надежность работы асинхронных двигателей с короткозамкнутой клеткой на роторе.
Необходимо сразу же сказать, что спектр двигателя с отгоревшим стержнем во многом похож на спектр двигателя с эксцентричным ротором. На первый взгляд между этими дефектами мало общего, но при ближайшем рассмотрении можно выявить сходства.
— За счет колебательного “успокоения” ротора после прохождения дефектного стержня на спектре может возникнуть несколько гармоник частоты вращения ротора, и обычно все они окружены “коронами”.
В заключение, подчеркивая особенности диагностики данной причине повышенной вибрации, необходимо еще раз указать, что такая диагностика возможно только с применением спектроанализаторов с высокой разрешающей способностью. Это нужно для разделения на спектре частот вращения поля, ротора и боковых гармоник. Центральный пик “короны” должен соответствовать частоте вращения ротора, а не быть равным частоте вращения поля в зазоре.
Такая неисправность не очень часто встречается в практике, но тем не менее ее можно описать и диагностировать.
Наиболее сложным для диагностики будет спектр при наличии магнитных дефектов на роторе и статоре одновременно, причем дефектов множественных. На спектре будут зубцовые частоты ротора и статора, будут частоты их биения, будут множественные “зеркальные” пики и т. д.
“Положительным” при этом будет то, что при таком дефекте обычно сильно падает тяговое усилие, возрастает потребляемый ток и двигатель очень быстро выходит из строя, обычно раньше, чем персоналу удается записать спектры и выявить множественный магнитный дефект методами вибродиагностики.
В данной главе были достаточно кратко рассмотрены наиболее часто встречающиеся в практике дефекты электрических машин переменного тока. В литературе встречаются сообщения о возможности диагностики и нескольких других дефектов, тоже электромагнитной природы. Здесь не приведены примеры таких диагнозов и их описание по нескольким причинам: