Замечания по диагностике статора

 

Основные проблемы, связанные с диагностированием технического состояния статора связаны с определением связи частотных характеристик механических колебаний, вызванных электромагнитными силами из-за наиболее встречающихся дефектов: ослабление прессовки пакета стали статора, обрыв или замыкание в обмотке, эксцентриситет, эллипсность. неправильный монтаж активных пакетов и т.п. Рассмотрим более подробно.

Ослабление прессовки пакета стали, обрыв или замыкание в обмотке. Проявляются на частоте действия электромагнитных сил F_ЭМ, равной двойной частоте питающей сети. Особое внимание следует уделять наличию дробных гармоник электромагнитной частоты - 1/2, 3/2, 5/2 и т. д. от основной частоты. По значению частоты эти гармоники соответствуют основной и нечетным гармоникам питающей сети.

  Эксцентриситет, эллипсность внутренней расточки статора относительно оси вращения ротора. Возникает обычно как дефект монтажа подшипниковых стоек, дефект состояния подшипниковых щитов или при деформации статора. В вибрации проявляется на частоте вращения поля в зазоре и на частоте электромагнитных сил 100 Гц. Иногда сопровождается появлением боковых гармоник. Обычно сопровождается неравенством вертикальной и поперечной составляющих соответствующих гармоник. Пространственный максимум гармоник соответствует направлению эксцентриситета, смещения оси статора. Наиболее просто диагностируется при снятии «розы вибраций», когда датчик последовательно перемещается по огибающей вокруг подшипника со смещением при каждом измерении на угол 30 – 45 град.

  Неправильный взаимный осевой монтаж активных пакетов ротора и статора. Иногда для данного дефекта используется термин: «неправильная установка электромагнитных осевых разбегов». При работе электрической машины, в результате сил магнитного притяжения, пакет ротора всегда стремится к положению точно под пакетом статора. Если этому будут препятствовать условия монтажа подшипников, то в неправильно установленном подшипнике, сдвинутом в осевом направлении, возникнут осевые нагрузки и вибрации. Подшипники достаточно быстро нагреются и выйдут из строя. Иногда ротор двигателя «утягивается» в осевом направлении валом механизма, что возможно при неправильном осевом монтаже всего механизма и в случае малой подвижности в соединительной муфте.

Проблемы стали и меди статора. При всех проблемах статора синхронной или асинхронной электрической машины, имеющих первопричину электромагнитной природы, возникающих в активной стали или в обмотке, в спектре вибросигнала возникает специфическая картина. В основном это вибрация с высокой амплитудой гармоники на частоте электромагнитных процессов F_ЭМ. Как уже неоднократно говорилось выше, ее частота равна второй гармонике частоты питающей сети, т.е. равная 100 Гц.  Это достаточно хорошо объясняется с точки зрения физики происходящих процессов. Силы взаимного натяжения, действующие между «распрессоваными» листами электротехнического железа или элементами крепления пакета стали, имеют максимум амплитуды дважды за один период изменения питающей сети – во время минимума и максимума магнитного потока. Аналогично выглядит картина взаимодействия между элементами обмотки статора. Математически это объясняется тем, что электромагнитные силы пропорциональны квадрату тока или магнитного потока. Поскольку и тот и другой синусоидальны, то их произведение также пропорционально синусоиде, но изменяющейся уже с удвоенной частотой, относительно исходной частоты питающей сети. На спектре вибросигнала, приведенном на рис. 5.22, картина появления электромагнитных проблем в статоре выражается в усилении пика на электромагнитной частоте. При значительных дефектах в стали могут появиться и вторая (200 Гц) гармоника частоты F_ЭМ, третья (300 Гц), а также ряд дробных гармоник, которые в такой ситуации по своей частоте численно соответствуют синхронным, целым нечетным гармоникам частоты питающей сети.

 

Рис. 5.22. Спектр вибрации при наличии дефектов статора

                                                                                

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, так как частота вращения ротора и частота питающей сети не кратны между собой, а различаются между собой пропорционально частоте скольжения.

Ослабление прессовки активного железа статора обусловливается в основном двумя причинами: общим ослаблением элементов крепления железа статора, или явлением «отслоения» крайних листов и пакетов стали.

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.

Самое главное, что нужно помнить, что различить вид диагностируемого в статоре дефекта (имеет он электрическую природу, или же он обусловлен чисто магнитными проблемами) методами спектральной вибродиагностики достаточно сложно. Единственный, достаточно корректный признак наличия замкнутого витка в статоре – наличие боковой гармоники вблизи частоты 100 Гц. В большинстве практических случаев необходимо применение более специализированных методов диагностики состояния электрических машин.

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 рис. 5.23 приведен спектр вибросигнала, зарегистрированного на подшипнике асинхронного двигателя, имеющего номинальную частоте вращения ротора, равную N₀ = 1480 об/мин. Этот

5.23. Спектр вибрации при наличии эксцентриситета статора

 

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.

Удвоение частоты пульсации относительно питающей сети возникает из-за того, что мимо зоны окружности статора, где произошло изменение величины зазора, поочередно проходят северный и южный полюса поля, вращающегося в зазоре. Удвоенные пульсации магнитной проводимости приводят к такой же пульсации магнитного потока и, как результат, к пульсации электромагнитной силы и вибрации с частотой 100 Гц.

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 необходим спектроанализатор 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 проекциях 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 производиться при нескольких взаимных положениях ротора и статора.

Неправильный осевой монтаж двигателя. Принцип действия всех электрических машин переменного тока примерно одинаков – вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля статора с  магнитным полем ротора (синхронные машины) или  роторными проводниками с током (асинхронные машины).

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 также их большую чувствительность к нелинейности величины зазора между ротором и статором.

Сила взаимного притяжения между ротором и статором является векторной величиной и состоит из трех составляющих: радиальной составляющей, касательной (полезной) и осевой. Радиальная составляющая есть сила притяжения ротора к статору и при постоянстве воздушного зазора эти силы диаметрально противоположно взаимно уничтожается. Касательная составляющая является полезной, так как именно она создает вращающий момент.

Рассмотрим чуть подробнее осевую составляющую. Если ферромагнитные сердечники ротора и статора расположены непосредственно друг под другом, то и суммарная осевая составляющая силы электромагнитного натяжения 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 5.24) может быть равна как частоте сети, так и частоте вращения ротора и зависит от типа трения в препятствии к осевому смещению.

5.24 Спектр вибрации в осевом направлении при дефекте осевого монтажа

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.

У подшипников скольжения существует значительный «осевой разбег», но и его может оказаться недостаточно для компенсации дефектов монтажа, и возникает трение галтели вала о торцевую поверхность вкладыша. Достаточно часто вал электродвигателя «утягивается» валом насоса при дефектах системы осевой разгрузки рабочего колеса насоса. Парадокс диагностики – дефект в насосе, а вибрация в двигателе.

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.

Для устранения осевой вибрации в насосных агрегатах необходимо корректно и комплексно выставлять при монтаже все три так называемых в практике «осевых разбега»: в насосе, в муфте и в двигателе.