Электромагнитные дефекты

Вибродиагностические методы контроля состояния двигателей обычно являются первым этапом в оценке состояния, так как позволяют анализировать состояние оборудования непосредственно во время его работы [14]. 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.

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. Тем, кто раньше не был связан с вибродиагностикой электротехнического оборудования, необходимо обязательно ознакомиться со специальной литературой, описывающей основные особенности его работы. Напомним некоторые их них:

Неподвижная часть электрической машины обычно называется статором, подвижная – ротором. По принципу действия различают три основных типа широко применяемых электрических машин:

1) синхронные машины постоянного тока, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре;

2) синхронные машины переменного тока, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре;

3)  асинхронные машины переменного тока, в которых ротор вращается несколько медленнее (на несколько процентов), чем частота вращения электромагнитного поля в зазоре;

Синхронные и асинхронные машины являются по своему принципу действия обратимыми, т. е. могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. В дальнейшем диагностика дефектов статоров синхронных и асинхронных машин, двигателей и генераторов, не будет подразделяться, так как 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.

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 измеряется в оборотах в мин, численно равна произведению частоты питающей сети, измеряемой в Герцах, умноженной на переводной коэффициент, равный 60 (количество секунд в минуте). При частоте питающей сети равной 50 Гц, максимальная частота вращения ротора  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

Реально частота вращения электромагнитного поля в зазореэлектрической машины N ₀ равняется частному от деления максимальной частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на число «пар полюсов статора – Р». Это конструктивный параметр обмотки статора и он может принимать только целые значения, равные 1, 2, 3,... и т. д. При этом частота вращения поля в зазоре электрической машины будет равна соответственно 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин и т. д.

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.

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.

Стандартный ряд рабочих частот вращения роторов асинхронных двигателей, связанных с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре, можно представить в виде (с точностью ± 1 %) – 2900 об/мин, 1450 об/мин, 970 об/мин и т. 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 натяжения 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, согласно терминам, принятым 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, 300, 400 Гц 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 максимальная гармоника – с частотой 100 Гц.

На статоре и на роторе обмотка укладывается в пазах. При вращении ротора в зазоре возникает периодическое чередование ферромагнитных зубцов и пазов на статоре и роторе. При разработке электрических машин принимаются все меры, чтобы исключить влияние зубцово-пазовой структуры на работу машины – на статоре и роторе различное число пазов, на роторе применяется «скос» пазов, когда ось паза идет не вдоль оси ротора, а как бы немного закручена вокруг оси и т. д. Тем не менее в практике имеют место случаи, когда «пазовые» частоты явно выражены на спектре.

Вибрации в двигателях и генераторах переменного тока, в общем случае, могут вызываться в основном пятью силами электромагнитной природы, имеющими свои собственные частоты:

Первая сила связана с частотой питающей сети F ₁, имеет пик на частоте 50 герц.

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

F₀ = (F₁ / P),

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.

Пятая F_П вызывается наличием зубцово-пазовой структуры в зазоре электрической машины. Вибрация может быть пропорциональна произведению частоты вращения на число пазов статора, ротора или их частоте биений. Косвенным проявлением влияния пазов является несимметрия ротора неявнополюсного турбогенератора, когда в одной части ротора есть пазы, а в другой нет. В результате прогиб ротора различен при повороте его на 90 град. Это всегда приводит, при частоте вращения ротора с частотой 50 Гц, к увеличенным вибрациям в вертикальном направлении с частотой в 100 Гц.

Основной признак того, что диагностируемый дефект имеет электромагнитную причину – мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключения электрической машины от сети.

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 меньшим чем 3200.

Измерение вибрации на подшипниках электродвигателей и генераторов нужно всегда проводить в трех направлениях – вертикальном, поперечном и осевом, иначе потом будет невозможно провести полную диагностику состояния. Идеальным является синхронная регистрация (не путать с синхронизированной регистрацией, которая гораздо менее эффективна) сразу шести вибросигналов с двух подшипников электрической машины. Обычно это повышает достоверность диагнозов дополнительно не менее чем на 10 %.

Замечания по электромагнитным проблемам. Все характерные признаки каждого вида дефекта в электрических машинах связаны с частотными характеристиками питающего их электрического тока и их особенностями.

Для описания дефектов здесь и далее будем использовать термины:

F ₁ – частота питающей сети, в России равна 50 Гц;

F_ЭМ – частота электромагнитных сил в электрических машинах, равна удвоенной частоте сети, в России 100 Гц;

N ₀ – частота вращения поля в зазоре электрической машины, численно равна частному от деления 3000 на число пар полюсов Р, которое может принимать целые значения от единицы и более (об/мин);

  F ₀ – частота электромагнитного поля в зазоре (Гц);

  N _Р – собственная частота вращения ротора электрической машины, для синхронных машин она совпадает с частотой вращения поля, для асинхронных всегда меньше на величину скольжения;

s – скольжение ротора относительно электромагнитного поля в асинхронных машинах, безразмерная величина, численно равняется разнице между частотой вращения поля в зазоре и частотой вращения ротора, отнесенной к частоте вращения поля в зазоре

                     s = (N₀ - N_Р  ) / N₀

  F_P – частота вращения ротора, у синхронных машин численно равна частоте вращения поля в зазоре, а асинхронных всегда меньше частоты вращения поля на величину произведения частоты вращения поля на скольжение ротора  

                                 F_Р = F₀ (1 - s);

  F_П – зубцово-пазовая частота вибрации, численно равная произведению числа пазов (на роторе или статоре) на частоту электромагнитного поля в зазоре. Может быть повышенной относительно статора, относительно ротора, может быть разностная или суммарная частота биений пазовых частот ротора и статора.