Основные проблемы диагностики ротора

Прямого измерения уровня колебаний ротора провести не возможно. Колебания ротора передается через подшипники, корпус статора, то есть через «волнопровод». Это может искажать волновое состояние ротора. Тем не менее, наработаны определенные приемы, позволяющие проводить диагностику работоспособности ротора по вибрационному сигналу. Основные проблемы, связанные с диагностированием технического состояния ротора и определением связи его частотных характеристик механических колебаний, вызванных электромагнитными силами из-за наиболее встречающихся дефектов таких как: эксцентриситет внешней поверхности ротора, обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах, ослабление прессовки пакета стали статора в области зубца, неправильный монтаж активных пакетов и т.п. могут быть успешно решены с помощью вибродиагностики. Остановимся на некоторых причинах изменения электромагнитных сил ротора.

Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения. На спектре вибросигнала этот дефект проявляется в усилении первой гармоники частоты вращения ротора. Усиливается частота действия электромагнитной силы, вокруг которой иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов.

  Обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах “беличьей клетки” в асинхронном двигателе. Обычно проявляется вблизи частоты вращения вала ротора и всегда сопровождается появлением боковых полос, сдвинутых относительно гармоники частоты вращения ротора на интервал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов двигателя.

Ослабление прессовки всего пакета стали ротора или только в области зубцов. Сопровождается усилением второй гармоники питающей сети или, при ослаблении стали в области зубцов, появлением пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную двойной питающей частоте.

Эксцентричный ротор. Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации электрических машин. При наличии эксцентриситета ротора в характере распределения электромагнитного поля в зазоре двигателя возникает ряд особенностей. Плотность электромагнитного поля по окружности зазора изменяется вместе с вращением ротора и приводит, из-за переменного зазора, к неравномерности тягового усилия двигателя. При совпадении оси поля статора с зоной увеличенного зазора тяговое усилие несколько уменьшается, при этом возрастает величина частоты скольжения. При смещении оси поля в зону меньшего зазора тяговое усилие растет, частота скольжения падает. При числе пар полюсов статора (Р), большем единицы, такой процесс повторяется Р раз.

Нужны очень чувствительные приборы для измерения частоты вращения ротора. 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. Признаки таких изменений скорости видны на спектре с большой разрешающей способностью (см. рис. 5.25).

На спектре вибросигнала, вокруг основной частоты вращения ротора, должны появиться симметрично расположенные боковые пики, гармоники, напоминающие зубцы короны. Симметрия пиков относительно основной частоты достаточно хорошо понятна – это следствие мини-ускорений и замедлений частоты вращения ротора вокруг своего среднего значения.

 

5.25. Спектр вибрации при эксцентриситете ротора

 

Аналогичные зубцы, даже еще большей интенсивности, появляются и вокруг пика электромагнитной силы, на частоте, равной второй гармонике питающей сети. Необходимо пояснить причины проявления эксцентричности

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 в два 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

                          D F = 2F_S P.

Причина такого шага между зубцами на спектре по частоте достаточно корректно объясняется. Частота скольжения есть разностная частота биений между частотой вращения поля и частотой вращения ротора. В течение одного оборота эксцентриситет ротора влияет “2 Р ” раз на тяговое усилие двигателя, которое связано с частотой скольжения ротора. Сама частота скольжения F_S иногда видна на спектре на начальном участке, на самой низкой частоте. Она проявляется обычно в диапазоне от 0,3 до 2,0 Гц. Для ее регистрации нужен низкочастотный датчик.

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.

Эксцентричность ротора часто носит нестационарный характер, когда в спектре работающего двигателя имеется характерная картина, а практические измерения зазора не подтверждают диагноз. Причина здесь обычно в термических процессах, когда по тем или иным причинам ротор несимметрично нагревается, изгибается и дает картину эксцентриситета.

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 о неподвижные элементы, когда ротор также начинает односторонне нагреваться.

Обрыв стержней ротора. Наиболее распространенной конструкцией ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутый ротор с «беличьей клеткой». У такого ротора в пазы забиваются без изоляции медные, латунные стержни или они заливаются 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 стержни,  их перегреву и отгоранию т. п. 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.

Рассмотрим особенности физических процессов в роторе, имеющем характерные особенности в спектре, свойственные хотя бы начальной стадии данного дефекта – отгорел один стержень.

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.

Как и при эксцентричном роторе отгоревший стержень приводит к модулированию тягового усилия двигателя. В момент прохождения зоны отгоревшего стержня мимо полюса тяговое усилие скачком уменьшится, ротор чуть-чуть призамедлится. В это время под полюс подойдет зона бездефектного стержня, в нем за счет возросшего скольжения будет больший ток, тяговое усилие возрастет, ротор чуть ускорится. Эти мини-ускорения и мини-замедления на спектре будут характеризоваться возникновением зубцов вокруг основной гармоники частоты вращения ротора. Такой спектр для двигателя с частотой вращения ротора 2920 об/мин показан на рис. 5.26.

 

5.26. Спектр вибрации при наличии отгоревших стержней в беличьей клетке

Разделить эти две причины – эксцентриситет ротора и отгоревшие стержни «беличьей клетки» возможно, но только при наличии хорошего спектроанализатора. Различия в их проявлениях заключаются в следующем:

1) Характерная “корона” из зубцов вокруг пика электромагнитной частоты F_ЭМ проявляется по-разному: при эксцентриситете ротора она имеется во всех режимах, а при отгоревших стержнях появляется только при значительной нагрузке. При эксцентриситете ротора «корона» практически симметрична по величинам мини-пиков относительно центрального пика, а при отгоревшем стержне и под нагрузкой пик на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте. Этот факт достаточно хорошо сообразуется с картиной физических процессов. Уменьшение скорости происходит при нормальном скольжении и нормальном токе в последнем «хорошем» стержне клетки. Ускорение происходит при увеличенном скольжении, большем токе в первом «хорошем» стержне и, как результат, с большей интенсивностью.

2) 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 качестве численного ограничения степени проявления этого дефекта можно считать, что «короны» у исправного двигателя быть не должно. Если она появилась и под нагрузкой наибольший пик «короны» превысил 10 % от центрального пика – вероятность существования отгоревших стержней очень большая. Для контроля численного значения дефекта лучше использовать спектры с логарифмической шкалой по амплитуде. Если при этом пики «короны» будут меньше основного пика менее, чем на 20 дБ, то дефект имеет место. 

Дефекты зубцово-пазовой структуры. Такая неисправность не очень часто встречается в практике, но тем не менее ее можно описать и диагностировать.

Условно эту неисправность можно представить в виде ротора, у которого отсутствует один ферромагнитный зуб. Это приводит к тому, что мимо пазов статора перемещается магнитно-непериодический элемент, наводящий в обмотке статора импульсы, число которых за один оборот будет численно равно числу пазов на статоре. На спектре это будет представлено пиком на частоте, равной произведению частоты вращения ротора на число пазов статора (см.  рис. 5.27).

5.27. Спектр вибрации при наличии дефектов зубцово - пазовой структуры

Дефектный зуб будет модулировать и электромагнитную силу статора. Это будет потому, что дважды за свой один оборот вращающееся поле «будет натыкаться» на дефект магнитной проводимости воздушного зазора двигателя, на «отсутствующий» зуб ротора. На спектре вблизи пика зубцовой частоты появятся два зеркально расположенных пика, сдвинутых относительно своего «главного пика» на частоту электромагнитной силы F_ЭМ, как уже неоднократно говорилось, равную удвоенной частоте питающей сети.

При наличии дефектов в зубцово-пазовой структуре статора может быть зарегистрирована вибрация с частотой, равной произведению числа пазов ротора на частоту вращения ротора, так как магнитный дефект статора будет перемещаться относительно ротора. Все остальное, включая возникновение «зеркальных» пиков вокруг пазовой частоты, останется неизменным.

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.