Диагностирование технического состояния электрогенераторов

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. сейчас не рассматриваем.

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.

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).

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 F₁, 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 градусов. 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 меньшем, 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 %.

 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:

- F₁ - частота питающей сети, в России равна 50 Гц;

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

- N₀ - 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 );

- F₀ - 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.

Наиболее  важные проблемы статора, которые можно  определить по вибропараметрам:

• 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, сильнее всего на частоте F_ЭМ , т.е. 100 Гц.
• 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 градусов
• 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

Основные  проблемы ротора, диагностируемые по вибрации:

• 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.

 

Заключение

В современном мире человек  постоянно использует  приборы  и устройства, питающиеся электроэнергией. Эта энергия вырабатывается с  помощью различных видов генераторов. Обычный человек получает эту энергию из розетки и с ними зачастую не сталкивается. Исключение составляют автовладельцы, ведь в каждом современном автомобиле есть электрогенератор и от которого зависит вся электросеть автомобиля. Поэтому им часто приходится сталкиваться обслуживанием, диагностированием и ремонтом генератор. Но и обычные домовладельцы часто покупают себе генераторы. Чтобы не зависить от монопольных поставщиков электричества. Бытовая генераторная установка состоит из силового агрегата - двигателя, и узла, который преобразует крутящий момент в электричество - генератора. В бытовых электростанциях, как правило, используются двигатели внутреннего сгорания. Дизельные либо бензиновые. Обычный владелец без контрольных приборов может следить за состоянием генератора только внешне, нет ли на поверхности или на щетках сколов, нет ли обрывов проводов и.т.п.  С помощью вольтметра, амперметра и тахометра можно проверить рабочие характеристики агрегата. Но для качественного выявления дефектов необходима специализированная аппаратура, например вибродитчики. Для обнаружения лишних вибраций, спектрограф, для выяснения спектра вибраций и на основании этого спектра предположения характера дефектов. Либо стендовые испытания. Все это требует, чтобы обслуживание и ремонт проводился специализирующимися предприятиями, где есть все необходимое оборудование и специалисты, умеющие с ним обращаться.

 

Список литературы

 

1. Электрические машины и микромашины: Учеб. для электротехн. спец. вузов/Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. – 3-е изд., перераб. доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 528 с.: ил.
2. Электротехника: Для студентов вузов. Б.А. Волынский, Е. Н. Зейн, В. Е. Шатерников. М. Энергоатомиздат, 1987-427с.
3. «ОБЪЕМ И НОРМЫ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ» РД 34.45-51.300-97.
4. www.electrik.org
5. http://www.chuvsu.ru/~victor/junior/junior/lek10-2.html