6
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 31 Sławomir Szymaniec Politechnika Opolska, Opole POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I REZONANSOWYCH MASZYN ELEKTRYCZNYCH W WARUNKACH ICH EKSPLOATACJI MEASUREMENTS OF NATURAL FREQUENCY AND RESONANT FREQUENCY OF ELECTRIC MACHINES IN OPERATING CONDITIONS Abstract: The necessity to carry out studies of resonant properties of engines results from several reasons. One of the most important ones is the requirement to test models and prototypes. In the course of these studies, it needs to be determined if there is not too much convergence of resonant frequencies and bands with fre- quencies of excitation forces, particularly low orders, especially equal to 0 and with large amplitudes. In prac- tice, there is often a need for a "de-tuning" of the foundation or the manner how the engine is fixed due to the convergence of resonant frequencies of these elements or factors with resonant frequencies of the engine. This also forces the precise determination of resonance properties of the engine. 1. Wstęp Jednym z elementów analizy sygnału wibro- akustycznego maszyn, w tym maszyn elektrycz- nych jest identyfikacja pochodzenia poszcze- gólnych dominant i pasm dominujących w widmie sygnału drganiowego i akustycznego. Dominanty i pasma dominujące w widmie sy- gnału drganiowego i akustycznego są spowo- dowane procesami dynamicznymi zachodzą- cymi w maszynach pod wpływem sił pocho- dzenia elektromagnetycznego, mechanicznego i aerodynamicznego – rys.1. [6]. Procesy dyna- miczne mają charakter drgań wymuszonych. Narzuca to konieczność dysponowanowania metodyką badań właściwości rezonansowych maszyn pod kątem pomiaru częstotliwości re- zonansowych – w pewnych warunkach utoŜsa- mianych z częstotliwościami drgań własnych. Znajomość właściwości rezonansowych ma- szyn jest bardzo poŜądana przy pracach pro- jektowych i konstrukcyjnych dla uzyskania ci- chobieŜności oraz zapewnienia tak zwanego „odstrojenia” fundamentów maszyn w szcze- gólności duŜych. W niniejszym artykule przed- stawiono przegląd metod badań właściwości rezonansowych maszyn elektrycznych w zaleŜ- ności od sposobu wzbudzania drgań. Przedsta- wiono wyniki badań właściwości rezonanso- wych wybranych silników przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych, przy wykorzystaniu róŜnych metod. Rys. 1. Uproszczony schemat powstawania drgań i hałasu w przykładowym silniku [6]

POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 31

Sławomir Szymaniec Politechnika Opolska, Opole

POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I REZONANSOWYCH MASZYN ELEKTRYCZNYCH

W WARUNKACH ICH EKSPLOATACJI

MEASUREMENTS OF NATURAL FREQUENCY AND RESONANT FREQUENCY OF ELECTRIC MACHINES IN OPERATING CONDITIONS

Abstract: The necessity to carry out studies of resonant properties of engines results from several reasons. One of the most important ones is the requirement to test models and prototypes. In the course of these studies, it needs to be determined if there is not too much convergence of resonant frequencies and bands with fre-quencies of excitation forces, particularly low orders, especially equal to 0 and with large amplitudes. In prac-tice, there is often a need for a "de-tuning" of the foundation or the manner how the engine is fixed due to the convergence of resonant frequencies of these elements or factors with resonant frequencies of the engine. This also forces the precise determination of resonance properties of the engine. 1. Wstęp

Jednym z elementów analizy sygnału wibro-akustycznego maszyn, w tym maszyn elektrycz-nych jest identyfikacja pochodzenia poszcze-gólnych dominant i pasm dominujących w widmie sygnału drganiowego i akustycznego. Dominanty i pasma dominujące w widmie sy-gnału drganiowego i akustycznego są spowo-dowane procesami dynamicznymi zachodzą-cymi w maszynach pod wpływem sił pocho-dzenia elektromagnetycznego, mechanicznego i aerodynamicznego – rys.1. [6]. Procesy dyna-miczne mają charakter drgań wymuszonych. Narzuca to konieczność dysponowanowania metodyką badań właściwości rezonansowych maszyn pod kątem pomiaru częstotliwości re-zonansowych – w pewnych warunkach utoŜsa-mianych z częstotliwościami drgań własnych. Znajomość właściwości rezonansowych ma-szyn jest bardzo poŜądana przy pracach pro-jektowych i konstrukcyjnych dla uzyskania ci-chobieŜności oraz zapewnienia tak zwanego „odstrojenia” fundamentów maszyn w szcze-gólności duŜych. W niniejszym artykule przed-stawiono przegląd metod badań właściwości rezonansowych maszyn elektrycznych w zaleŜ-ności od sposobu wzbudzania drgań. Przedsta-wiono wyniki badań właściwości rezonanso-wych wybranych silników przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych, przy wykorzystaniu róŜnych metod.

Rys. 1. Uproszczony schemat powstawania

drgań i hałasu w przykładowym silniku [6]

Page 2: POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 32

2. Sposoby wzbudzania maszyn elektry-cznych do drgań przy pomiarach ich czę-stotliwości drgań własnych i rezonanso-wych W literaturze [1÷6] poświęconej pomiarom czę-stotliwości drgań własnych i rezonansowych maszyn elektrycznych przedstawionych jest szereg metod. RóŜnice pomiędzy poszczegól-nymi metodami polegają na sposobie pobudza-nia do drgań maszyny kompletnej lub jej po-szczególnych elementów. Metody te moŜna po-grupować w zaleŜności od sposobów wzbudze-nia drgań. WyróŜnić moŜna metody o: a) wzbudzaniu elektrodynamicznym, b) wzbudzaniu magnetostrykcyjnym, c) wzbudzaniu udarem mechanicznym, d) wzbudzaniu przez napędzanie innym silni-

kiem, e) wzbudzaniu udarem prądowym, f) wzbudzaniu przez zwarcie udarowe, g) wzbudzaniu przez „wybieg”, h) wzbudzaniu przez „rozruch”.

3. Badania właściwości rezonansowych silników w warunkach przemysłowych Realia techniczne badań właściwości rezonan-sowych silników w warunkach przemysłowych, nakazują wybór metody badania w warunkach przejściowych – wybieg lub rozruch, ewentual-nie przy odpowiednim wyposaŜeniu technicz-nym przy wzbudzaniu przez zwarcie udarowe. NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe badania w warunkach przemysłowych nie dotyczą jedynie samego silnika, ale układu: stojan – wirnik – łoŜyska – podpory łoŜyskowe –sprzęgło – obciąŜenie – fundament. W badaniach maszyn w warunkach przejściowych – wybieg ewentualnie rozruch pod kątem identyfikacji właściwości rezonan-sowych silników, rolę wzbudnika drgań spełnia sam silnik wraz z obciąŜeniem. Badania silnika podczas wybiegu, bądź rozruchu cechuje wystę-powanie zmienności prędkości obrotowej wir-nika w granicach od prędkości znamionowej do 0 lub na odwrót. Jest to wynikiem zaniku pola elektromagnetycznego w maszynie do 0 lub jego wzrostem od 0 przy jednoczesnym wystę-powaniu oporów typu mechanicznego i aerody-namicznego. Istotą badań w warunkach wy-biegu lub rozruchu jest wykorzystywanie wzbudzenia, którego składowe odpowiadają częstotliwościom charakterystycznym, uwarun-kowanym między innymi cechami konstruk-cyjnymi silnika, jego obciąŜeniem, sposobem

zasilania oraz stanem technicznym układu sil-nik – obciąŜenie – fundament. Badania maszyn w czasie wybiegu lub rozruchu są biernym eks-perymentem diagnostycznym prowadzonym bez dokładnej znajomości charakterystyki czę-stotliwościowej układu: silnik – obciąŜenie – fundament oraz charakterystyki wzbudzenia. Wybór, czy badania naleŜy prowadzić dla wy-biegu, czy rozruchu silnika jest zadaniem trud-nym. Wynika to z faktu, Ŝe wyniki badań otrzymane podczas rozruchu silnika mogą się róŜnić od wyników otrzymanych podczas wy-biegu. Przyczyny tego wynikają z następują-cych faktów:

• podczas rozruchu pole magnetyczne narasta, w czasie wybiegu maleje,

• procesy obciąŜenia układu silnika podczas rozruchu przebiegają inaczej, niŜ podczas wy-biegu.

Bardzo wyraźnym czynnikiem, który naleŜy brać pod uwagę przy wyborze „wybieg” lub „rozruch” jest czas dostępności sygnału drga-niowego w czasie wybiegu i rozruchu. Dla większości silników czas rozruchu jest znacznie krótszy od czasu wybiegu. Z punktu widzenia analizy sygnału, sygnał drganiowy przy wy-biegu silnika jest w większości przypadków łatwiejszy do analizy, od sygnału drganiowego przy rozruchu. Biorąc pod uwagę całokształt uwag przedstawionych wyŜej oraz wyniki ba-dań rozpoznawczych, autor zdecydowanie czę-ściej w warunkach przemysłowych stosuje me-todę wybiegu. Wykorzystywano do tego naj-częściej układ pomiarowy z rys. 2.

Rys. 2. Schemat blokowy układu pomiarowego

Przykładowo na rys. 3 przedstawiono wyniki pomiarów drgań silnika o mocy 630 kW i pręd-kości znamionowej 1480 obr/min, zasilanego z falownika. Silnik miał bardzo duŜe drgania dla dwóch prędkości obrotowych–1360 obr/min i 1130 obr/min. Wyniki badań wskazały na to, Ŝe wymienione prędkości obrotowe to obszary pracy rezonansowej układu napędowego.

Page 3: POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 33

Rys.3. Wybieg silnika o mocy 630kW, pomiar drgań, zaznaczono prędkości rezonansowe napędu

Zaproponowano skutecznie docelowo zmianę masy układu, a doraźnie unikanie w eksploata-cji wspomnianych prędkości. Kolejny przykład to wybieg silnika o mocy 1 MW i prędkości znamionowej 2986 obr/min, w którym po koniecznym remoncie stwierdzono bardzo duŜe drgania - rys.4. Silnik praktycznie z tak duŜymi drganiami, sięgającymi 8 – 10 mm/s w RMS prędkości drgań, nie mógł pracować. Silnik poddano wszechstronnym badaniom diagnosty-cznym. Między innymi analizowano wybieg po wcześniejszym zasilaniu silnika napięciem o częstotliwości 60 Hz. Celem tych badań była obserwacja zachowania silnika przy wymu-szeniu w okolicach 50 Hz. Okazało się, Ŝe silnik ma co najmniej dwa bardzo intensywne rezonanse w okolicach 50 Hz, czyli w okolicach swojej prędkości znamionowej. Powodem była nie-fortunna ingerencja w silnik w czasie remontu. W sposób niedopuszczalny zmieniono sztyw-ność wirnika. W takim stanie silnik nie nadawał się do dalszej eksploatacji. W trakcie badań, w wyniku pomiarów i analiz otrzymywano dla badanych silników widma uśrednione wartości skutecznej prędkości drgań. W celu uzyskania informacji jak pole magnetyczne wpływa na częstotliwości drgań rezonansowych, analizę częstotliwościową na-leŜy wykonać np. dla dwóch chwil czasowych liczonych od momentu wyłączenia napięcia, np. dla 1 s i 3 s.

Rys. 4. Wybieg silnika o mocy 1 MW, przy

wcześniejszym zasilaniu napięciem o częstotli-

wości 60 Hz

Na rys. 5-7 przedstawiono wyniki badań prze-mysłowych silnika duŜej mocy. Silnik o mocy 6,3MW, 6kV, 1490obr/min, pracujący w ukła-dzie elektropompy. Na rys. 5 przedstawiono wynik analizy drgań rezonansowych głównych pasm przy mocowaniu czujnika na korpusie w kierunku stycznym po upływie 1s od mo-mentu wyłączenia silnika, a na rys. 6 po upływie 3 s od wyłączenia silnika w przedziale częstotliwości do 2 kHz. Dla porównania na rys.7. przedstawiono wyniki analizy drgań tego silnika równieŜ przy mocowaniu czujnika na korpusie dla kierunku stycznego w zakresie częstotliwości do 5 kHz.

Page 4: POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 34

Rys. 5. Silnik 6,3MW, wybieg po 1 sek, prędkość drgań

Rys. 6. Silnik 6,3MW, wybieg po 3 sek , prędkość drgań

Rys. 7. Silnik 6,3MW, 6kV, prędkość drgań

Page 5: POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 35

Z przeprowadzonych pomiarów wynikają na-stępujące wnioski: główne częstotliwości drgań rezonansowych występujące w zakresie często-tliwości drgań pochodzenia elektromagnetycz-nego przejawiają się w jednym paśmie. Dla kie-runku stycznego po upływie 1 s od momentu wyłączenia silnika pasmo ma dwie główne czę-stotliwości dominujące 1730Hz i 1820Hz. Po upływie 3 s od momentu wyłączenia silnika, główne częstotliwości dominujące to odpo-wiednio 1625 Hz i 1795 Hz. Ustalono, Ŝe obli-czone i zmierzone częstotliwości dominant drgań pochodzenia elektromagnetycznego, leŜą w pobliŜu ustalonych pomiarowo pasm rezo-nansowych. Sprzyja to intensyfikowaniu się drgań. Stwierdzono równieŜ znaczny wpływ pola magnetycznego na poziom drgań w sil-niku. Metoda wzbudzania silnika do drgań rezonan-sowych przez zwarcie udarowe przebiega w sposób następujący:

Silnik badany znajduje się na stanowisku badawczym o właściwościach umoŜliwiających prowadzenie badań odbiorczych. Silnik uruchamiamy, po czym silnik pracuje na biegu jałowym i następnie zostaje odłączony od sieci zasilającej. Po krótkiej przerwie, rzędu 20÷30 ms zaciski silnika są ze sobą zwierane. Powstaje wówczas moment elektromagne-tyczny działający hamująco na wirnik, moment jest o duŜej wartości i trwa krótko. Powoduje on bardzo intensywne mechaniczne pobudzenie do drgań rezonansowych (wła-snych) silnika. Praprzyczyną jest nie stłumione pole elektromagnetyczne, które wywołuje prze-pływ prądów w uzwojeniach silnika o warto-ściach kilkakrotnie przekraczających prądy znamionowe. Na rys. 8 przedstawiono wyniki pomiarów drgań dla przykładowego silnika 630 kW, 6kV i prędkości znamionowej 1480obr/min.

0.008 0 .4 0.8 1 .2 1.6 2

x 104

0.1

3.1 62

1 00

TO TA L RMS 1.627E+01 m/s 2

Rys.8. Widmo przyspieszenia drgań silnika, pomiar w trakcie zwarcia udarowego, silnik 630kW,

akcelerometr na tarczy łoŜyskowej, strona napędowa, kier. V

m/s2

Page 6: POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH I … · 36 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 36

Widać, Ŝe silnik ma szerokie pasmo rezonan-sowe w granicach 300-500 Hz. W tym paśmie korzystnie jak by nie było Ŝadnych wymuszeń do drgań. Kolejny wniosek z pomiarów to stwierdzenie, Ŝe w badanym silniku zwarcie udarowe wywołuje intensywne chwilowe pobu-dzenie do drgań silnika.

4. Uwagi końcowe Konieczność prowadzenia badań właściwości rezonansowych silników wynika z kilku powo-dów. Jednym z waŜniejszych jest wymóg bada-nia modeli i prototypów. W trakcie tych badań naleŜy stwierdzić, czy nie ma zbyt duŜej zbieŜ-ności częstotliwości i pasm rezonansowych z częstotliwościami sił wymuszających, zwłasz-cza niskich rzędów, w szczególności równym 0 i o duŜych amplitudach. W przypadku stwier-dzenia takiej zbieŜności naleŜy skorygować w miarę moŜliwości liczbę Ŝłobków stojana, wirnika lub „odstroić” silnik, to znaczy zmienić jego właściwości rezonansowe przez korektę rozwiązań części mechanicznej, większe tłu-mienie. W praktyce występuje często koniecz-ność „odstrojenia” fundamentu, posadowienia lub sposobu mocowania silnika na skutek zbieŜności częstotliwości rezonansowych tych elementów, czy czynników z częstotliwościami rezonansowymi silnika. Fakt ten zmusza rów-nieŜ do precyzyjnego ustalenia właściwości re-zonansowych silnika. DuŜą wartość diagnostyczną moŜe mieć po-równanie wyników badań przy pobudzeniu do drgań silników zwarciem udarowym co pewien okres czasu. Pierwsze badania moŜna wykonać na nowym silniku w trakcie badań odbiorczych, będzie to swoista metryka urodzenia silnika je-Ŝeli chodzi o jego właściwości rezonansowe. Przy kolejnych badaniach kontrolnych naleŜy ów pomiar powtórzyć, by ocenić jego stan. Ewentualna zmiana pasm rezonansowych jest sygnałem do szukania przyczyn w zmianie sztywności silnika. Przyczyną mogą być de-fekty natury mechanicznej, ewentualne luzy w mocowaniach, luzy w pakietach, luzy w gnia-zdach, luźne pasowania, luzy w układzie wał – pakiet – klatka, ewentualne pęknięcia. Zauwa-Ŝone zmiany, po pewnym okresie eksploatacji silników w widmie ich drgań w trakcie zwarcia udarowego mają według autora ogromną war-tość diagnostyczną i powinny być kompetentnie wyjaśnione. Zmiany takie moŜna równieŜ za-uwaŜyć w trakcie pomiarów i analizy wybie-gów i rozruchów maszyn. Ewentualna zmiana

tzw. prędkości krytycznych powinna być za-uwaŜona i wyjaśniona. Analiza wybiegu i roz-ruchu maszyn krytycznych i quasi-krytycznych według autora powinna wchodzić na stałe w stosowane procedury diagnostyczne w da-nym zakładzie przemysłowym. W ocenie autora pomiary częstotliwości rezonansowych maszyn powinny być prowadzone na docelowych miej-scach zainstalowania (solidne fundamenty lub konstrukcje wsporcze) lub na stanowiskach ba-dawczych o odpowiednich charakterystykach (stanowisko nie powinno negatywnie wpływać na charakterystyki częstotliwościowe maszyn badanej).

Literatura [1]. Broch J.T.: The aplication of the Brüel & Kjær

measuring systems to mechanical vibration and

shock measurements. Brüel & Kjær 1976. [2]. Lipiński J.: Fundamenty i konstrukcje wsporcze

pod maszyny. Arkady, Warszawa 1969. [3]. Ławrowski Z.: Diagnostyka silników klatko-

wych wysokiego napięcia w energetyce na przykła-

dzie Elektrowni Opole. Praca doktorska, Politech-nika Śląska, Wydział Elektryczny, Gliwice 1999. [4]. Łączkowski R.: Wibroakustyka maszyn i urzą-

dzeń. WNT, Warszawa 1983. [5]. Moczulski W.: Metoda wibroakustycznych ba-

dań maszyn wirnikowych w warunkach rozruchu

lub zatrzymania. Praca doktorska, Politechnika Ślą-ska, Wydział Mechaniczny Gliwice, 1984. [6]. Szymaniec S.: Badania wibroakustyczne silni-

ków indukcyjnych trójfazowych. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Gliwice 1985. [7]. Szymaniec S.: Diagnostyka stanu izolacji

uzwojeń i stanu łoŜysk silników indukcyjnych klat-

kowych w warunkach przemysłowej eksploatacji. Studia i Monografie z.193. Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, Opole 2006.

Autor Dr hab. inŜ. Sławomir Szymaniec prof. PO. Politechnika Opolska. Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki. 45-758 Opole ul. Prószkowska 76, bud. nr 1. [email protected]

Artykuł napisano w ramach realizacji projektu RPOP.01.03.01-16-003/10-00 „Nowoczesna eksplo-atacja, diagnostyka, monitoring i serwis łoŜysk tocznych w napędach elektrycznych – laboratorium Instytutu Układów Elektromechanicznych i Elektro-niki Przemysłowej Politechniki Opolskiej w Opolu”. Projekt finansowany przez Unię Europejską, w ra-mach Regionalnego Programu Operacyjnego Wo-jewództwa Opolskiego na lata 2007-2013 i Poli-technikę Opolską.