Вибрация электрических машин электромагнитного происхождения

Хотя природа вибрации электромагнитного происхождения является общей для машин всех типов (среди которых асинхронные электродвигатели имеют наиболее сложный вид электромагнитного поля), особенности процессов взаимного преобразования электрической и механической энергии и индивидуальные конструктивные особенности как типа, так и каждой конкретной машины могут оказывать существенное влияние на характер ее вибрации. Вследствие этого диагностические признаки дефектов цепей в различных типах машин могут существенно различаться.

В электрических машинах присутствуют два основных вида сил возбуждения электромагнитного происхождения:

радиальные силы, возникающие при временных и пространственных изменениях магнитного поля в воздушном зазоре между ротором и статором;

тангенциальные силы, возникающие при взаимодействии магнитного поля с линейной токовой нагрузкой машины.

Характер этих сил определяется изменением МДС обмоток и магнитной проводимостью воздушного зазора машин, т.е. индукцией магнитного поля и линейной токовой нагрузкой в обмотках машины. При этом электромагнитные силы могут вызывать значительные деформации магнитопровода, возбуждая пространственные колебания статора и изгиб кольца статора, а также изгиб ротора. Источники электромагнитных сил распределены в пространстве и не имеют конкретной точки приложения.

При проектировании электрических машин распределение электрических и магнитных сил и потоков по цепям стремятся создать пространственно симметричным. Их вклад в общую вибрацию машин в исправном состоянии в большинстве случаев невелик.

Основное влияние на характер вибрации оказывают уровни технологии изготовления электрической машины, сборки (ремонта) и особенности эксплуатации. Низкое качество первых двух факторов может привести к асимметрии электрических и магнитных цепей, с переходом на нелинейные участки кривой намагничивания в различных режимах работы машины, а также проявлением нелинейности сопротивления магнитных цепей. Например, отклонения формы статора и ротора, перекосы подшипников (опор) и другие дефекты изготовления и сборки, вызывающие статический и динамический эксцентриситет (т.е. неравномерность воздушного зазора), могут приводить к появлению значительной магнитной асимметрии и изменению характера вибрации. С другой стороны, параметры вибрации машины могут существенно зависеть от условий эксплуатации (например, числа пусков ЭД) и качества напряжения сети.

При диагностике дефектов, сопровождающихся повышенной вибрацией электрических машин, в первую очередь необходимо установить, является ли ее причина электромагнитного происхождения или механического. Между последними не всегда можно провести четкую грань: трещина в стержне ротора АЭД может привести к его местному нагреву и, как следствие, тепловому дисбалансу (в этом случае первопричина — дефект электрического происхождения).

В электромеханических системах, особенно при наличии электромагнитных и механических дефектов, одновременное существование и взаимодействие различных вызывающих вибрацию сил может приводить к возникновению сложных сигналов вибрации: модуляции и биениям.

Процессы модуляции колебаний и биения в электрических машинах (в т.ч. если они вызваны электромагнитными дефектами) несут большую информацию о ее техническом состоянии. Наличие этих процессов, определенным образом изменяющих форму сигнала вибрации, приводит к возникновению характерных признаков, во многих случаях легко определяемых визуально.

По форме кривой сигнала вибрации, особенно полигармонической, весьма сложно отличить биения от модуляции, т.е. классифицировать электромагнитные дефекты машины. Однако, в принципе, это и не требуется: уточнение вида неисправности можно провести с применением спектрального и других видов анализа. Обычно в процессе вибромониторинга состояния оборудования при измерении и запоминании данных измерения вибрации ся минимизировать частотное разрешение спектра с целью экономии памяти сборщика данных, памяти дискового накопителя компьютера и ускорения процессов сбора и обработки информации. Это часто приводит к тому, что на графике спектра (например, при модуляции) боковые частоты сливаются с несущей частотной составляющей в одну спектральную линию, что иногда значительно затрудняет распознавание некоторых электрических дефектов. Аналогичная ситуация возникает и при биениях. Часто, особенно если в процессе мониторинга не записываются и не анализируются формы сигналов вибрации, это приводит к тому, что электрические дефекты вовремя на обнаруживаются.

Однако, если регистрируется форма сигнала вибрации, бросив на нее даже беглый взгляд, специалист при анализе, может легко обнаружить признаки модуляции или биений, после чего легко применить спектральный анализ с высоким разрешением по частоте или другие специальные виды анализа сигнала для определения конкретного дефекта.

Всегда следует помнить, что биения в электромеханических системах могут быть связаны не только с электромагнитными дефектами.

Например, два электродвигателя, особенно расположенные на одном основании, могут иметь близкие частоты вращения роторов, что приводит к биениям чисто механического происхождения. Другой пример: на одном из компрессорных агрегатов с частотой вращения компрессора близкой к пятой гармонике частоты вращения ротора ЭД наблюдались признаки биений, вызываемых неудачной конструкцией агрегата. Модуляция бывает характерна для ряда дефектов зубчатых передач, некоторых дефектов подшипников качения и др.

Валено, что у машин в исправном техническом состоянием, в отличи и от имеющих электрические дефекты, изменение величины электрического тока в обмотках при изменении нагрузки в основном не изменяет уровни электромагнитной вибрации.

Вибрация электромагнитного происхождения обладает общим свойством: ее уровень скачкообразно падает при отключении машины от сети в момент начала останова, особенно останова под нагрузкой. Величина скачка вибрации по отношению к ее исходной величине говорит о "вкладе" механических и электромагнитных дефектов в общую величину вибрации.

Иллюстрацией этому служит пример, приведенный на рис. 10 — 03. На форме кривой сигнала вибрации стрелкой 1 помечен момент выключения питания асинхронного ЭД (в дальнейшем АЭД). На спектре вибрации, полученном до выключения питания АЭД, стрелкой 2 помечена вибрационная составляющая электрического дефекта, на величину которой в момент выключения питания уменьшилась вибрация. На фрагменте кривой сигнала вибрации группой стрелок 3 помечена вибрация до выключения питания: три последовательно идущих максимума имеют признаки биений (амплитуда флуктуирует), группой стрелок 4 помечена вибрация после выключения питания: вибрация снизилась, признаки биений пропали (амплитуда максимумов примерно равна).

При возникновении дефектов электромагнитного происхождения, в отсутствии других дефектов машины, уровень случайной вибрации (шумовой компоненты) практически не изменяется, а высокочастотные гармонические составляющие, как правило, имеют сравнительно небольшие значения.

В текущей главе рассмотрены некоторые примеры вибрации электромагнитного происхождения, связанной с ротором и статором машины, которую могут вызывать следующие, наиболее часто встречающиеся, причины:

несимметрия электрических цепей (ротора и/или статора) машины;

несимметрия и нелинейность магнитных цепей (ротора и/или статора) машины;

низкое качество электроэнергии.

Характерные частоты составляющих вибрации, возникающей при различных дефектах электрических машин приведены в таблице 10—1.