MONITORIZARE SI DIAGNOZA IN SISTEME ELECTROMECANICE

MONITORIZARE SI DIAGNOZA IN SISTEME
ELECTROMECANICE
2009-2010 SEM - CURS 12 1

TERMENI UZUALI:
situație de defect - deteriorarea sau întreruperea capacității unui
sistem de a asigura o funcție cerută în condițiile de funcționare
specificate
diagnoza - include etapele de izolare şi identificare a defectelor
determinarea tipului de defect, a
locului de producere a
defectului şi a momentului de
detectare
determinarea mărimii şi
comportării în timp a
defectului, respectiv a
cauzei care a generat
defectarea constatată.
2009-2010 SEM - CURS 12 2

Modul de monitorizare a stării sistemului (condition monitoring module):
ansamblul tuturor echipamentelor care asigură preluarea şi analiza
semnalelor din sistem, detecția şi diagnoza defectelor
Analiza vibratiilor
Tehnologii de monitorizare si diagnoza
Termografia
Analiza sistemelor
electrice
Spectrografia
Analiza fluidului de
ungere/racire
2009-2010 SEM - CURS 12 3

ANALIZA VIBRATIILOR
2009-2010 SEM - CURS 12 4

accelerometru
Fiecare tip de defect se regaseste in anumite frecvente in spectrum vibratiilor
2009-2010 SEM - CURS 12 5

Traductori
Masina
Sistem de monitorizare si diagnoza
Placa de achizitie
Measurement &
Automation SW
PCI/PXI/CompactPCI PC
2009-2010 SEM - CURS 12 6

Pozitionarea accelerometrului
2009-2010 SEM - CURS 12 7

Procesarea semnalului
Domeniu
frecventa
Domeniu timp
2009-2010 SEM - CURS 12 8

ANALIZA TEMPERATURII
Utilizand traductori de
temperatura – termocuple, de
exemplu
Utilizand camere cu infrarosu
pentru vizualizarea si masurarea
energiei termice
Termografia
Se bazeaza pe faptul ca orice corp, cu temperatura peste sau
sub 0°C emite caldura.
2009-2010 SEM - CURS 12 9

Pentru motoarele electrice
Ventilatie
blocata
Suprasarcina
Alimentare
nesimetrica
Termograma si profilul variatiei temperaturii la o ventilatie corespunzatoare
2009-2010 SEM - CURS 12 10

Termograma la alimentare
simetrica
Termograma la alimentare
nesimetrica – o faza
nealimentata
2009-2010 SEM - CURS 12 11

Cutia cu borne - termograma
Observatie. Faza 2 este nealimentata.
2009-2010 SEM - CURS 12 12

Pentru lagare
Mediul de lucru
Praf
Umiditate
Gaze
Suprasarcini
2009-2010 SEM - CURS 12 13

Termograma a doua lagare: unul deteriorat datorita umiditatii si unul
fara probleme
2009-2010 SEM - CURS 12 14

Lagar cu probleme
Lagar fara probleme
2009-2010 SEM - CURS 12 15

Echipament electric
Contactoare Fuzibile
2009-2010 SEM - CURS 12 16

ANALIZA FLUIDULUI DE UNGERE/RACIRE
Prezenta unor particule metalice: prin spectrometrie.
Indicator al unei uzuri
Aciditatea: oxidare datorita temperaturilor inalte, particule de apa,
sau utilizarea indelungata
Vascozitatea: poate fi modificata la contaminarea cu funingine sau
datorita oxidarii.
Diluarea: la motoarele termice poate reprezenta o problema la sistemul de
injectie. Se masoara prin cromatografie.
2009-2010 SEM - CURS 12 17

ANALIZA SISTEMULUI DE ACTIONARE ELECTRICA
Exista o gama larga de metode pentru monitorizare si diagnoza in sisteme de
actionare electrice, functie de tipul si localizarea defectelor.
La nivelul circuitului de
forta
Defecte
Ale
circuitului
electric
La nivelul convertorului
electromecanic
Ale
circuitului
magnetic
Mecanice
2009-2010 SEM - CURS 12 18

Metode de monitorizare si diagnoza in SAE
Pe baza unui model al sistemului de
actionare
Pe baza estimarii parametrilor sistemului
Prin analiza unor marimi importante : curenti, tensiuni,
cuplu, flux de scapari, etc
2009-2010 SEM - CURS 12 19

ARMONICI IN MASINI ELECTRICE DE CURENT
ALTERNATIV
2009-2010 SEM - CURS 12 20

Armonici de spatiu: datorita
distributiei solenatiei in intrefier
Armonici in masinile electrice
convertoare
Armonici de timp: datorate
armonicilor surselor de
alimentare
reteaua de
alimentare
2009-2010 SEM - CURS 12 21

Mod de lucru
Distributia
solenatiei
inductoare in
intrefier
Fluxul in
infasurarile
inductoare
Dezvoltare in serie
Fourier
Dezvoltare in
serie Fourier
Armonici de
curent ce
parcurg
infasurarile
inductorului
Distributia
solenatiei
indusului in
intrefier
Fluxul in infasurarea
indusului
Armonici de
curent ce parcurg
infasurarile
indusului
2009-2010 SEM - CURS 12 22

(1-ζ)Θ b
ζΘ b
Distributia solenatiei unei bobine (pentru un pol)
τ p /2 τ p /2 τ p /2 τ p /2
⎧
⎪
( 1−
ς ) Θ
⎪
Θb(
x)
= ⎨ − ςΘb
⎪
⎪(
1−
ς ) Θ
⎪⎩
Θ
(
b x
)
b
b
=
τ b
τ p
y
∑ ∞
ν = 1
x
1
0 < x < τ b
2
1
1
τ b < x < 2τ
p − τ b
2
2
1
2τ
p − τ b < x < 2τ
p
2
Θ
bν
x cos( ν π ) τ p
2009-2010 SEM - CURS 12 23
Θ b
Dezvoltare in serie Fourier
y
Θ b =Ni(t)
τ p
τ b
O
x

Bobina ∑ ∞
Θ
b
( x)
=
2
Ni(
t)
nb
∞
Grup de nb bobine Θgrup
( x)
= Ni(
t)
∑∑
τ 1
τ 2
τ 3
τ p
x
1 ⎛ ⎞
⎜
π τ
⎟
x
sin ν cos( ν π )
⎝ ⎠
b
π ⎜ ⎟
ν = 1ν
2 τ p τ p
2
π
1 ⎛ ⎞
⎜
π τ b ⎟
x
sin ν cos( ν π )
ν ⎜ ⎟
⎝ 2 τ ⎠ τ
b= 1 ν = 1
p
p
Distributia solenatiei unui grup de 3 bobine
concentrice, cu latimi diferite, inseriate.
2009-2010 SEM - CURS 12 24

Pentru o masina cu p poli si m faze, solenatia totala pe armatura
Θ
total
( x,
t)
=
Inductia magnetica in intrefier
µ Θ
B(
x,
t)
=
2
N
π
mp
∑
g=
1
( x,
t)
n
b
I
g
µ
∞
∑
ν = 1
PERTURBAȚII ASUPRA REȚELEI DE ALIMENTARE - ARMONICI
1
k
ν
gν
[ sin( α −νβ
) + sin( α + νβ ) ]
mp ∞
0 total 0 = N∑
nbI
g∑
kgν
)
2δ
c πδ c g = 1 ν = 1ν
[ sin( α −νβ
) + sin( α + νβ ]
2009-2010 SEM - CURS 12 25
1

MASINA DE INDUCTIE – infasurarea statorica
N
1 2 3
2009-2010 SEM - CURS 12 26
i 2
i 1
i 3

2009-2010 SEM - CURS 12 27
Distribuția solenației statorice pentru maşina de inducție considerată
Θ fgb (α)
α
π 2π
0
Phase
1
Phase
3
Phase
2
Phase
2
Phase
3
Phase
1
Phase
1
Phase
3
Phase
2
Phase
2
Phase
3
Phase
1
( )
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
=
=
3
2
sin
2
)
(
3
2
sin
2
)
(
sin
2
)
(
π
ω
π
ω
ω
t
I
t
i
t
I
t
i
t
I
t
i
c
b
a
Curenti statorici
1
6
,
sin
2
sin
6
)
,
(
1
6
,
sin
2
sin
6
)
,
(
3
1
3
1
−
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
Θ
+
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
Θ
∑
∑
=
=
k
x
t
p
I
N
x
t
k
x
t
p
I
N
x
t
p
b p
cb
s
a
s
s
p
b p
cb
s
a
s
s
ν
τ
νπ
ω
π
τ
τ
ν
πν
ν
τ
νπ
ω
π
τ
τ
ν
πν
ν
ν
Solenatie statorica

Rotorul in colivie: Z r ochiuri rotorice
ωωωω
t
2ππππ
( k −1)
r αααα 1r
= + −
p Z r
ωωωω
2ππππ
( k −1)
r αααα 2r
= t + +
p Z r
ππππ
Z
r
ππππ
Z
r
2π/Z r
Ochiul k
Φ
s
kν
⎧
⎪ Φ
⎪
( t)
= ⎨
⎪Φ
⎪
⎩
( k 1)
⎡ νπ 2π
−
sin⎢ωt
−νωrt
−
⎣ p Zr
⎡ νπ 2π
−
sin⎢ωt
− + νωrt
+
⎣
p Zr
( k 1)
⎤
⎥,
ν = 6k
+ 1
⎦
⎤
⎥,
ν = 6k
−1
⎦
2009-2010 SEM - CURS 12 28
maxν
maxν
Flux indus de catre solenatia
statorica intr-un ochi rotoric

Rotorul bobinat: Z r crestaturi rotorice, m r faze rotorice
ωωωω r 2ππππ
( b ττττ
r −1)
αααα 2 r =
t + + ππππ
p 3 2ττττ
ωωωω r 2ππππ
( br
−1)
ττττ cbr
αααα 1r
= t + −ππππ
p 3 2ττττ
N
cbr
1 2 3
pr
pr
Bobina b r a rotorului
2009-2010 SEM - CURS 12 29

e
k , ν
f
f
rotor
rotor
= −
=
=
d
dt
Φ
s
kν
[ 1m
( 1−
s)
]
( t)
= ωΦmax
[ 1−ν
( 1−
s)
]
ν ν
f , ν = 6k
+ 1
[ 1+
ν ( 1−
s)
] f , ν = 6k
−1
( k 1)
⎤
⎥⎦
⎡ νπ 2π
−
cos⎢ωt
mνωr
t m
⎣
p Zr
T.e.m. indusa de catre solenatia
statorica intr-un ochi rotoric/bobina
rotorica
Frecventele componentelor spectrale ale
curentilor rotorici
2009-2010 SEM - CURS 12 30

Θ
r
kν
F maxk
τ p
Solenația corespunzatoare unei faze
rotorice
Dezvoltare
⎧ r
2k
− 1 2π
in serie
⎪
− ςΘ
max k , 0 ≤ α <
2 Z
Fourier
r
⎪
⎪
⎪
r 2k
− 1 2π
2k
+ 1 2π
( α ) = ⎨ ( 1 − ς r ) Θ max k , ≤ α ≤
⎪
2 Z r 2 Z r
⎪
⎪ r 2k
+ 1 2π
⎪−
ς rΘ
max k , < α ≤ 2π
⎩
2 Z r
Infasurarea echivalenta a rotorului în colivie.
π/Z r 3π/Zr 5π/Z r 7π/Z r 9π/Z r 11π/Z r 13π/Z r 15π/Z r 17π/Z r 19π/Z r 21π/Z r 23π/Z r 25π/Z r 27π/Z r
Distribuţia solenaţiei rotorice de-a lungul întrefierului.
Zr
I ∞
rν
, max 1 ⎛πγ
⎞
Θ = ∑ ∑ ⎜
⎟
ν ( α, t)
sin sin ν m
k= 1 π γ = 1 γ ⎝ Zr
⎠
{ γα±
s ωt
+ ( γ νp)
}
2009-2010 SEM - CURS 12 31
τ p

Pentru tensiunea electromotoare indusă în bobina statorică rezulta armonici de curent de frecvență
Ordinul
armonicii
(γ)
1
2
4
5
6
8
9
Frecvenţa armonicii
[Hz]
637
1424
2698
3485
4171.5
5546
6133
[dB]
-50
-100
-150
-200
-250
0
⎡ Zr
⎤
fstator
= ⎢γ
( 1−
s)
± 1 f
p
⎥
⎣
⎦
0 400 800 1200 1600 f[Hz]
2009-2010 SEM - CURS 12 32
50Hz
637Hz
Spectrul de frecvențe al curentului statoric
1424Hz

MASINA SINCRONA
Rotor cu poli inecati
(infasurari distribuite in crestaturi
rotorice)
Stator(indusul)
Rotor(inductor)
Rotor cu poli aparenti
(infasurari concentrate sau magneti
permanenti)
2009-2010 SEM - CURS 12 33

Θ r
Rotor cu poli aparenti
Bobine rotorice concentrate sau magneti
permanenti pe rotor
N S
τbr τpr Solenatia dezvoltata de infasurarea/magnetul permanent rotoric:
Θ
r
∑ ∞
t) = Θr
, νννν , max
νννν = 1
( αααα ,
( t)
cos pνα
να να να
cu
Θr , νννν , max
2009-2010 SEM - CURS 12 34
α
( t)
= cons tan t

Θ fgb (α)
0
Θ
r
( x)
=
c
Rotor cu poli inecati
Solenatia dezvoltata de infasurarea rotorica:
π 2π
∑ Θb
( x)
= cNi
r ∑
∞
= ⎥ ⎥
1 ⎡ x ⎤
k cos νννν ( ππππ )
⎢⎢
⎣ ⎦
cνννν
b = 1 ππππ νννν 1 νννν ττττ p
r
2
2009-2010 SEM - CURS 12 35
α

Conexiunile infasurarii statorice
ωωωω r 2ππππ
( bs
−1)
ττττ cbs
αααα 1s
= t + −ππππ
p 3 2ττττ
ωωωω r 2ππππ
( bs
−1)
ττττ cbs
αααα 2 s = t + + ππππ
p 3 2ττττ
N
1 2 3
ps
ps
Bobina b s a statorului
Expresia fluxului care inlantuie
bobina statorica b s prin
armonica ν rotorica e data de :
αααα 2 s
b νννν t Bνννν
dA
s , ( ) = ∫ = ∫
c
S
αααα
c
µµµµ 0Θ
r , νννν ( αααα , t)
l dαααα
δδδδ
2009-2010 SEM - CURS 12 36
Φ
k
1 s
Fluxul total in bobina b s :
( t) = Φbs
Φ ∑ ∞
bs
νννν = 1
Tensiunea electromotoare indusa in bobina b s :
= − Φ = ∑ ∞
d
b ( t)
s dt
E
ebs bs
, νννν , max
νννν = 1
f =
νννν f
Frecventele ce vor apare in curentul statoric: stator source
, νννν
( b 1)
2ππππ
s −
cos νω νω νω νωt
+ pνννν
⎩⎨⎧
3
( b 1)
2ππππ
s −
cos νω νω νω νωt
+ pνννν
⎩⎨⎧
3
⎭⎬⎫
⎭⎬⎫

APLICATII
2009-2010 SEM - CURS 12 37

Diagnoza in masini electrice
electrice
rotorice statorice
Defecte in masini electrice
magnetice
DEZECHILIBRE
mecanice
2009-2010 SEM - CURS 12 38

Diagnoza in masini de inductie
Defecte electrice
Bare sau inele rupte Scurtcircuite statorice sau
rotorice
Dezechilibru
CURENT FLUX CUPLU
2009-2010 SEM - CURS 12 39

DEFECTE ELECTRICE STATORICE
2009-2010 SEM - CURS 12 40

Θ fgb(α)
Masina de inductie
fara defecte
A 1+ A 1-
A 1+ +A 2-
Θ fgb(α)
A + A -
A + +A -
A + A-
Masina de inductie
cu scurtcircuit in faza
1 grupul 2
A1- +A2+ A1- +A2- 2009-2010 SEM - CURS 12 41
2A -
A 2+ A2-

Solenatia statorului fara defecte
Θ
s
3 3NI
ττττ cb ππππ
s(
t,
x)
sin νννν sin
νννν 1 πν πν πν πν b 1 ττττ p 2 ⎟ ⎟
⎛ ⎛ ⎞⎞
Θ = ∑ ⎜⎜ ∑ ⎜⎜
⎟⎟
= ⎝ = ⎝ ⎠⎠
ν=
6 k±
1,
k=
0,
1,
2,...
Solenatia statorica cu defecte statorice (scurt circuit)
∞
( ωωωω t mνννν
pαααα
) + + Θ sin(
ωωωω t νννν αααα )
∑ Θνννν
max sin ∑
( αααα , t) =
m
νννν = 1 νννν = 1
2009-2010 SEM - CURS 12 42
∞
sc
νννν
sc
max
ν=
6 k±
1,
k=
0,
1,
2,...
νsc=
1,
3,
5,...
[ ωωωω t mνννν
pαααα
]
sc

[dB]
0
-40
-80
Masina de inductie fara defecte Masina de inductie cu 6 spire in scurt-circuit
50Hz
631Hz
731Hz 1313Hz
1413Hz
-120
0 400 800 1200 1600 [Hz]
-120
0 400 800 1200 1600 [Hz]
2009-2010 SEM - CURS 12 43
[dB]
0
-40
-80
Curent statoric
50Hz 632Hz
732Hz
1314Hz
1413Hz

0
-50
-100
0
-50
-100
0
-50
-100
Masina fara defect
0 400 800 1200 1600 [Hz]
Masina cu 3 spire in scurtcircuit
0 400 800 1200 1600 [Hz]
Masina cu 6 spire in scurtcircuit
0 400 800 1200 1600 [Hz]
CUPLU ELECTROMAGNETIC
2009-2010 SEM - CURS 12 44

DEFECTE ELECTRICE ROTORICE
2009-2010 SEM - CURS 12 45

Solenatia rotorului fara defecte
Θ
r , νννν
{ γα γα γα γα ± s ωωωω }
∑ ∞ Zr
Irνννν
, max 1 ⎛ πγ πγ πγ πγ ⎞
( αααα , t)
=
sin⎜⎜
⎟⎟ sin νννν t
ππππ γγγγ = 1 γγγγ ⎝ Zr
⎠
Solenatia rotorului cu defecte rotorice
Θ
νννν
∞
∑ ∑
( )
=
= ⎭ ⎬⎫
Nr Irνννν
, max 1 ⎛ πγ πγ πγ πγ ⎞
2ππππ
( αααα , t)
=
sin⎜⎜
⎟⎟ sin γα γα γα γα ± sνννν
ωωωω t + γγγγ mνννν
p k
k 1 ππππ γγγγ 1 γγγγ ⎝ Z r ⎠ ⎩⎨⎧
Z r
γγγγ = ± νννν p,
q = 0,
1,
2...
νννν = 6k
± 1,
k =
2009-2010
Ruptura a doua bare
SEM - CURS 12 46
qZ r
γγγγ
= 0, 1,
2,...
γγγγ ≠ 2 pi, i ∈ N
0,
1,
2,...

Inductanta mutuala intre infasurarea m a statorului si noul ochi rotoric
format
Noul ochi format
k-1 k+1
infasurarea m a statorului
Inductanta mutuala intre infasurarea m a statorului si noul ochi rotoric
Vom regasi armonici in plus in spectrele curentului statoric si al
cuplului in cazul in care sunt defecte in masina
2009-2010 SEM - CURS 12 47
α

[dB]
-40
-80
[dB]
-40
-80
Masina sanatoasa
0 200 400 600 800 [Hz]
Masina cu 5 bare rupte
0 200 400 600 800 [Hz]
⎡⎛
µ ⎞ ⎤
= ⎜ m
⎟(
1−
) ± 1
fstator ⎢ ν s ⎥
⎣⎝
p ⎠ ⎦
2009-2010 SEM - CURS 12 48
f
sursa