TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING

1. KVAROVI ELEKTRIČNIH STROJEVA 60% električne energije potrošene u industriji otpada na (asinkrone) motore Zahtjevi za sve većom sigurnošću, pouzdanošću, korisnošću i kvalitetnom radu električnih strojeva daju sve veći značaj otkrivanju i analizi kvarova Ipak se kvarovi pojavljuju S obzirom da se pokušavaju reducirati cijene analize i projektiranja strojeva dijagnostika kvarova postaje sve važnija. Kako projektiranje strojeva postaje sve kompleksnije zbog naglog razvoja tehnologije moraju i strategije monitoringa biti sve naprednije. Pojava kvara i popravak rezultiraju gubicima u proizvodnji ali mogu biti i katastrofalni za proizvodnju pa čak i opasni za osoblje. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

2. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING KVAROVI ELEKTRIČNIH STROJEVA Kvar – stanje komponente kad su reducirane njene mogućnosti s obzirom na specificirane zahtjeve Kvar je posljedica normalnog trošenja, neodgovarajuće specifikacije ili projekta, loše montaže, pogrešne upotrebe ili kombinacija navedenog Ako se kvar ne detektira ili dođe do njegovog razvoja često to dovodi do ispada stroja iz pogona Analize pokazuju da vrsta kvara ovisi o primjeni stroja i o okolišu u kojem stroj radi Npr. ekstremna vlaga za motore koji rade vani može izazivati 2,5 puta više kvarova nego kod motora koji rade u zatvorenom prostoru FER-ZESA I.Gašparac

3. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

4. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

5. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Općenito se kvarovi mogu klasificirati: Kvarovi statora koji su posljedica prekida ili kratkih spojeva spoj zavoja na masu loš spoj statorskog namota polomljeni štapovi ili prsteni kaveznog rotora statičke ili dinamičke nepravilnosti zračnog raspora savijena osovina što rezultira struganjem rotora o stator i vrlo ozbiljnim oštećenjima paketa statora i namota kratko spojen rotorski uzbudni namot razmagnetiziranje permanentnih magneta kvarovi ležaja i prijenosnika FER-ZESA I.Gašparac

6. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Kvarovi namota statora i rotora Veliki dio kvarova el. stroja je vezan je uz namot statora i paket. Najviše kvarova statorskog namota posljedica su oštećenja izolacije zavoja. Često kvar počinje kao međuzavojni spoj da bi se proširio na spoj svitak-svitak, faza-faza ili faza – masa uzrokujući konačno ispad stroja iz pogona. Kratkospojeni zavoji statorskog namota spadaju u kategoriju kvarova sa zanemarivim efektima, ali čija prisutnost može eventualno izazvati katastrofalne posljedice. Uzroci su: termičko preopterećenje, mehaničke vibracije, prenaponi kod frekvencijski upravljanih pogona i sl. Najčešći uzroci kvarova statorskog namota su: visoka temperatura statorskog namota i paketa razlabavljeni limovi paketa, klinovi i veze oslabljenje veza krajeva namota onečišćenje uljem, vlagom i nečistoćama kratki spojevi naprezanja pri pokretanju električni izboji curenje u rashladnom sustavu FER-ZESA I.Gašparac

7. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Mehanizam kvara i simptomi Izgleda da je većina kvarova povezana s izolacijom vodiča kad dolazi do isprekidanih lukova male snage koji izazivaju eroziju vodiča a kad postepeno energija naraste dolazi do zavarivanja što izaziva velike inducirane struje u kratkospojenim petljama koje vode do brzog statorskog kvara. Kratki spoj u statorskom namotu Kod velikih generatora i motora izolacija statorskog i rotorskog namota izvrgnuta je kombinaciji toplinskih, električnih, vibracijskih, termo-mehaničkih naprezanja uz utjecaj okoline. Brojna naprezanja uzrokuju starenje što u konačnici dovodi do proboja izolacije. Iz tih je razloga važno procijeniti preostalu životnu dob izolacije nakon određenog vremena rada. Dotrajalost izolacije namota obično počinje međuzavojnim kvarom koji uključuje nekoliko zavoja namota. Međuzavojni kvar statorskog namota el. stroja uzrokuje velike kružne struje koje teku kratkospojenim zavojima i uzrokuju zagrijavanje što izaziva brzo širenje kvara na veću sekciju namota. Ako se ne detektira međuzavojni kvar brzo (mjereno minutama ako ne sekundama) propagira i prelazi u katastrofalni kvar faza-masa ili faza- faza kratki spoj. FER-ZESA I.Gašparac

8. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Kao važno pravilo valja uočiti da svako trajno povećanje nadtemperature izolacije za 10oC skraćuje životnu dob na pola! Kvar izolacije namot-masa vodi do velikih struja prema masi koje uzrokuju nereverzibilna oštećenja paketa, čak tolikih razmjera da se stroj ne isplati popravljati. Detekcija kvara u početnoj fazi znači da će se stroj moći upotrijebiti u pogonu, ali će redovito biti potrebno prematanje. Za visokonaponske strojeve i velike niskonaponske strojeve on-line praćenje izolacije se može provoditi praćenjem parcijalnih izbijanja. Kod malih strojeva kratki spoj zavoj-zavoj se može razvijati i satima, ovisno o opterećenju motora i težini početnog kvara. Drugi kvar poveza sa statorskim namotom je prekid jedne faze. Tada linijski napon djeluje na dvije faze (ako je spoj zvijezda) i to je jednofazno napajanje motora. FER-ZESA I.Gašparac

9. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Posljedica međuzavojnog kvara je prestanak djelovanja grupe zavoja statorskog namota. To nema preveliki utjecaj ali se kvantitativno odražava na razdiobu magnetskog toka u zračnom rasporu. Slika pokazuje međuzavojni kratki spoj među točkama a i b kompletnog statorskog namota. Put kružnih struja između tih točaka je zatvoren a put AA´ se raspada u dva nezavisna kruga. Slika pokazuje da dvije struje , fazna struja i struja koja teče kratkospojenim dijelom kruga proizvode protivna protjecanja. Zato, međuzavojni kratki spoj ima kumulativno djelovanje na smanjenje protjecanja u blizini kratkospojenih zavoja. Prvo, kad se pojavi kratki spoj fazni namot ima manje zavoja i zato manje protjecanje. Potom, struje kratkog spoja daju protjecanje suprotno protjecanju faznog namota. Kružna struja Ic je rezultat galvanskog spoja između točaka a i b ali njoj doprinosi i transformatorski efekt , odnosno međuindukcija. FER-ZESA I.Gašparac

10. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Kvarovi paketa Općenito Problemi s paketom su rijetki (oko 1% od svih kvarova) u usporedbi s problemima statorskog namota a takvi problemi obično nisu od prevelikog značaja kod malih strojeva. Ipak proces popravka/obnove paketa je skup jer u pravilu zahtjeva zamjenu cijelog paketa. Zato je od interesa identificiranje uzroka problema s paketom i pronalaženjenačina monitoringa paketa da se preventivno detektira kvar paketa, posebno u slučaju velikih strojeva gdje trošak popravka i obustave pogona može biti značajan. Na sreću su ovakvi kvarovi relativno rijetki i kod velikih strojeva. Ipak se zbog važnosti takvih strojeva svemu tome valja poklanjati potrebnma pažnja. Uzroci Paket statora je sagrađen od tankih izoliranih limova sa svrhom smanjenja gubitaka od vrtložnih struja. Kod srednji i velikih strojeva paket se preša nakon paketiranja da se spriječe vibracije pojedinih limova i poveća toplinska vodljivost paketa. FER-ZESA I.Gašparac

11. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Glavni su uzroci kvarova paketa: topljenje paketa kao posljedica struja kvara prema masi vibracije limova zbog oslabljenog stezanja popuštanje stezanja krajeva paketa zbog vibracija tijekom rada popuštanje paketa zbog stezanja izolacije s vremenom i zbog temperature problemi pri proizvodnji paketa – nejednake debljine limova koje uzrokuju kumulativno nejednoliku raspodjelu pritisaka greške izolacije limova mehanička oštećenja unutrašnje površine statora prilikom sastavljanja, pregleda, prematanja, preklinjavanja toplinske, kemijske ili mehaničke sile koje nastaju zbog ostataka za vrijeme prematanja namota struganje rotora o stator prilikom sastavljanja i tijekom rada iskrenje (el.luk) zbog kvarova namota strana tijela unešena tijekom sastavljanja, pregleda ili popravaka. FER-ZESA I.Gašparac

12. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Kvarovi unutar paketa se vrlo teško prate on-line monitoringom jer kvar uzrokuje samo lokalne promjene u raspodjeli magnetskog toka i lokalna zagrijavanja. Paket velikog stroja se obično pregleda tijekom i nakon proizvodnje, na redovitim remontima i poslije popravka. Prije nego što su razvijene tehnike toplinskog i elektromagnetskog utvrđivanja kvara kvarovi izolacije paketa su se utvrđivali vizuelnim pregledima. Mehanizam i simptomi kvara Ako se limovi kratko spoje iz bilo kojeg od ranije navedenih razloga, inuciraju se vrtložne struje u petlji kvara koje su veće od struja u normalnom pogonu. To izaziva dodatne gubitke u željezu i izaziva lokalno zagrijavanje koje može napredovati i izazvati nagorenosti ili topljenje limova paketa. Kao posljedica može doći i do oštećenja izolacije statorskog namota što izaziva struje prema masi koje teku kroz paket a što sve izazva kvar stroja. FER-ZESA I.Gašparac

13. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Kvarovi rotora Općenito Zbog različitih konstrukcija rotora: rotorski štapovi – za kavezne asinkrone motore rotorski namot – za standardne sinkrone strojeve i kolutne asinkrone motore rotor s permanentnim magnetima – za strojeve s permanentnim magnetima i različitih materija od kojih su izrađeni: aluminij (bakar, čelik) za štapove rotorskog kaveza permanentni magneti za rotore strojeva s permanentnim magnetima bakrena žica za namotane rotore sinkronih strojeva kvarovi rotora su kompleksniji i raznovrsniji nego kvarovi statora. Zato se kvarovi rotora mogu klasificirati: lomovi rotorskih štapova i/ili prstena asinkronih strojeva kratki spojevi uzbudnog namota standardnih sinkronih strojeva s motanim uzbudnim namotom razmagnetiziranje permanentnih magneta strojeva s permanentnim magnetima pomaci polova strojeva s permanentnim magnetima i sinkronih strojeva. FER-ZESA I.Gašparac

14. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING Kratki spojevi rotorskog namota – mehanizam kvara Međuzavojni kratki spojevi rotorskog namota energetskih generatora uzrokuju probleme u radu kao što je povećanje vibracija, zato je bitna rana detekcija. Slično kao i u slučaju kvarova statorskog namota, međuzavojni kratki spojevi se tipično pojavljuju zbod mehaničkih, elektromagnetskih ili termičkih naprezanja. Normalno je otpor namota polova jednak. Zato je toplina raspoređena simetrično. U slučaju oštećenja izolacije, kad dolazi do međuzavojnog kratkog spoja dva ili više zavoja dolazi u kratki spoj pa se smanjuje otpor oštećenog svitka, i ako su polovi spojeni u seriju, se manje topline razvija na tom polu nego na drugom. To izaziva asimetrično zagrijavanje tijela rotora, toplinsku deformaciju što uzrokuje vibracije. Neizbalanirane magnetske sile na rotoru proizvedene zbog promjene protjecanja doprinose povećanju vibracija. FER-ZESA I.Gašparac

15. Kvarovi rotora asinkronih strojeva Općenito Kao i izvedba statora niti rotor nije doživio bitne promjene tijekom godina proizvodnje. Rezultat toga je udio kvarova rotora u iznosu od cca 10% u ukupnom broju kvarova asinkronog motora. Ipak, na području dijagnostike rotora postignut je značajan razvoj u literaturi opsežno prikazan, u odnosu na kvarove ležaja koji nose 40-50% kvarova motora a nisu u literaturi tako opsežno obrađeni. Vjerojatni je razlog u tome što se kvarovi rotorskog kaveza jasno očituju u pridruženim frekvencijskim komponentama. Uzroci Defekti u proizvodnji Fizički kvarovi se mogu javiti već u fazi proizvodnje zbog lošeg lijevanja aluminijskog kaveza, ili lošeg zavarivanja (tvrdog lemljenja) spojeva pri proizvodnji rotorskih kaveza. Loš lijev aluminijskog rotora može imati zračne mjehuriće unutar lijeva koji povećavaju otpor rotorskog štapa i izazivaju topla mjesta u štapu a što vremenom dovodi i do prekida štapa. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

16. Teški radni uvjeti Tijekom normalnog rada prisutna su velika toplinska i mehanička naprezanja posebno kod strojeva koji često staju istartaju ili kad su strojevi jako opterećeni. Dobro je poznato da rotorska struja tijekom pokretanja može biti i 10 puta veća od nazivne pa su i termička naprezanja od tako velikih struja u rotoru veoma velika.Vrijeme zaleta karakterizira i slabo hlađenje a najveće su mehaničke sile što izaziva ekstremna naprezanja rotorskih štapova. Mehanizam kvara i simptomi Slijeda događaja koji nakon loma rotorskog štapa: napuknuće štapa povećava otpor pa pregrijava zonu pukotine. Štap se potpuno prekida i pojavljuje se el. luk na prekidu. Ovo iskrenje oštećuje paket rotora oko oštećenog štapa. Susjedni štapovi preuzimaju veću struju i povećano se naprežu s eventualnom posljedicom kvara. Na kraju oštećeni štap može izletjeti iz utora zbog centrifugalnih sila i izazvati katastrofalno oštećenje statorskog namota. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

17. Ekscentricitet Općenito Ekscentricitet stroja se definira kao asimetrični zračni raspor između statora i rotora. Obično postoji određeni mali ekscentricitet; neki proizvođači specificiraju maksimalni ekscentricitet na 5% ili 10% od zračnog raspora kao dozvoljeni. U pravilu se ekscentricitet želi načiniti što manjim da se smanje vibracije i buka i smanji magnetska neizbalansiranost. S obzirom da asinkroni strojevi imaju značajno manji zračni raspor nego ostale vrste strojeva sličnih svojstava i veličine, ovaj je tip strojeva posebno osjetljiv na promjene u dužini zračnog raspora. Dva su tipa ekscentriciteta zračnog raspora: statički ekscentricitet i dinamički. U slučaju statičkog ekscentriciteta zračnog raspora položaj najmanjeg zračnog raspora je na istom mjestu, dok se u slučaju dinamičkog ekscentriciteta os rotora ne podudar s osi rotacije i zato najmanji raspor rotira zajedno s rotorom. Ovo je samo osnovna podjela. Javljaju se još i modifikacije kao unilateralni ekscentricitet, kutni i radijalni pomaci i sl. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

18. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING koncentrično statički ekscentricitet dinamički ekscentricitet FER-ZESA I.Gašparac

19. Uzroci Statički ekscentricitet može biti uzrokovan ovalnošću statorskog paketa ili neispravnim položajem rotora u odnosu na stator već pri puštanju u pogon. Uz pretpostavku da je rotorska osovina dovoljno kruta statički se ekscentricitet ne mijenja. Dinamički ekscentricitet može izazvati više faktora kao što su proizvodne tolerancije, istrošenost ležaja, neporavnatost, mehanička rezonancija pri kritičnoj brzini vrtnje i netočna izrada komponenti stroja. “Plesanje” rotora u blizini kritične brzine vrtnje je drugi uzrok dinamičkog ekscentriciteta posebno kod dužih strojeva s elestičnom osovinom. Mehanizam nastanka ekscentricitet i simptomi U realnosti koegzistiraju oba ekscentriciteta i statički i dinamički. Određena razina ekscentriciteta je svojstvena i novom stroju kao rezultat proizvodnje i sastavljanja. To uzrokuje statički otklon u jednu stranu tokom rada, vodi savijanju osovine, trošenju ležaja, itd. što rezultira određenim stupnjem dinamičkog ekscentriciteta. Ako se ne otkriju rano, ekscentriciteti postaju dovoljno veliki da izazovu velike radijalne sile koje mogu izazvati struganje rotora o stator što dovodi do ispada stroja iz pogona. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

20. Kvarovi ležaja Općenito Kvarovi ležaja sudjeluju u 42-50% svih kvarova el. motora! Cijena ležaja je svega 3-10% cijene motora, dakle je beznačajna, ali indirektni troškovi zbog ispada iz pogona mogu biti znatni pa su zato kvarovi ležaja značajni. Mogu dovesti do ekscentriciteta, što je već razmatrano. Kod kugličnih ležaja mogu nastupiti kvarovi vanjskog prstena, unutarnjig prstena, kuglica i trase kuglica. Uzroci, mehanizam i simptomi kvara Različita naprezanja ležaja mogu izazvati povećanje buke, nejednoliki rad, reduciranu točnost rada, vibracije te posljedično povećano trošenje. Životni se vijek može drastično smanjiti i može nastupiti katastrofalni kvar. Neki kvarovi ležana su električki izazvani.Pojavom pretvarački napajanih motora je uočeno veliko (12 puta) povećanje kvarova ležaja u odnosu na motore napajane direktno iz mreže što je posljedica brzog preklapanja i prisutnih elektromagnetskih smetnji u kombinaciji s naponom osovine. Ipak su i dalje mehanički uzroci najvažniji uzrok kvarova ležaja. TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac

21. Uobičajeni su uzroci: • termičko preopterećenje • neporavnatost osovina • preopterećenje teretom(statičko i/ili dinamičko), (aksijalno/radijalno) • mehaničko preopterećenje • prevelika naprezanja i vibracije • neogovarajuća osovina • loša izrada i/ili montaža • neprimjerena primjena • velika radijalna i aksijalna naprezanjazbog otklona osovine • utjecaj okoline i vanjski problemi • - onečišćenje i korozija zbog točkaste korozije i brušenja od zrnaca pijeska i tvrdih čestica, korozivnog utjecaja vode, kiselina itd. • - neodgovarajuće podmazivanje što uključuje i previše i premalo masti u ležaju što uzrokuje zagrijavanje i trošenje • ležajne struje • posmična naprezanja TEHNIČKA DIJAGNOSTIKA I MONITORING FER-ZESA I.Gašparac