Диагностика строительных машин
Электрический шум. Электрический шум в диодах и тиристорах является следствием флуктуации проводимости при пропускании через переход полупроводниковых приборов постоянного, переменного или импульсного токов. В общем спектре электрических шумов полупроводниковых приборов наибольшую информацию об их состоянии несут так называемые контактный и лавинный шумы. Для оценки шума используют следующие исходные параметры: средние и действующие значения напряжений и токов; среднюю мощность; спектральную плотность мощности шума; плотность вероятности мгновенных значений шума.
Методы оценки состояния полупроводниковых приборов по результатам измерений шума в настоящее время находятся в стадии своего развития.
По статистическим данным о числе отказов, ежегодно подвергаются капитальному ремонту 50% асинхронных двигателей, установленных на строительных машинах. Наиболее характерный вид отказов (85...95% всех случаев) - возникновение дефектов в обмотках. Отказы, связанные с дефектами подшипников, составляют 2...5%.
Общими признаками для субъективной оценки наличия дефектов в двигателях являются посторонние шумы и вибрации, а также местный или общий нагрев. В двигателях с фазным ротором, кроме того, признаком возникшего дефекта может служить искрение щеток на кольцах ротора.
Определение сопротивления
Рассмотрим методы и средства измерения диагностических параметров, которые дают информацию о состоянии двигателей.
Определение сопротивления изоляции обмоток. Общий метод определения сопротивления изоляции - это измерение величины тока, проходящего через изоляцию при приложении к ней постоянного напряжения заданной величины. Для определения сопротивления изоляции наиболее широко применяют мегаомметры с ручным приводом или с приводом от электродвигателя, сетевые мегаомметры, а также микро- и миллиамперметры в комплекте с источниками измерительного напряжения.
В настоящее время в эксплуатационных организациях используют мегаомметры М1101 с генератором постоянного тока и более современные мегаомметры М4100 с генератором переменного тока. Последние выпускают пяти модификаций с разными измерительными напряжениями (100, 250, 500, 1000 и 2500 В). Мегаомметры имеют двухпредельные шкалы. Для определения сопротивления изоляции составных частей электропривода строительных машин применяют мегаомметр М41004, имеющий шкалы 0...1000 кОм и 0, 2...200 МОм, а номинальное напряжение 1000В. Номинальное напряжение на выходе мегаомметра обеспечивается при частоте вращения ручки генератора не менее 120 мин-1 (2 с-1). В качестве источника тока установлен генератор с выпрямителем (диоды VI и V2) по схеме удвоения напряжения. Для снижения влияния колебаний напряжения генератор оборудован центробежным регулятором частоты вращения, а в качестве стрелочного прибора установлен магнитоэлектрический логометр, подвижная часть которого имеет две рамки. Отклонение стрелки логометра пропорционально отношению измеряемого тока (рамка 3) и тока, которым создается противодействующий момент (рамка 2). Поскольку эти токи создаются одним источником, чувствительность мегаомметра в достаточно широком диапазоне изменения напряжения практически постоянна. Для исключения влияния токов утечки по изоляции измерительных электродов зажим мегаомметра снабжен экраном.
Перед измерениями
Перед измерениями мегаомметр проверяют. Для этого замыкают накоротко зажимы и вращают рукоятку генератора. Стрелка прибора должна установиться на нулевой отметке шкалы. С целью повышения верхнего предела измерений вольтметр выбирают с большим внутренним сопротивлением. При включении вольтметра последовательно с сопротивлением изоляции падения напряжения будут распределяться прямо пропорционально значениям внутреннего сопротивления вольтметра и определяемого сопротивления изоляции. Внутреннее сопротивление может быть определено из паспорта вольтметра или по надписи на его шкале.
Пользуясь формулой, можно построить номограмму для определения или перестроить шкалу вольтметра на отсчет в мегаомах (при определенном напряжении источника питания). Этот же вольтметр удобно использовать для контроля напряжения источника питания.
Измерение коэффициента абсорбции производят теми же средствами, что и измерение сопротивления изоляции. При применении мегаомметра нужно иметь секундомер для отсчета времени с момента приложения испытательного напряжения. При определении коэффициента абсорбции зажим 3 мегаомметра соединяют с корпусом двигателя (при определении коэффициента абсорбции изоляции относительно корпуса) или с другой фазой, относительно которой определяют Кл. После раскрутки рукоятки генератора до номинальной частоты вращения 120 мин-1 присоединяют игольчатый щуп, идущий от зажима Л к выводу проверяемой обмотки. Первый отсчет производят через 15 с, второй - через 60 с. Коэффициент абсорбции определяют по формуле правном мегаомметре должна установиться на отметке шкалы «бесконечность».
До определения
До определения сопротивления изоляции отсоединенную от схемы привода диагностируемую обмотку необходимо на 1...2 мин заземлить, чтобы снять возможные остаточные заряды, которые могут повлиять на результаты измерений. Далее соединяют зажим мегаомметра с корпусом двигателя (при определении сопротивления изоляции относительно корпуса двигателя) или с одной из фаз (при определении сопротивления изоляции между обмотками), а другой зажим с одним из выводов диагностируемой фазы. Затем раскручивают ручку мегаомметра до частоты вращения не менее 120 мин-1. В начале измерения стрелка логометра делает бросок к началу шкалы, затем показания логометра медленно увеличиваются и примерно через 60 с полностью устанавливаются. Начальный бросок стрелки вызывает зарядный ток емкости изоляции, а медленное движение - ток абсорбции, поэтому при влажной изоляции стрелка относительно быстро занимает установившееся положение. На, в показаны схемы включения мегаомметра М41004 на пределе МОм и кОм.
К числу электронных мсгаомметров относится прибор Ф-2, оборудованный электронным реле времени для сигнализации о длительности подачи на объект диагностирования измерительного напряжения, что необходимо при измерениях коэффициента абсорбции. Прибор Ф-2 имеет диапазон показаний 0...20 000 МОм при номинальном измерительном напряжении 2500 В, что выше рекомендуемого напряжения для составных частей электропривода строительных машин. Питание прибора от сети переменного тока.
Для определения сопротивления изоляции применяют также милли- и микроамперметры, включенные последовательно с изоляцией и источником напряжения. В качестве источника напряжения используют выпрямители с питанием от сети.
Измерение емкости изоляции
На показана схема включения милли- или микроамперметра для определения сопротивления изоляции обмоток. Выпрямитель в этой схеме включен через разделительный трансформатор, имеющий экранную обмотку или заземленный сердечник. Резистор У? рассчитывают так, чтобы в случае замкнутой на корпус обмотки ток через прибор не превосходил максимально допустимого. В качестве прибора в этой схеме можно использовать вольтметр (поскольку вольтметр.
При хорошей сухой изоляции Са=1, 5...2, при влажной - приближается к единице. Минимально допустимое значение Са=1>>3. Уменьшение коэффициента абсорбции может быть вызвано как поверхностным, так и объемным увлажнением. Информацию о характере увлажнения можно получить с помощью емкостно-частотного метода, результаты измерения которым чувствительны главным образом к объемному увлажнению. Необходимо заметить, что чувствительность наблюдается в основном к объемному увлажнению волокнистой изоляции типа А.
Измерение емкости изоляции при двух частотах испытательного напряжения - 2Гц и 50 Гц производят при помощи приборов ПКВ-7 и ПКВ-8. В этих приборах имеется схема для измерения абсолютного значения емкости изоляции. Измерение происходит путем заряда емкости изоляции от источника постоянного тока 120В и последующего ее разряда на конденсатор известной емкости. При этом напряжение распределяется пропорционально между емкостью изоляции и известной емкостью конденсатора. Для измерения напряжения на емкости изоляции используется вольтметр с высокоомным входом. Периодическое измерение абсолютных значений емкости изоляции позволяет наблюдать динамику ее изменения в процессе эксплуатации двигателя.
Измерение тангенса
Приборы типа ПКВ рассчитаны на непосредственное измерение разности Сг - С50, а отношение С2С50 определяют по формуле, в которую входит абсолютное значение емкости изоляции.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь производят при помощи моста Р595. До недавнего времени наиболее распространен был мост МД-16, но в настоящее время он уже не выпускается промышленностью, хотя и широко используется в эксплуатационных организациях. Эти мосты позволяют измерять емкости в пределах 104...102 мкФ при измерительном напряжении 100В.
Пределы измерения
Измерение токов утечки в функции напряжения. Напряжение, прикладываемое к испытываемой изоляции, регулируют при помощи автотрансформатора Тр1. При помощи трансформатора Тр2 это напряжение может быть повышено до величины, где Uн - номинальное напряжение двигателя. На выводе вторичной обмотки трансформатора установлен выпрямитель на диодах VI-V4. Для ограничения тока в случае короткого замыкания установлен резистор R. Испытательное напряжение измеряют вольтметром Р112, а ток утечки - микроамперметром РА. Параллельно микроамперметру включен защитный диод К5.
Для измерения токов утечки можно применять также серийные приборы ИВН-1 и ВС-23. Однако эти приборы рассчитаны в основном для испытаний высоковольтных электрических машин, где абсолютные значения токов утечки существенно больше, чем у двигателей строительных машин, поэтому в цепь измерения тока этих приборов нужно включать вместо миллиамперметра - микроамперметр.
Измерение активного сопротивления обмоток. Целью этих измерений является установление абсолютных значений сопротивлений обмоток для сравнения этих величин с паспортными (расчетными) данными и установления симметрии отдельных фаз. Первое имеет особое значение для диагностирования отремонтированных машин и аппаратов, так как позволяет установить наличие отклонений в числе витков катушек.
Плечо моста
Для определения величины С2С50 можно применить прибор, выполненный по схеме на. В этом приборе емкость изоляции заряжается до напряжения 110, а затем разряжается через гальванометр при помощи коммутатора с частотой 2 или 50 Гц. Емкость изоляции определяют на этих частотах по отношению.
Для измерения активного сопротивления используют мостовые методы измерения и метод амперметра-вольтметра, применяя для этого соответственно мосты постоянного тока и специальные схемы для измерения тока через обмотку и падения напряжения на ней.
На показана схема наиболее простого одинарного моста постоянного тока а ММВ, который целесообразно применять в условиях эксплуатации строительных машин.
Плечо моста 5 содержит несколько резисторов. Переключателем выполняют грубую балансировку моста. Точную балансировку выполняют ручкой реохорда R1. Результат измерения оценивается произведением отсчетов по шкале переключателя и шкале реохорда. .При измерениях нужно учитывать, что сопротивление соединительных проводов суммируется с измеряемым сопротивлением. При малых величинах измеряемых сопротивлений это может внести существенные погрешности, поэтому нужно пользоваться калиброванными (с известным и достаточно низким сопротивлением) соединительными проводами и вычитать их сопротивление при измерениях абсолютных значений. Кроме того, должен быть обеспечен надежный контакт в месте присоединения проводов к объекту измерений.
Одинарные мосты эффективны при измерениях сопротивлений обмоток сравнительно маломощных двигателей, у которых активные сопротивления более 1 Ом. При диагностировании двигателей с сопротивлением обмоток менее Ома нужно использовать двойные мосты. В двойных мостах сопротивления соединительных проводов, а также сопротивления контактов практически не влияют на результаты измерений.
Схема двойного моста
Схема двойного моста показана. Мост к диагностируемой обмотке должен подключаться при помощи четырех зажимов: двух токовых, посредством которых обмотка включается в цепь источника питания моста, и двух потенциальных. Соединительные провода, входящие в цепь питания, не влияют на равновесие моста. Сопротивления проводов и контактов, соединяющих потенциальные зажимы со схемой моста, также практически не влияют на результаты измерений, поскольку сопротивления плеч моста много больше по величине, чем измеряемые. Нижним пределом измерения сопротивлений двойным мостом считается 10~6 Ом.
В практике эксплуатации электропривода строительных машин применяют универсальный мост тип я Р329, который может работать как по одинарной, так и по двойной схеме (по схеме двойного моста диапазон измерения 106...100 Ом).
Для измерения активных сопротивлений широко используют также метод амперметра - вольтметра. Схема измерений по этому методу показана. В качестве источника тока здесь применяют аккумуляторную батарею или сетевой выпрямитель. Во время измерений через обмотку должен проходить ток до 20% от номинального.
Большее значение тока может приводить к нагреву обмотки и изменению ее сопротивления. По этой же причине в процессе измерения ограничивают время включения тока (не более 1 мин).
Если внутреннее сопротивление вольтметра превосходит измеряемое в 100 раз и более, сопротивление определяют по формуле, если же внутреннее сопротивление вольтметра меньше, то более точный результат измерения может быть получен по формуле.
Погрешность измерения сопротивления1 зависит от суммарной погрешности применяемых приборов, поэтому следует выбирать вольтметр и амперметр достаточно высоких классов точности. При необходимости повышения точности делают 3...5 измерений яри разных значениях тока, а результат определяют как среднее арифметическое.
Активное сопротивление
Независимо от применяемого метода и средств активное сопротивление необходимо измерять при установившемся тепловом режиме объекта диагностирования и при определенной температуре. В практике измерения принята температура 15°С. Если температура объекта диагностирования отличается на 3°С и более от указанной выше, результаты измерений пересчитывают по формулам.
Активное сопротивление обмоток ротора двигателей с фазным ротором измеряют между кольцами ротора. Чтобы избежать погрешности от влияния переходных сопротивлений между щетками и кольцами, щупы надо присоединять непосредственно к кольцам, а не к щеткам.
Измерять температуру в электродвигателях можно с помощью термопар, термометров сопротивления, термисторов, ртутных и спиртовых термометров расширения, а также косвенно - по результатам измерения сопротивления нагретых обмоток. Применение перечисленных термодатчиков и термометров расширения в условиях эксплуатации ограничено измерением температур подшипников, колец ротора и корпусов двигателей. Для определения температуры обмоток в условиях эксплуатации наиболее эффективен косвенный метод измерения (по сопротивлению) и, хотя этим методом можно определить только среднюю температуру обмоток, этот метод наименее трудоемок и не требует разборки двигателя для установки датчиков в скрытых частях.
Температуру нагретых обмоток по результатам измерения сопротивления определяют по формуле
Для нагрева Двигателя в эксплуатационных условиях производят интенсивное нагружение механизма, у которого двигатель является приводным. В условиях ремонтных мастерских используют различные виды тормозных стендов. Температура двигателя считается установившейся, если она меняется не более чем на в течение последнего часа нагружения.
Результаты измерения
От момента отключения двигателя до начала измерения сопротивления обмоток, с целью определения температуры, проходит некоторое время, в течение которого обмотки успевают немного остыть. Если измерения сопротивления выполняют позже чем через 20 с после отключения двигателя, то вносят поправку на остывание. Для этого проводят три-четыре измерения через равные интервалы времени и строят график изменения сопротивления при остывании. Путем экстраполяции кривой зависимости температуры от времени находят сопротивление обмотки в момент остановки двигателя. По приведенной выше формуле определяют температуру, соответствующую этому моменту. Как уже указывалось, этим методом определяется средняя температура обмоток; максимальная температура отдельных зон может превышать среднее значение.
Для определения температуры обмоток по их сопротивлению пользуются измерительными мостами постоянного тока.
Результаты измерения температуры устанавливают ее допустимость, а при наличии дефекта в одной из обмоток позволяют локализовать его путем сравнения результатов измерения в отдельных фазах двигателя.
Измерения при помощи прибора ЕЛ-1. Прибор ЕЛ-1 основан на методе переходных характеристик. С его помощью сравнивают реакции от действия импульса на обмотки (фазы) диагностируемого двигателя. К прибору присоединяют две из трех обмоток двигателя. Если эти обмотки (в электрическом смысле) совершенно идентичны, т. е. равны их полные сопротивления, то будут совершенно подобны и кривые, воспроизводимые поочередно на экране осциллоскопа ЕЛ-1. Благодаря достаточно большой (50 Гц) частоте повторения импульсов, изображение воспринимается немигающим, а при полной идентичности обмоток оба изображения сливаются в одно. При наличии в одной из обмоток дефекта, например виткового замыкания, меньшего или большего числа витков, изображение на экране раздваивается.
Схемы подключения
Схемы подключения диагностируемых обмоток к прибору ЕЛ-1 показаны. При диагностировании двигателей с обмотками, включенными по схеме звезды или треугольника с соединением их внутри двигателя, используют соответственно схемы. Если все концы обмоток выведены в клеммную коробку и их можно рассоединить, целесообразно использовать схему, приведенную. На экране прибора при подключении по схемам, а появляются кривые, позволяющие сравнивать обмотки Ы и Ь2. Если по результатам наблюдения обмотки идентичны, то после соответствующего переключения сравнивают обмотку 13 с обмоткой Ы или 12. Одиночные катушки, например катушки электромагнитных тормозов, при помощи прибора ЕЛ-1 проверяют путем сравнения с заведомо исправной такой же катушкой.
Показателем состояния обмоток является идентичность кривых, получаемых на экране электронно-лучевой трубки. Даже у обмоток, не имеющих дефектов, может наблюдаться некоторая асимметрия, ее компенсируют подбором конденсаторов.
Прибор ЕЛ-1 применяют для диагностирования электрических машин и аппаратов постоянного и переменного тока самых различных мощностей (от нескольких ватт до десятков киловатт).
Прибор ЕЛ-1 может быть использован для диагностирования элементов автотракторного электрооборудования: катушек зажигания, генераторов и стартеров. Прибор ЕЛ-1 позволяет испытывать на электрическую прочность низковольтную витковую изоляцию повышенным напряжением, так как напряжение на выходе прибора можно регулировать в пределах 0...560 В.
Кроме обнаружения витковых замыканий и обрывов в обмотках электрических машин и аппаратов без разборки последних прибор ЕЛ-1 применяют при ремонте двигателей для нахождения пазов с короткозамкнутыми витками в обмотках статоров, роторов и якорей.
Измерения при определении
Прибором можно также проверять правильность маркировки выводных концов фазных обмоток.
Для нахождения паза с короткозамкнутыми витками применяют специальное приспособление, которое входит в комплект прибора. Приспособление представляет собой два П-образных электромагнита. Катушку одного из электромагнитов устанавливают неподвижно на диагностируемый паз электрической машины и присоединяют к гнездам 1 прибора, а катушку другого соединяют с гнездами 2 прибора и заземления; затем медленно перемещают электромагнит вдоль паза. При отсутствии в пазу короткозамкнутых витков на экране электронно-лучевой трубки появляется прямая линия или кривая с малыми амплитудами. При наличии же замкнутых витков будут наблюдаться две разнополярные кривые. Переставляя электромагниты с паза на паз внутри статора или по поверхности ротора с фазными обмотками, определяют пазы с короткозамкнутыми витками. Подобным образом можно диагностировать и якоря машин постоянного тока.
Измерения при определении электромеханических характеристик двигателей. Характеристика холостого хода представляет зависимость линейного тока Io и потерь холостого хода Рo от приложенного напряжения Uo (величина Ро точно определяется как разность между подводимой мощностью Р и потерями в приборах, применяемых при этих измерениях). Потери холостого хода слагаются из потерь в обмотке статора Рм, суммы потерь в стали Рс и механических потерь.
Для отделения потерь в стали и в обмотке от механических строят кривые зависимостей суммы потерь в стали, в обмотке, и механических потерь в функции приложенного напряжения. Для этого на характеристике холостого хода, полученной по результатам измерений, экстраполируют нижнюю прямолинейную часть зависимости до пересечения ее с вертикальной осью графика характеристики. Отсеченная при этом ордината соответствует величине.
Для построения характеристики
Для получения величины можно из начала координат графика провести касательную к кривой Р0, половина ординаты в точке касания также соответствует Механический КПД двигателя определяют как
Для построения характеристики холостого хода собирают схему в соответствии. Если сеть, к которой подключают схему, практически симметрична, можно применять один вольтметр вместо трех. Перед подключением схемы к сети потенциал-регулятор устанавливают па минимальное напряжение. После включения рубильника напряжение поднимают на 130% номинального. Затем напряжение снижают ступенями, записывая показания вольтметров, амперметров и ваттметров на каждой ступени установленного напряжения. Мощность определяют как алгебраическую сумму показаний ваттметров. При показания ваттметров одинаковы. Показания ваттметров различаются, а при ф<0, 5 стрелка одного из ваттметров будет отклоняться в противоположную сторону. В этом случае нужно поменять местами провода, идущие к обмотке напряжения ваттметра, а мощность определять как разность показаний ваттметров.
При измерениях тока и потерь в режиме короткого замыкания применяют ту же схему, что и для измерений в режиме холостого. Измерения проводят при заторможенном роторе двигателя. В эксплуатационных условиях торможение осуществляют либо непосредственным стопорением вала при помощи специальных приспособлений, либо стопорением механизма, приводимого от электродвигателя. При измерениях на двигателях с фазным ротором кольца ротора накоротко соединяют друг с другом. К обмотке статора через потенциал-регулятор подводят трехфазное напряжение. При этом двигатель оказывается трансформатором с короткозамкнутой вторичной обмоткой, поэтому ток, протекающий по обмоткам, может в несколько раз превышать номинальный, а так как двигатель при неподвижном роторе не вентилируется, обмотки очень быстро нагреваются. По этой причине включать двигатель нужно не более чем на 10 с, т. е. на время, необходимое для снятия отсчетов с приборов.
Характеристика короткого замыкания
Характеристика короткого замыкания подобно характеристике холостого хода представляет собой зависимость линейного тока короткого замыкания к от приложенного к обмоткам статора напряжения„. При диагностировании двигателей в эксплуатационных условиях эту характеристику можно строить по одной точке: на двигателях с номинальным напряжением 220 В при напряжении 58 В, а на двигателях с поминальным напряжением 380 В при напряжении 100 В. Кривая Рк строится по одной точке (по показаниям ваттметров), другие точки находят по формуле
Начальный пусковой ток определяют из характеристики короткого замыкания, он соответствует на графике номинальному значению напряжения.
Начальный пусковой момент (вращающий момент при коротком замыкании) может быть приближенно определен по формуле.
По полученным данным может быть определено соответствие начального пускового момента нормируемому в паспорте двигателя (показатель кратности начального пускового вращающего момента). Этот показатель представляет отношение начального пускового тока и начального вращающего момента соответственно к номинальному току двигателя и номинальному вращающему моменту.
С использованием схемы, показанной, можно также проверять наличие дефектов в обмотках короткозамкнутого ротора, например трещин в стержнях. С этой целью от потенциал-регулятора на статор двигателя подается очень низкое напряжение, при котором ротор не вращается, при этом ток так мал, что перегрев обмоток не происходит. Ротор медленно вращают вручную, наблюдая за показаниями амперметров, включенных в цепь питания статора.