Оценка поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров гармоник токов и напряжений электропривода

Определение корреляционной связи между вышеперечисленными повреждениями элементов насосного оборудования и параметрами высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, позволит решить задачу диагностики этого оборудования.

Для идентификации технического состояния насосных агрегатов наибольшее применение нашли следующие методы распознавания:

- метрические методы распознавания образов, основанные на количественной оценке близости двух состояний объекта, где мерой близости считается расстояние между точками, изображающими состояние объекта в пространстве признаков;

- статистические методы, основанные на распределении по классам в соответствии с классификацией по правилу Байеса;

- динамические методы, основанные на представлении связи между входными и выходными сигналами объекта с помощью передаточной функции, определяемой как отношение выходного и входного сигналов объекта, преобразованных по Лапласу;

- метод искусственных нейронных сетей, основанный на использовании элементов, функциональные возможности которых аналогичны большинству элементарных функций биологического нейрона.

Важным преимуществом использования нейронных сетей в задачах диагностики является обучаемость. В процессе работы системы диагностики можно выполнять добавление или корректировку диагностического словаря. Применение искусственных нейронных сетей в задачах диагностики насосного оборудования находит все больший интерес. Ведь, по сути, нейронные сети позволяют сократить аппарат распознавания образов, без изменения достоверности результатов.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки экспериментальной установки, метрологического обеспечения результатов измерений, методики экспериментальных исследований. Приведены результаты исследований изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов. Произведен сравнительный анализ полученных результатов с методом вибродиагностики согласно международного стандарта ISО 10816-1. В качестве объектов исследования выбраны центробежные насосы с асинхронными электродвигателями. Структурные и принципиальные схемы экспериментальных установок разработаны в соответствии с «Межотраслевыми правилами по охране труда» ПОТ Р М-016-2001, РД 153-34.0-03.150-00, «Правилами устройства электроустановок». Методики проведения экспериментальных исследований и обработки результатов разработаны в соответствии с теорией планирования эксперимента, «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей», ГОСТ13109 – 97, РД 153-34.0-15.502-2002, ГОСТ 11828 – 86, РД 34.45-51.300-97, руководствами по эксплуатации средств измерений и инструкциями по обслуживанию и эксплуатации насосных агрегатов. Для оценки степени искажения формы кривых токов и напряжений определенными гармоническими составляющими использовались коэффициенты n-ых гармонических составляющих тока КIn и напряжения КUn и углы сдвига по фазе ui(n) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов In и напряжений Un. Коэффициенты n-ых гармонических составляющих токов и напряжений определяются, согласно РД 153-34.0-15.502-2002, по следующим формулам:

, (4)

, (5)

где U1 – действующее значение фазного напряжения первой гармоники, I1 –действующее значение фазного тока первой гармоники.

Расположение источников гармонических составляющих тока определялось, согласно РД 153-34.0-15.502-2002, по знаку активной мощности P(n) n-й гармоники

, (6)

где сosui(n) – коэффициент мощности n-ой гармоники (если +900

Для измерения параметров гармонических составляющих токов и напряжений использовали измеритель показателей качества электроэнергии Ресурс-UF2M, укомплектованный программным обеспечением «Ресурс-UF2Plus». Прибор позволяет измерять параметры 40 гармонических составляющих тока КIn и напряжения КUn и углы сдвига по фазе ui(n) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов In и напряжений Un. Программное обеспечение «Ресурс-UF2Plus» предназначено для формирования запроса и приема данных от измерителя показателей качества, их первичную математическую обработку и сохранение всех полученных данных в файлах собственного формата. Для исследования насосных агрегатов с помощью прибора Ресурс-UF2M использовали токовые клещи КТ 46-50-500, имеющие два диапазона измерения: 50 А – от 0,5 до 60 А; 500 А – от 5 до 600 А. Состояние подшипников качения контролировали с помощью индикатора дефектов подшипников ИДП-03 и прибора Leonova. Состояние изоляции и проводников элементов системы электропривода контролировали с помощью микропроцессорного прибора 2801 IN производства компании «Standard Electric Works» (США) и индикатора дефектов обмоток ИДО-05. Анализ результатов измерений осуществляли с помощью переносного персонального компьютера с разработанным и официально зарегистрированным программным обеспечением «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений». Метрологическое обеспечение результатов экспериментальных измерений осуществлялось согласно ГОСТ 14014 – 91, ГОСТ 22261 – 94, ТУ4222-009-53718944-05, паспорта измерителя показателей качества электроэнергии Ресурс-UF2M. При анализе результатов измерений параметров гармонических составляющих устанавливался нижний предел, определяемый погрешностью средств измерений, равный 0,05 % для коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения KUn и для коэффициента n-ой гармонической составляющей тока KIn. Значения KUn и KIn, меньшие указанных пределов, округлялись до нуля.

Для исследования насосных агрегатов с электрическим приводом в научно-исследовательских лабораториях Филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате и в опытном цехе ОАО «Газпром нефтехим Салават» разработаны экспериментальные установки, схема и внешний вид которых изображены на рисунках 2, 3 и 4.

Режимы работы центробежного насоса имитировали открытием (закрытием) задвижек на линиях всасывания и нагнетания. Степень открытия (закрытия) задвижек на линиях всасывания и нагнетания составляла 0 %, 25 %, 50 %, 75 % и 100 % проходного сечения.

Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки для исследования режимов работы и характера повреждений центробежных насосов

Рисунок 3 – Экспериментальная установка в производственных условиях в

ОАО «Газпром нефтехим Салават»

Рисунок 4 – Экспериментальная установка в лаборатории филиала

ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате

Искусственно дисбаланс ротора двигателя и вала насоса создавали при помощи грузов, прикреплённых на ротор и вал. Сопротивление изоляции обмотки статора электродвигателя доводили путем увлажнения до значения 0,1МОм. Повреждения обмоток ротора электродвигателя создавались путем высверливания стержней обмотки ротора на 25%, 50% и 100% площади поперечного сечения. Плохое крепление к фундаменту создавали путем уменьшения допускаемого крутящего момента М при затяжке болтов крепления (М

Экспериментальные исследования показали, что в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов происходит изменение параметров спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. На рисунке 5 представлен гармонический состав напряжений и токов, соответствующий предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты. Наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности элементов насосных агрегатов, являются амплитуды 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию отдельных элементов насосных агрегатов. В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения параметров 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты. На рисунке 6 представлена зависимость амплитуд 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений в фазе А от степени изношенности подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты.

По результатам экспериментальных исследований для 17 факторов (видов повреждений) получены уравнения регрессии, характеризующие зависимость изменений значений амплитуд 3, 5, 7 и 9 гармоник токов и напряжений в фазах А, В, С и соответствующих им углов сдвига по фазе от технического состояния насосного оборудования. К примеру, уравнение регрессии для третьей гармоники тока в фазе А имеет вид

(7)

где y – выходной параметр (значение амплитуды 3 гармоники тока в фазе А), х1…х17 – входные переменные, факторы (виды повреждений).

Таблица 1 – Значения параметров 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты

Состояние подшипника	Фаза	Третья гармоника			Пятая гармоника			Седьмая гармоника			Девятая гармоника
		КIn, %	КUn, %	ui(n), град	КIn, %	КUn, %	ui(n), град	КIn, %	КUn, %	ui(n), град	КIn, %	КUn, %	ui(n), град
Исправное	А	0,00	0,00	0,00	0,07	0,07	91,72	1,18	0,75	102,55	0,09	0,08	129,4
	В	0,00	0,00	0,00	0,08	0,09	106,32	1,30	0,80	102,78	0,10	0,09	94,67
	С	0,00	0,00	0,00	0,09	0,10	127,32	1,15	0,73	93,44	0,13	0,10	109,92
Неисправное	А	0,00	0,00	0,00	0,10	0,08	102,47	1,23	0,77	112,65	0,12	0,10	-130,54
	В	0,10	0,08	-90,05	0,09	0,09	99,58	1,35	0,82	135,74	0,09	0,07	98,21
	С	0,00	0,00	0,00	0,08	0,07	130,61	1,29	0,75	116,87	0,13	0,08	143,52
Предельное	А	0,00	0,00	0,00	0,56	0,21	-115,49	1,53	0,81	97,56	0,35	0,12	123,68
	В	0,64	0,17	-105,12	0,45	0,39	-146,78	1,50	0,89	119,54	0,00	0,00	0,00
	С	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	1,41	0,77	134,25	0,31	0,10	138,91