ГОСТ ISO 20958-2015

Группа Е61

     

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Контроль состояния и диагностика машин

СИГНАТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Condition monitoring and diagnostics of machine systems. Electrical signature analysis of three-phase induction motors

     

МКС 29.160.30
        17.160

Дата введения 2016-11-01

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АО "НИЦ КД") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 12 ноября 2015 г. N 82-П)

За принятие проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 17 марта 2016 г. N 155-ст межгосударственный стандарт ГОСТ ISO 20958-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 ноября 2016 г.

5 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ISO 20958:2013* "Контроль состояния и диагностика машин. Сигнатурный анализ электрических сигналов трехфазного асинхронного двигателя" ("Condition monitoring and diagnostics of machine systems - Electrical signature analysis of three-phase induction motors", IDT).

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

Международный стандарт разработан подкомитетом ISO/TC 108/SC 5 "Контроль состояния и диагностика машин" технического комитета по стандартизации ISO/TC 108 "Вибрация, удар и контроль состояния" Международной организации по стандартизации (ISO).

Официальные экземпляры международного стандарта, на основе которого подготовлен настоящий межгосударственный стандарт, и международных стандартов, на которые даны ссылки, имеются в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

7 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2019 г.

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

В настоящем стандарте рассматриваются как известные, положительно зарекомендовавшие себя на практике методы сигнатурного анализа электрических сигналов трехфазных асинхронных двигателей, так и сравнительно новые процедуры, широкое применение которых ожидается в ближайшем будущем.

     1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на трехфазные асинхронные двигатели и устанавливает руководство по методам контроля их технического состояния и диагностирования на основе сигнатурного анализа электрических сигналов в реальном масштабе времени.

     2 Нормативные ссылки

Для применения настоящего стандарта необходим следующий ссылочный документ*. Для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного документа. Для недатированных ссылок применяют последнее издание ссылочного документа (включая все его изменения).     

ISO 13372, Condition monitoring and diagnostics of machines - Vocabulary (Контроль состояния и диагностика машин. Словарь)

     3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ISO 13372, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 анализ тока (current analysis): Анализ протекающих по фазным проводам токов с целью определения их амплитуд, несимметрии, наличия гармоник.

3.2 сигнатурный анализ тока (current signature analysis): Спектральный анализ линейного тока с целью выявления характерных частотных составляющих, свидетельствующих о возможных неисправностях двигателя.

Примечание - Как правило, сигнатурный анализ проводят для тока в одном проводнике, однако новые методы, например с использованием вектора Парка, позволяют получать дополнительную информацию за счет совместного анализа токов всех трех фаз двигателя.

3.3 асинхронный двигатель (induction motor): Электрическая машина переменного тока, включающая в себя магнитопровод, взаимосвязанный с двумя электрическими сетями, или несколько электрических сетей, вращающихся друг относительно друга, в которой передача энергии между сетями осуществляется за счет электромагнитной индукции.

Примечание - Асинхронные двигатели могут быть двух основных типов: с короткозамкнутым или фазным ротором.

3.4 (асинхронный) двигатель с короткозамкнутым ротором (squirrel-cage induction motor): Асинхронный двигатель, у которого вторичная обмотка ротора (так называемая "беличья клетка") состоит из неизолированных стержней, вставленных в пазы сердечника ротора и замкнутых с обоих концов двумя торцевыми кольцами.

Примечание - Обычно стержни и кольца изготавливают из меди, алюминия или их сплавов.

3.5 (асинхронный) двигатель с фазным ротором (wound-rotor motor): Асинхронный двигатель, имеющий многофазную обмотку из многовитковых катушек, каждая из которых соединена с контактным кольцом, вращающимся вместе с валом двигателя.

Примечание 1 - Управление током статора и ротора во время пуска, вращающим моментом и скоростью вращения ротора во время работы двигателя осуществляется за счет соединения через щетки и контактные кольца каждой фазной обмотки с внешними добавочными сопротивлениями (ступенчатым реостатом) или при помощи полупроводниковых преобразователей.

Примечание 2 - Машину данного типа называют также асинхронным двигателем с контактными кольцами.

     4 Методы анализа

4.1 Общие положения

Подавляющее большинство используемых в промышленности электродвигателей относятся к машинам асинхронного типа.

Анализ надежности элементов асинхронного двигателя позволил установить, что в наибольшей степени повреждениям подвержены такие его части, как подшипниковая опора, обмотка и сердечник статора, а также короткозамкнутая обмотка ротора.

В настоящее время имеется большое число публикаций, посвященных методам контроля технического состояния и диагностирования, которые могут быть отнесены к сигнатурному анализу электрических сигналов. Под электрическим сигналом понимают обычно электрическое напряжение на клеммах электродвигателя или ток в его проводах. Некоторые из этих методов рассматриваются в 4.2-4.8.

Целью контроля технического состояния трехфазного асинхронного двигателя является оценка его целости и раннее предупреждение о возможных неисправностях. С точки зрения сигнатурного анализа изменения тока, напряжения и мощности электрического сигнала могут быть связаны с изменениями не в самом двигателе, а в его приводе, поэтому методы настоящего стандарта распространяются также на оценку технического состояния приводного оборудования.

Если питание электродвигателя осуществляется через преобразователь напряжения и частоты, то следует обратить внимание на то, чтобы изменения тока и напряжения на выходе преобразователя не были ложно истолкованы как результат неисправности двигателя. Для таких методов, как анализ тока статора (см. 4.2) или анализа параметров частичного разряда в обмотке статора электродвигателя (см. 4.5), желательно, чтобы во время проведения анализа частота и напряжение на выходе преобразователя оставались неизменными.

4.2 Анализ тока статора

4.2.1 Общие положения

Поскольку ток статора зависит, кроме всего прочего, от магнитных потоков в воздушном зазоре ротора и от тока ротора, анализ тока статора способен выявить неисправности не только в самом статоре, но и неисправности, связанные с ротором электродвигателя, а также с его приводом.

4.2.2 Анализ спектра

Сигнатурный анализ тока позволяет обнаруживать следующие неисправности двигателей:

- трещины стержней ротора;

- дефекты литья ротора;

- обрывы стержней короткозамкнутого ротора;

- трещины в кольцах ротора;

- повышенный эксцентриситет воздушного зазора;

- повреждения подшипников;

- межвитковые замыкания в обмотке статора;

- неисправности привода.

Из данного перечня наиболее существенными неисправностями являются те, что связаны с подшипниками электродвигателя, клеткой ротора, а также с изменением зазора между ротором и статором. Для выявления дефектов элементов качения подшипников может быть эффективно использован также анализ вибрации двигателя.

Сигнатурный анализ тока выполняют в реальном масштабе времени при полной нормальной нагрузке. Частотный состав тока в фазном проводе определяют с использованием токоизмерительных клещей, охватывающих кабель питания электродвигателя (см. рисунок 1) или вторичную обмотку трансформатора тока (см. рисунок 2). В новых методах анализа исследуются одновременно все три фазы тока с установлением соотношения между током и напряжением.

1 - фазный провод; 2 - токоизмерительные клещи; 3 - двигатель с короткозамкнутым ротором

Рисунок 1 - Измерения тока в фазном проводе

1 - фазный провод; 2 - токовый зонд; 3 - токоизмерительные клещи; 4 - двигатель с короткозамкнутым ротором

Рисунок 2 - Измерения тока во вторичной обмотке трансформатора тока

Если механическая нагрузка двигателя изменяется со временем, то при спектральном анализе тока статора следует учитывать то, что появление одних и тех же частотных составляющих может быть вызвано разными причинами. Для точного определения причин появления данного диагностического признака может потребоваться привлечение дополнительной информации.

4.2.3 Дефекты клетки ротора

Сигнатурный анализ тока существенно продвинул вперед технологию обнаружения обрывов стержней и выявления трещин в контактных кольцах короткозамкнутого ротора. Появление характерных частотных составляющих в сигнале тока нормально работающего двигателя свидетельствует о наличии повреждения обмотки ротора. Обрыв стержней, обнаруженный посредством сигнатурного анализа, может быть в некоторых случаях подтвержден анализом вибрации подшипниковой опоры. Первые работы по сигнатурному анализу тока асинхронного двигателя появились в конце 70-х годов прошлого века ([19], [27]).

Суть метода состоит в том, что ток, протекающий в обмотке статора, зависит не только от подаваемой мощности и электрического импеданса обмотки, но также включает в себя дополнительную составляющую, наведенную магнитным полем от вращающегося ротора. Таким образом, в данном случае обмотка статора выступает как элемент, чувствительный к дефектам ротора, и задача состоит в том, чтобы отделить ток статора, необходимый для вращения ротора, от дополнительного тока, наведенного самим ротором в случае его неисправности. Данное разделение выполняют в частотной области с применением спектрального анализатора с высоким разрешением по частоте, поскольку характерные частоты f неисправностей ротора формируют боковые полосы основной частоты питания вида

,                                                       (1)

где s - скольжение асинхронного двигателя;