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antriebstechnik 5/2017

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Frequenzselektiver

Frequenzselektiver Schadensindikator für die Diagnose von Wälzlagerschäden im elektrischen Antriebsstrang 40 – 50 Prozent der Maschinenausfälle werden durch Wälzlagerschäden verursacht. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein alternatives Verfahren für die Diagnose von Wälzlagerschäden vorgestellt, welches im Gegensatz zum Standardverfahren, der Vibrationsanalyse, keine zusätzlichen Sensorsignale benötigt. Für dieses Verfahren wird der messtechnisch zur Verfügung stehende Statorstrom eines Antriebssystems verwendet. Wälzlagerschäden können heutzutage mithilfe unterschiedlicher Diagnoseverfahren, wie der Temperatur-, Schwingungs-, Körperschall-, Statorstrom- und Öl-Partikelanalyse erkannt werden [1]. Eine Diagnosemethode, welche sich bewährt hat, ist die mechanische Schwingungsanalyse [2], [3], [4]. Dieses Verfahren verwendet relativ kostspielige Beschleunigungssensoren, die je nach Einsatzort des Testobjekts und der Genauigkeit der erzielbaren Messungen ausgewählt werden. Ein alternatives Diagnoseverfahren stellt die Schadenserkennung anhand der im Antrieb vorhandenen elektrischen Signalen dar. Hierbei sind keine zusätzlichen Sensoren für die Diagnose notwendig. Eines der bewährten Verfahren basiert auf der Analyse des Statorstromsignals und wird als Motor Current Signature Analysis (MCSA) bezeichnet [5]. Diese Methode wird bereits für die Erkennung von Maschinenfehlern wie z. B. gebrochene Rotorstäbe in Asynchronmaschinen [6], Exzentrizitäten [7], [8], [9], [10] sowie Dipl.-Ing. Christelle Piantsop Mbo’o ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Elektrische Maschinen (IEM) der RWTH Aachen; Dipl.-Ing. Christian Lessmeier ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik der Universität Paderborn; Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer ist Lehrstuhlinhaber am Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik der Universität Paderborn; Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer ist Institutsleiter am Institut für Elektrische Maschinen (IEM) der RWTH Aachen Wälzlagerschäden [11], [12], [13] verwendet. Bei der Statorstromanalyse werden frequenzbasierte Ansätze verwendet, da Wälzlagerschäden im Stromspektrum zusätzliche Frequenzanteile hervorrufen. Die hervorgerufenen Frequenzanteile können sich mit den im Statorstromsignal enthaltenen Frequenzkomponenten überlagern und zusätzlich gedämpft werden. Außerdem haben diese Frequenzen im Vergleich zu den Stromfrequenzen eine kleinere Amplitude, welche stark von der Schadensgröße und den Maschinenbetriebsbedingungen abhängt. Daher ist die Schadensdiagnose mittels der Statorstromanalyse komplexer zu realisieren als die Schwingungsdiagnose und erfordert tiefergehende Untersuchungen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Schadensindikator für die Diagnose von Wälzlagerschäden mittels der Statorstromanalyse zu entwerfen, der die Schäden nach ihrer Art differenziert. Zuerst wird die Vorgehensweise für den Entwurf des Indikators beschrieben. Da der entworfene Indikator getestet werden soll, wird der für die Datenerfassung gefertigte Prüfstand vorgestellt. Darüber hinaus werden die verwendeten beschädigten Wälzlager mit der Art ihrer Schadenserzeugung präsentiert. Anschließend werden die Ergebnisse der Diagnose sowohl an künstlich als auch an real beschädigten Wälzlagern vorgestellt und diskutiert. Entwurf des frequenzselektiven Schadensindikators Der frequenzselektive Schadensindikator soll eine zuverlässige Diagnose ermöglichen. Hiermit sollen die Schäden erkennbar und in 64 antriebstechnik 5/2017

WÄLZ- UND GLEITLAGER ihrer Art unterscheidbar sein. Die Wälzlagerschäden können in den verschiedenen Lagerkomponenten auftreten: dem Außenring, dem Innenring, den Wälzkörpern sowie dem Käfig. Zudem sollen keine falsch-positiven Ergebnisse, d. h. Fehlalarme vorkommen. Diese Anforderungen werden bei der Bestimmung des Indikators berücksichtigt. Zuerst werden die gemessenen Statorströme des leistungselektronischen Umrichters für die Datenverarbeitung erfasst. Die Datenverarbeitung erfolgt in drei Stufen: Vorverarbeitung, Spektralanalyse und Berechnung des Indikators. Bei der Vorverarbeitung werden die Statorströme mit dem Ziel Signaländerungen besser erfassen zu können aufbereitet. Daher wird der Raumzeiger aus den gemessenen Strangströmen gebildet, um die in den einzelnen Strangströmen enthaltenen Informationen zusammenzufassen. Der Raumzeiger lässt sich wie folgt in Abhängigkeit des Drehzeigers berechnen [14]: Mit dem berechneten Raumzeiger erfolgt eine mathematische Operation, die zur Entfernung der im Signal enthaltenen Offsets dient. Das vorverarbeitete Raumzeigersignal wird nun zur Schätzung der Frequenz spektral analysiert. Hierfür wird das Betragsspektrum des Raumzeigers gebildet. Dies erfolgt für die Signale aus dem fehlerfreien Zustand (als Referenz) und dem aktuellen Zustand. Durch das Betragsspektrum werden die Amplituden der Drehfrequenz und deren Vielfachen stark unterdrückt. Somit sind die niederfrequenten Modulationssignale und deren Vielfache im Spektrum besser sichtbar. Dieser Ansatz ist analog der Hüllkurvenanalyse [3, 15], welche die Erfassung von periodischen kurzzeitigen Stoßanregungen im Signal ermöglicht. Als Fensterfunktion wird das Hamming-Fenster w[n] verwendet, dessen Fensterbreite N* einem Vielfachen der Periodendauer der Drehfrequenz entspricht. 01 Ablauf für die Berechnung des Schadensindikators Die Länge beider Signale wird so angepasst, dass die geschätzten Winkelgeschwindigkeiten Ω r genau übereinanderliegen. Diese Maßnahme ist erforderlich, da das Spektrum des Referenzzustands von dem Spektrum des aktuellen Zustands für die Merkmalberechnung subtrahiert wird. Die ermittelten Betragsspektren werden auf die Drehfrequenz bezogen und quadratisch gemittelt. Daraus ergibt sich ein Vektor P[n] aus Ordnungspegeln mit ihren entsprechenden Ordnungen O[n] der Länge N*. Die quadratische Mittelung führt dazu, dass Frequenzen mit höherer Amplitude besser hervortreten, während Frequenzen mit kleinerer Amplitude unterdrückt werden. Diese Maßnahme analog der Welch-Methode [16] hilft den Rauschanteil zu unterdrücken. Die Ströme werden hierzu für die Mittelung H-mal hintereinander erfasst. 02 Prüfstandsaufbau Die gemittelten Spektren des Referenzzustands P m,0 [n] und des aktuellen Zustands P m [n] werden zum Erhalt des Differenzspektrums subtrahiert. Das Differenzspektrum wird für die Berechnung der Schadensindikatoren verwendet. Wälzlagerschäden verursachen Drehzahlschwankungen und somit Drehmomentschwankungen, die das Vorkommen neuer Frequenzkomponenten im Stromsignal bewirken [17, 18, 19]. Das Betragsspektrum ermöglicht eine Demodulation der Anregungsfrequenz f el . Aufgrund eines vorliegenden Schadens können die folgenden Frequenzen im Spektrum auftreten: Diese Frequenzen werden als charakteristische Frequenzen bezeichnet. Die charakteristischen Fehlerfrequenzen einzelner Lagerkomponenten sind von der mechanischen Rotordrehfrequenz f R und der Anzahl der Überrollungen an den beschädigten Wälzlagerkomponenten N LK abhängig [3, 20]. Die Rotordrehfrequenz kann als Funktion der elektrischen Anregungsfrequenz und der Polpaarzahl p der Maschine aufgeführt werden. Dies ermöglicht eine Herleitung antriebstechnik 5/2017 65

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