Intr-o economie concurentiala opririle accidentale ale productiei, durata mare a reparatiilor sunt intolerabile, consecintele acestora simtindu-se direct in profit. Actionarile nereglabile ale majoritatii utilajelor industriale se realizeaza cu motoare asincrone cu rotorul in scurtcitcuit, intretinerea si repararea lor fiind esentiala pentru functionarea in siguranta a instalatiilor.
Controlul starii de functionare a motoarelor de inductie cu ajutorul sistemelor de mentenanta predictiva este bazat pe masurarea si analiza vibratiilor. Prin aceasta metoda se identifica locul si tipul defectiunii, intervenindu-se la momentul optim, eliminandu-se operatiile inutile, cu efecte benefice in reducerea costurilor de mentenanta.

1. Consideratii tehnice

Datorita unor avantaje ca: gabarit si greutate mica, constructie robusta, cost de fabricatie scazut motoarele electrice asincrone sunt cele mai utilizate in aplicatiile de turatie constanta din industrie, respectiv din industria hartiei.
Ca la toate utilajele dinamice orice tip de defectiune poate fi determinata cu ajutorul analizei vibratiilor cunoscuta fiind eficienta si performanta trasformatei simple Fourier  in evaluarea conditiei masinii.
Prin aceasta metoda se pot detecta defecte de natura electrica cum ar fi: bare rotorice rupte sau fisurate, imbinarile acestora deteriorate, circuite statorice neechilibrare, intrefier variabil, rotoare si statoare excentrice, slabiri ale conexiunilor de alimentare etc. O eficienta ridicata a motoarelor se obtine utilizand un intrefier cat mai mic si si o izolatie foarte subtire a infasurarilor, de aceea intrefierul variabil si defectele infasurarilor sunt de cele mai multe ori intalnite in vibraodiagnoza motoarelor.

Utilizand accelerometre standard se pot detecta vibratiile mecanice generate de defectiunile electrice ale motoarelor asincrone. Caracteristica comuna a mai multor defecte de natura electrica este aparitia in spectrele de vibratii a frecventei de linie fl si a armonicilor acesteia (mai reprezentativa fiind armonica a doua).
O mare parte din spectrele de vibratii ale motoarelor asincrone cu defecte electrice sunt caracterizate si de benzi laterale ale frecventei de rotatie si/sau frecvenei de linie care maresc gradul de severitate al problemei, odata cu cresterea numarului si a amplitudinii acestora.

In spectrele de vibratii pot sa apara defecte de natura mecanica si defecte de natura electrica, a doua categorie fiind mai greu de depistat. Pentru a face o deosebire intre acestea este necesara o privire de ansamblu asupra componentelor spectrului de frecventa si o separare clara a  armonicilor provocate de partea electrica a motorului. Pentru aceasta trebuie considerate relatiile care definesc anumite frecvente ce trebuie selectate din spectrul de vibratii pentru detectarea defectelor de natura electrica:

unde n1 este turatia de sincronism, n este turatia nominala a motorului, 2p numarul de poli si b este numarul de bare rotorice.

O metoda de identificare a unui spectru de frecventa indus de defecte de natura electrica este  masurarea si analiza spectrului de vibratii in timpul perioadei de oprire. Astfel se cunoaste faptul ca defectele de natura electrica distorsioneza campurile electromagnerice din motor; in momentul intreruperii tensiunii de alimentare distorsiunea campului electromagnetice fiind instantaneu intrerupta, frecventele datorate acesteia trebuind sa dispara din spectrul de vibratii. Daca frecventele persista atunci defectiunea este de natura mecanica.

De remarcat faptul ca odata declansat un anumit tip de defectiune electrica pot aparea, prin inductie,  defectiuni tot de aceiasi natura sau de natura mecanica datorita legaturii stranse intre campul magnetic distorsionat si elementele magnetice ale componentelor motoarelor.

2. Descrierea solutiei de identificare a defectiunilor electrice pe baza analizei vibratiilor

Colectarea spectrelor de vibratii de la motoarele electrice asincrone s-a realizat cu ajutorul unui colector-analizor produs de firma SKF tip MICROLOG CMVA 60, care prin intermediul umor traductori magnetici portativi (se utilizeaza o gama larga de senzori in functie de parametrii care se doresc masurati) masoara, colecteaza si memoreaza in mod automat sau cu interventia operatorului spectrele de vibratii si permite analiza de o maniera aprofundata a acestora intr-un mediul industrial ostil. El este capabil de a afisa pe un ecran (LCD) spectrele de frecventa FFT (Transformata Simpla Fourier ) si semnale temporale.
Parametrii colectati de la motoarele care fac obiectul masurarii sunt: viteza (FFT), acceleratie(FFT si variatie in timp), acceleratie cu filtre 50-1000Hz, 500-10000Hz, totdeauna cu demodularea semnalului marimea obtinuta fiind numita in literatura de specialitate „enveloping” si avand semnificatia matematica a infasuratoarei functiei FFT de acceleratie.
Dupa colectarea datelor, acestea sunt transferate intr-o unitate de calcul unde cu ajutorul soft-ului PRISM4, destinat monitorizarii si analizei fenomenelor ondulatorii si vibratorii care insotesc functionarea utilajelor, sunt analizate si se diagnosticheaza starea tehnica a acestora.
In momentul analizei se are in vedere monitorizarea valorilor mediate ale amplitudinilor vibratiilor (trend), analiza variatiei in temporale a parametrilor colectati si analiza transformatelor simple Fourier .
Pe baza considerentelor anterioare se vor prezenta patru cazuri de defectiuni de natura electrica identificate la motoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit.
Avand in vedere ca intrefierul masinilor asincrone are valori foarte reduse ne vom referi la cauza care genereaza aceasta, precum stator excentric sau rotor excentric.
Sunt numeroase cauze de defectiuni in stator cum ar fi greselile de fabricatie, greseli de intretinere, deficiente ale izolatiei. Orice defect in stator creaza un camp neuniform in jurul rotorului inducand solicitari variabile in acesta, deregalare de viteza si vibratii de natura electrica. Astfel, in zona defectiunilor statorice campul magnetic este slabit si are o intensitate mai mare in partea diametral opusa.

Cazul 1.

Statorul excentric este datorat unor neconformitati de natura mecanica (uzuri ale scuturilor, jocuri ale rulmentilor in scut) sau a unei asamblari incorecte ceea ce introduce in intreg motorul vibratii cu frecvente specifice.
Aceasta defectiune determina un intrefier inegal si vibratii de amplitudine ridicata in toate directiile. Acolo unde intrefierul este de valoare mai mare campul magnetic este slabit si are intensitate maxima in directie diametral opusa, astfel incat forta care apare in rotor nu este echilibrata rezultand vibratii de natura magnetica avand ca fundamentala frecventa de linie a retelei. Forta de atractie magnetica dintre rotor si stator este invers proportionala cu patratul distantei dintre acestea.
Motorul electric asincron cu rotorul in colivie de la care s-a preluat spectrul de vibratii (Fig.1) are puterea de 55KW, tensiunea de alimentare 380 V si turatia 2950 rpm, de unde rezulta fundamentala frecventei de rotatie 49.1 Hz. Spectrul colectat (acceleratie FFT) este caracterizat de fundamentala frecventei de rotatie impreuna cu armonicile superioare (pana la armonica a cinsprezecea) si de fundamentale ale frecventei de linie cu armonicile superioare aferente. Numarul si amplitudinea armonicilor superioare fundamentalei frecventei de rotatie este strans legata de starea tehnica a lagarelor motorului precum jocul intern al rulmentilor, eventualele slabiri din lagare, slabiri mecanice in fixarea unor elemente demontabile (capace, scuturi etc).

Cazul 2.

Tot din gama defectiunilor care provoaca intrefier variabil este si rotorul excentric, care se manifesta prin dezechilibrul fortelor electromagnetice.
Fenomenul se manifesta in spectrele de vibratii prin aparitia de armonici ale frecventei de rotatie a motorului (Fig.2.) si prin cresterea semnificativa a armonicii a doua a frecventei de linie insotita si de benzi laterale la distante egale de aceasta cu frecventa polilor. Relatiile de calcul ale acestor frecvente sunt (1) – (6) din paragraful anterior.
Motorul electric asincron de la care s-a preluat spectrul ( Fig.2 ) are puterea de 55 KW, tensiunea de alimentare 6 KV si turatia de sincronism 1000 rpm de unde rezulta frecventa fp = 1.02 Hz. Dintre cauzele care mai creaza neuniformitatea intrefierului mai putem evidentia si abateri de la planeitatea fundatiei cu referire directa la piciorul moale sau slabiri ale unui bolt de prindere in fundatie insotita de deplasarea motorului. Foarte multe din datele empirice indica faptul ca manifestarea de intrefier variabil apar in spectrul de frecventa cand acesta are o variatie a distantei radiale mai mare de 10%.

Cazul 3.

Un alt tip de defectiune care poate apare in zona statorului este dezechilibrul infasurarilor statorice (numar de spire diferit pe infasurare), rezultat din procesul de fabricatie, din procesul de rebobinare, din intretinerea defectuoasa. Aceasta neuniformitate in stator conduce la absorbtia unui sistem trifazat de curenti neechilibrat care creaza un camp magnetic invartitor neuniform in jurul rotorului inducand curenti pulsatori  si, in consecinta, vibratii mecanice ale acestuia.
Acest tip de defectiune este pusa in evidenta in spectru de frecventa a acceleratiei prin aparitia unei frecvente specifice egale cu produsul dintre numarul de infasurari statorice si frecventa de rotatie.
Aceasta caracteristica este pusa in evidenta pe un spectrul de vibratie (acceleratie FFT – Fig.3.) prelevat de la un motor cu puterea de 55 KW, tensiune de alimentare 380 V si turatie nominala 1470 rpm la care frecventa specifica defectului este 836 Hz.

Cazul 4.

O alta defectiune intalnita pe scara larga la motoarele de inductie cu rotorul in scurtcircuit este slabirea sau fisurarea barelor rotorice. Aceste defectiuni se pot produce la motoarele cu foarte multe cicluri de pornire-oprire. In timpul regimurilor tranzitorii de pornire cand curentul indus in barele rotorice este situat la  valori ridicare, se produce incalzirea si, respectiv, dilatarea barelor rotorice fortand inelele conductoare de pe capetele acestora. Defectul aparut in faza incipienta se dezvolta foarte repede datorita puterii disipate intr-o continua crestere pe bara si al transferului din ce in ce mai redus de caldura catre inele ca urmare a barierei termice introduse de fisura.
Si acest tip de defect are o comportare specifica in spectrele de vibratii mecanice prin aparitia de armonici superioare ale frecventei de rotatie (pana la armonica a 15-a) insotite de benzi laterale la distanta egala cu frecveta barelor rotorice avand expresia  din relatiile (1) – (6) expuse in  paragraful anterior.
Acest tip de defect este evidentiat in spectrul de vibratii din fig.4 prelevate de la un motor de putere 75 KW, ytensiune de alimentare 380 V si turatie nominala 1460 rpm.
De mentionat faptul ca motorul poate functiona cu asemene defectiune dar rezistenta neuniforma a barelor rotorice va provoca incalzirea neuniforma si in final fisurarea acestora, fiind necesara oprirea si repararea motorului.

3. Avantajele metodelor de diagnosticare

Diagnosticarea prin aceasta metoda a tuturor defectiunilor motoarelor electrice prezinta urmatoarele avantaje:

1. Reducerea costurilor de intretinere si interventie a motoarelor;
2. Interventie la momentul optim si la locul defectului in cazul in care acesta se produce;
3. Planificarea din timp a tuturor reparatiilor cu evitarea opririlor acidentale a utilajelor;
4. Cresterea duratei de viata a acestora;
5. Integrarea sistemului de identificare a defectiunilor de natura electrica impreuna cu cele de natura mecanica, intr-un concept unitar, cu efecte asupra reducerii costurilor de diagnosticare a defectiunilor.

Toate acestea se reflecta in cresterea calitatii produselor finite si in scaderea pretului de productie.

Referinte

1. Constantin Bala - Masini electrice, Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1982.
2. SKF Reliability Systems, San Diego 2002 – Condition Monitoring Ins.
3. Jason Mais - Vibration Monitoring and Current Analysis of A.C. Motors. SKF Reliability Systems, San Diego 2002.
4. Victor Duarte - Control of rotors condition in A.C. motors 2003
5. http://www.dliengieneering.com/vibman.