Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11102
Title: Maintenance of electrical machines: Instantaneous Angular Speed analysis
Authors: Spagnol, Marco
Supervisore/Tutore: Boscarol, Alessandro
Bregant, Luigi
Issue Date: 28-Apr-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: This research is focused on the condition monitoring of electrical machines and its long term purpose is to monitor electrical and mechanical faults at the same time, in non-stationary conditions (variable load and speed), with a single piece of hardware. The Instantaneous Angular Speed (IAS) measurement of an electrical machine is proposed and analysed in order to detect the fault development inside it. Chapter 1 introduces some basic principles about the maintenance of an electrical machine. Machine unscheduled downtimes are frequently caused by bearing faults, and rotor/stator faults. Monitoring systems are needed when the machine is very important for the plant (cost, safety). In this chapter, the electrical machine’s behaviour is also examined. Induction electrical machines have been chosen for this research. A review of the excitation frequencies is reported in the chapter. In the last section, characteristic fault frequencies (from mechanical and electrical sources) are collected. Chapter 2 presents the IAS measurement and its signal processing. The IAS is the measurement of the shaft rotating speed in order to visualize what’s happening during a single or in multiple turns. There are many measurement methods which are based either analogical to digital conversion or which use counters. Analogical to digital methods use a standard data acquisition board. Counter methods have to use specific hardware that is more expensive, but with less data to store. In this research, the counter method is used, combined with the Elapsed Time (ET) counting technique. Chapter 3 describes the encoder system. Its output signal is acquired with an oscilloscope and with the counter board. The signal’s differences are highlighted. In this chapter, the measurement’s source of errors are listed: the encoder’s geometrical error, the counter’s quantization error, the clock stability and the general electrical noise. Chapter 4 collects all the experimental tests done during the PhD research. Three experimental test rigs are shown and two measurements at Nidec ASI S.p.A. are reported. Note that the experimental test rigs were designed and built at the Università degli Studi di Trieste during the three years of the PhD. Experimental Test Rig 1 (ETR1) is used to understand the electrical motor’s behaviour with varying speed, the difference between the IAS and the speed acquired with the Torsional Laser Vibrometer, the difference between the IAS and the acceleration signal measured with an accelerometer located on the motor’s stator, the effect of the unbalance in the IAS measurement. Experimental Test Rig 2 (ETR2) allows to examine the load effect on the IAS measurement, the magneto-motive force harmonics, the slip and the rotor effects. Experimental Test Rig 3 (ETR3) is designed in order to detect the Inner Race Bearing Fault (Ball Pass Frequency Inner - BPFI) with varying load. The acceleration, the voltage and the current are compared with the Instantaneous Angular Speed. The motor is also tested with an unbalanced power supply. The two measurements at Nidec ASI S.p.A show how the IAS measurement could be implemented in an industrial machine larger than the one tested in the laboratory. This research presents the pros and cons of the IAS measurement, highlighting the capability of detecting BPFI bearing fault, feeling the load variations owing to the brake system (a synchronous generator), measuring the Fundamental Train Frequency of an healthy bearing, detecting unbalance in the rotor and other special features. The author would like to thank the Fondo Sociale Europeo, the Regione Friuli Venezia Giulia and Nidec ASI S.p.A (an electrical motor company) for the sponsorship and the collaboration during the three PhD years covered by the SHARM project ”Manutenzione Preventiva Integrata”.
Questo studio è focalizzato al monitoraggio dello stato di salute delle macchine elettriche con l'obbiettivo finale di monitorare danni meccanici ed elettrici, in condizioni non stazionarie (carico e velocità variabili), con un singolo sistema hardware. Viene quindi proposta ed analizzata la misura della Velocità Angolare Istantanea (Instantaneous Angular Speed - IAS) di una macchina elettrica allo scopo di prevedere l'insorgere di guasti al suo interno. Il Capitolo 1 introduce i principi base relativi alla manutenzione di macchine elettriche. Di frequente, le fermate non programmate sono conseguenti a danni su cuscinetti e su rotore/statore. I sistemi di monitoraggio sono indispensabili quando la macchina è molto importante nel contesto dell'impianto, considerazione esaminata sia dal punto di vista del costo che della sicurezza. In questo capitolo, viene analizzato anche il funzionamento della macchina elettrica. Dopo un'attenta valutazione, per lo sviluppo di questa ricerca sono state selezionate le macchine ad induzione asincrone. Nel capitolo è riportata anche un'analisi bibliografica sulle frequenze caratteristiche delle forzanti elettromagnetiche presenti. Nell'ultima sezione vengono elencate le frequenze tipiche dei danni rilevabili in misure di tipo vibrazionale ed elettrico. Il Capitolo 2 presenta la misura IAS. Questa rappresenta la misurazione della velocità di rotazione dell'albero e viene analizzata con accuratezza, individuando la relazione tra velocità di rotazione e le caratteristiche dell'encoder; inoltre vengono descritti i vari processamenti del segnale. Tale sistema permette di visualizzare ciò che sta accadendo alla macchina durante il suo funzionamento, in una o più rotazioni. Esistono metodi di misura basati o sulla conversione analogico-digitale o che prevedono l’impiego di contatori. I primi si servono di una scheda di acquisizione dati standard, mentre i secondi richiedono l'utilizzo di un hardware specifico, che alle volte può risultare più costoso, ma permette di acquisire i dati occupando una quantità inferiore di memoria. In questa tesi si è scelto di utilizzare un contatore per eseguire la misura IAS, sfruttando il conteggio Elapsed Time (ET). Il Capitolo 3 descrive l'encoder. Il segnale in uscita dal dispositivo viene acquisito con una scheda contatore e con un oscilloscopio in modo da confrontare ed analizzare le differenze presenti. In questo capitolo vengono elencate le tipologie di errore presenti nel sistema encoder: l'errore geometrico, l'errore di quantizzazione, l'errore dovuto alla stabilità del clock interno e l'errore dovuto a fonti esterni di rumore elettrico. Il Capitolo 4 raccoglie tutti i test sperimentali condotti durante il dottorato. Sono stati progettati e costruiti tre setup allo scopo di evidenziare particolari aspetti e problematiche; sono riportate anche due misure eseguite presso la sala prove dell'azienda Nidec ASI S.p.A. Il setup Experimental Test Rig 1 (ETR1) è stato utilizzato per conseguire le seguenti finalità: capire il funzionamento del motore elettrico con velocità variabile, analizzare la differenza della velocità acquisita con un torsiometro laser ed una scheda contatore, confrontare una misura vibrazionale (accelerometro posizionato sullo statore del motore) e la misura IAS, analizzare l'effetto dello sbilanciamento sulla misura IAS. Il setup Experimental Test Rig 2 (ETR2) permette di esaminare l'effetto del carico sulla misura IAS, le armoniche della forza elettromotrice, l'effetto dello slip e del rotore. Il setup Experimental Test Rig 3 (ETR3) è progettato in modo da evidenziare un difetto sulla guida interna di un cuscinetto, considerando anche un carico variabile. L'accelerazione, il voltaggio e la corrente sono confrontate con la Velocità Angolare Istantanea. Il motore viene testato anche applicando una tensione di alimentazione sbilanciata. Le due misure rilevate in Nidec ASI S.p.A dimostrano che la misura IAS può essere implementata in macchine industriali di grandi dimensioni e non solo nei setup di laboratorio. Questa ricerca espone gli aspetti positivi e negativi della misura IAS, evidenziando le capacità di individuare un danno sulla guida interna di un cuscinetto, captare le variazioni di carico prodotte dal freno (un generatore sincrono), misurare la Fundamental Train Frequency di un cuscinetto in buona salute, individuare uno sbilanciamento ed altre funzionalità. L'autore vuole ringraziare il Fondo Sociale Europeo, la Regione Friuli Venezia Giulia e l'azienda Nidec ASI S.p.A (produttore di macchine elettriche di medio-grandi dimensioni) per la sponsorizzazione e la collaborazione durante i tre anni di dottorato previsti dal progetto SHARM ”Manutenzione Preventiva Integrata”.
Ciclo di dottorato: XXVII Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE DELL'INGEGNERIA - INDIRIZZO INGEGNERIA MECCANICA,NAVALE,DELL'ENERGIA E DELLA PRODUZIONE
Description: 2013/2014
Keywords: Condition Monitoring
Maintenance
Induction Machines
Instantaneous Angular Speed
Inner race bearing fault
Slip
Higher order harmonics
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: ING-IND/13 MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE
NBN: urn:nbn:it:units-14030
Appears in Collections:Ingegneria industriale e dell'informazione

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