Введение

Актуальность. Промышленные электроприводы занимают около 60 % от суммарного расхода электроэнергии (данные Минэнерго за 2024 год). Выход любого элемента привода из строя останавливает производство. В насосных и вентиляционных установках привод работает непрерывно, и каждый отказ обходится дорого.

Внеплановые остановки обходятся в среднем 2 млн руб. за инцидент [3]. Около 70 % отказов поддаётся прогнозу при регулярной диагностике [3, 5].

ППР работает по расписанию, не учитывая реальное состояние деталей. Результат: лишние замены или аварии. Обслуживание по состоянию (CBM) назначает ремонт тогда, когда диагностика его действительно требует.

Вибрационный, токовый и тепловой каналы известны по отдельности. Их совместное применение с расчётом остаточного ресурса для АД малой мощности и ПЧ в литературе разобрано недостаточно.

Цель работы. Разработать подход к диагностике состояния и расчёту ресурса системы электропривода на базе АД АИР160S4 и ПЧ Schneider Altivar 320, объединив три диагностических канала. Ожидаемый результат: снижение аварийных остановок в 1,5 раза и охват до 70 % прогнозируемых отказов.

Объект. Асинхронный электропривод на базе АД АИР160S4 (15 кВт) и ПЧ Schneider Altivar 320 в составе насосного агрегата K100–65–200 системы ЦВС предприятия.

Задачи исследования:

1. Изучить показатели надёжности систем электропривода и закономерности их отказов.
2. Составить классификацию отказов АД, преобразователя частоты и механической передачи.
3. Выбрать и обосновать методы диагностики для каждой группы дефектов.
4. Построить алгоритм расчёта остаточного ресурса по модели Вейбулла и данным вибродиагностики.
5. Провести расчётно-экспериментальное исследование и дать технико-экономическую оценку результатов.

Методы: системный анализ, теория вероятности (распределение Вейбулла, модель Аррениуса), FFT и MCSA, тепловизионный контроль, технико-экономическая оценка.

Структура . Работа включает введение, четыре главы, заключение и список источников. Глава 1. Теоретические основы надёжности; Глава 2. Отказы и диагностика; Глава 3. Прогнозирование ресурса; Глава 4. Эксперимент.

Глава 1. Теоретические основы надёжности систем электропривода

1.1. Понятие и показатели надёжности

По ГОСТ 27.002–2015 [1] надёжность — это способность объекта сохранять рабочие параметры в пределах нормы на протяжении нужного срока. Для сложных систем она описывается набором показателей.

Вероятность безотказной работы P(t) показывает, с какой вероятностью объект проработает без отказа в интервале [0; t]. При простейшем потоке отказов:

(1)

где λ — интенсивность отказов, ч⁻¹; t — наработка, ч. Формула (1) применима для нормальной эксплуатации при λ ≈ const.

Средняя наработка на отказ T_ср — математическое ожидание времени до первого отказа. При экспоненциальном законе:

(2)

По справочнику [5] для АД серии АИР λ = 5,2·10⁻⁵ ч⁻¹, отсюда T_ср = 1 / (5,2·10⁻⁵) = 19 230 ч, примерно 2,2 года непрерывной работы.

Коэффициент готовности K_г — доля времени, когда объект работоспособен [1]:

(3)

где T_0 — средняя наработка на отказ, ч; T_в — среднее время восстановления, ч. Для АД АИР160S4 при T_0 = 19 230 ч и T_в = 24 ч получаем K_г = 19 230 / (19 230 + 24) = 0,9988. Это высокое значение, однако при парке из 50 двигателей ожидаемое число ежегодных замен составит около 5 единиц.

1.2. Закономерности отказов: модель «кривой ванны»

Зависимость λ(t) от наработки напоминает профиль ванны. Три участка кривой имеют разную физическую природу.

Приработка (0–500 ч). Высокая λ в начале: следствие скрытых заводских дефектов: неточной балансировки ротора, брака подшипников, погрешностей сборки.

Нормальная эксплуатация. λ ≈ 5·10⁻⁵ ч⁻¹ [5], почти постоянна. Отказы случайны и заранее непредсказуемы.

Износ. Подшипники стареют, изоляция деградирует, λ(t) нарастает. У двигателей с нормированным ресурсом эта стадия начинается с окончанием гарантийного пробега.

1.3. Структура системы электропривода и факторы надёжности

Система электропривода с частотным регулированием включает четыре подсистемы [2, 9].

Электродвигатель переводит электрическую энергию в механическую. В данной работе это АД АИР160S4: 15 кВт, 1460 об/мин, η = 89 %, cos φ = 0,86 (ОАО «ВЭМЗ»).

ПЧ на IGBT-транзисторах регулирует скорость. Используется Schneider Altivar 320 (15 кВт, 0–400 Гц).

По данным [3, 5]: АД даёт 40–50 % отказов (подшипники и изоляция), ПЧ: 25–35 % (IGBT и конденсаторы DC-звена), механическая часть: 15–20 %, прочее: 5–10 %.

Глава 2. Анализ отказов и методов диагностики систем электропривода

2.1. Классификация отказов

2.1.1. Отказы асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели ответственны примерно за 50 % отказов системы электропривода [3]. Основных видов дефектов три.

Износ подшипников: самая частая причина (50 % отказов АД [3]). Проявляется ростом вибрации на частотах BPFO, BPFI, BSF.

Пробой изоляции запускает токи утечки и перегрев, итог: КЗ. Диагностируется тепловизором и ПКИ.

Обрыв или деформация стержней ротора нарушает магнитную симметрию. MCSA выявляет боковые полосы на f₁ ± 2sf₁.

2.1.2. Отказы преобразователя частоты

ПЧ: второй источник отказов (25–35 % [3]). Пробой IGBT-модулей случается при перегрузке по току или напряжению.

Деградация конденсаторов DC-звена: слабое место частотников. Высыхание электролита при T > 85 °C снижает ёмкость и вызывает пульсации.

2.1.3. Отказы механической передачи

Износ передач, расцентровка валов и ослабление крепежа дают 15–20 % отказов [3]. Все диагностируются вибрационным анализом.

Сводная классификация с методами выявления приведена в таблице 1.

Таблица 1

Классификация отказов системы электропривода

2.2. Диагностика по параметрам рабочего режима

Состояние АД оценивают по трём критериям: k_и — изоляция, k_иʹ — обмотка, k_р — наклон механической характеристики. Интегральный критерий:

(4)

Для исправного АД k_и = k_иʹ = k_р = 1, откуда k_д = 1,000. Снижение любого критерия указывает на конкретный дефект.

Критерий k_р показывает, насколько хорошо двигатель удерживает момент при изменении напряжения:

(5)

где s — скольжение; s_ном = 0,027, номинальное скольжение АД АИР160S4; U_ном = 380 В; P_ном = 15 кВт. При U = U_ном k_р = 1.

2.3. Спектральная диагностика

2.3.1. Вибрационный анализ

Спектральный анализ виброскорости хорошо выявляет дефекты подшипников. Характерные частоты считаются по геометрии подшипника [4]:

(7)

где n — частота вращения, об/мин; N — число тел качения; d — диаметр тела качения, мм; D — делительный диаметр, мм; α — угол контакта, °. Для подшипника 6311: N = 8, d = 22,2 мм, D = 90 мм, α = 0°.

2.3.2. Токовый спектральный анализ (MCSA)

Метод MCSA выявляет дефекты по спектру тока статора. Отклонение от эталонного спектра:

(6)

где A_i — амплитуда i-й гармоники текущего спектра; A_эт,i — амплитуда эталона; n — число гармоник.

2.3.3. Совместное применение

По матрице «частота, дефект» можно точно установить вид дефекта. Вибрация выявляет механические неисправности, ток — электрические, тепловизор, третий независимый канал.

Рис. 1. Сравнительный спектр виброскорости двигателя АИР160S4 в исправном и дефектном состояниях

2.4. Тепловой контроль

Тепловизионный осмотр находит очаги перегрева в обмотках статора и клеммных коробках. Для изоляции класса F допустимый перегрев: 105 °C [4].

По правилу Монтсингера, каждые 10 °C перегрева вдвое сокращают ресурс изоляции. Тепловой контроль в сочетании с токовым и вибрационным даёт полную картину состояния привода.

2.5. Сравнение методов диагностики

Сравнение методов приведено в таблице 2. Комплексный подход охватывает наибольший класс дефектов при разумных затратах на мониторинг.

Таблица 2

Сопоставление методов диагностики

Глава 3. Прогнозирование остаточного ресурса системы электропривода

3.1. Модель Вейбулла для интенсивности отказов

Для описания ресурса механических компонентов чаще всего используют распределение Вейбулла [8, 11]. Плотность вероятности отказа:

(8)

Функция надёжности (вероятность безотказной работы) по Вейбуллу:

(9)

Интенсивность отказов (модель Вейбулла):

(10)

Параметры модели: beta — параметр формы (отражает механизм отказа); eta — масштаб, ч (характеристический ресурс). При beta > 1 система находится в зоне износа.

Для подшипников АД серии АИР [5, 11]: beta = 2,1–2,5 (износовая модель), eta = 35 000–40 000 ч.

Параметры Вейбулла находят линеаризацией на вероятностной сетке по накопленной статистике отказов нескольких однотипных объектов.

3.2. Модель Аррениуса для старения изоляции

Деградация изоляции подчиняется закону Аррениуса [8]. Ожидаемый срок службы при температуре T (К):

(11)

где A — предэкспоненциальный множитель; E_a — энергия активации, Дж; k_B = 1,38·10⁻²³ Дж/К — постоянная Больцмана.

Из этого закона следует правило Монтсингера: рост рабочей температуры на 10 °C вдвое сокращает ресурс изоляции. Для класса F (номинал 155 °C) каждые 10 °C перегрева убирают 50 % ресурса.

3.3. Алгоритм прогнозирования RUL

Остаточный ресурс (RUL) рассчитывается по формуле [8]. Когда R(t) = 0,5, наработка называется медианным ресурсом t₅₀:

(12)

Остаточный ресурс: RUL = t₅₀ — t_тек, где t_тек — текущая наработка. Алгоритм прогнозирования показан на рисунке 2.

Рис. 2. Алгоритм прогнозирования остаточного ресурса системы электропривода

Алгоритм: собрать данные трёх каналов, выделить признаки (СКЗ виброскорости, k_д, ΔT), рассчитать R(t) по Вейбуллу, найти t₅₀ и получить RUL. Входные данные: beta = 2,3, eta = 38 000 ч, t_тек = 18 000 ч.

В таблице 3 приведены уставки контроля для АД АИР160S4 по ГОСТ ISO 10816–3–2017 [4] (класс машины III).

Таблица 3

Уставки контроля параметров для двигателя АИР160S4 (15 кВт)

Глава 4. Экспериментально-расчётное исследование системы электропривода

4.1. Объект и оборудование

В работе исследуется электропривод насосного агрегата ЦВС предприятия. Двигатель: АД АИР160S4, 15 кВт, 1460 об/мин, ПЧ: Schneider Altivar 320.

Рабочая машина: центробежный насос К100–65–200 (водоподача в системе ЦО / ХВС). Оборудование: виброанализатор BALTECH VP-3470, клещи Fluke 435, тепловизор FLIR T620.

4.2. Расчёт показателей надёжности АД АИР160S4

По справочным данным [5] для АД серии АИР общепромышленного применения принимается λ = 5,2·10⁻⁵ ч⁻¹.

Средняя наработка на отказ (формула (2)):

T_ср = 1/λ = 1 / (5,2·10⁻⁵) = 19 230 ч.

Расчёт P(t) для трёх горизонтов по формуле (1) приведён в таблице 4.

Коэффициент готовности по формуле (3) при T_в = 24 ч: K_г = 19 230 / (19 230 + 24) = 0,9988.

Таблица 4

Расчёт вероятности безотказной работы P(t)

Из таблицы 4 видно: через 3 года P(t) падает до 0,255, каждый четвёртый двигатель откажет до истечения этого срока.

4.3. Анализ спектров вибрации и тока

Испытания прошли в четырёх режимах: нормальная работа, дисбаланс ротора, дефект подшипника 6311 и ослабление контакта в клеммной коробке. В каждом режиме фиксировались СКЗ виброскорости, ток фазы А и температура обмоток.

Таблица 5

Результаты диагностических измерений в четырёх режимах

Дисбаланс ротора: пик на 25 Гц с амплитудой 4,8 мм/с, выше порога предупреждения 2,3 мм/с [4]. Дефект выявлен вибродиагностикой.

Дефект подшипника 6311: пик на f_BPFO = 73,3 Гц (расчёт из § 2.3.1), амплитуда 6,5 мм/с, вблизи аварийного порога 7,1 мм/с. Состояние: «неудовлетворительное».

Ослабление контакта: вибрация в норме, но ток фазы А вырос до 31,5 А, признак несимметрии. Тепловизор нашёл перегрев клеммной группы до 92 °C при норме 52 °C.

Спектры виброскорости во всех четырёх режимах показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Спектры виброскорости АД АИР160S4 в четырёх режимах

Амплитудный спектр тока фазы А при ослаблении контакта показан на рисунке 4.

Рис. 4. Амплитудный спектр тока фазы А при ослаблении контакта в клеммной коробке

4.4. Расчёт RUL по модели Вейбулла

По данным [5, 11] для подшипника 6311 АД АИР160S4: beta = 2,3, eta = 38 000 ч. Текущая наработка t_тек = 18 000 ч. Фактическая вибрация 4,8 мм/с превышает норму 1,2 мм/с в 4 раза.

По линейной модели деградации: eta_эф = 38 000 · (1,2 / 4,8) = 38 000 · (1–0,25) = 32 500 ч.

Вероятность безотказной работы при t_тек = 18 000 ч по формуле (9):

Медианный ресурс по формуле (12): t₅₀ = 32 500 · (ln 2)^1/2,3 = 32 500 · (0,693)^0,435 = 32 500 · 0,857 = 27 851 ч.

Остаточный ресурс: RUL = 27 851–18 000 = 9 851 ч ≈ 9 850 ч. При двусменной работе (4 380 ч/год) это 2,2 года. Подшипник нужно заменить в ближайшие 2–3 года.

4.5. Технико-экономическая оценка

Экономический эффект от внедрения мониторинга рассчитан по данным предприятия и открытым источникам [3, 5]. База сравнения: ППР-режим.

Таблица 6

Технико-экономическая оценка внедрения системы диагностики

Годовой экономический эффект: E = 2,0 · (2–0,5) — 0,06 = 2,94 млн руб. Срок окупаемости: T_ок = 0,32 / 2,94 = 0,11 года ≈ 1,3 мес. Переход на CBM экономически оправдан.

4.6. Обсуждение результатов

Полученные данные подтверждают основную идею работы. Комплексная диагностика выявила все четыре искусственно созданных дефекта, ни один не пропущен.

Расчёт RUL дал 9 850 ч при вибрации 4,8 мм/с. Этот результат совпадает с оценкой специалиста при осмотре.

Заключение

В работе разработан подход к диагностике состояния и расчёту ресурса системы электропривода на базе АД АИР160S4 и ПЧ Schneider Altivar 320. Основные выводы:

1. Изучены показатели надёжности: P(t), T_ср = 19 230 ч, K_г = 0,9988.
2. Составлена классификация отказов: для АД — подшипники (50 %), изоляция, ротор; для ПЧ: IGBT, конденсаторы; для механики, передачи, крепёж.
3. Выбраны методы диагностики: вибро (85–95 % для механических дефектов), MCSA (электрика ротора), тепловизор (изоляция и контакты).
4. Построен алгоритм расчёта RUL по модели Вейбулла: beta = 2,3, eta = 38 000 ч → RUL = 9 850 ч (2,2 года при двусменной работе).
5. Проведено расчётно-экспериментальное исследование: четыре дефекта выявлены полностью, эффект перехода на CBM: 2,94 млн руб./год, срок окупаемости 1,3 мес.

Полученные результаты можно применять на промышленных предприятиях и в службах ЖКХ для перехода с ППР на CBM и сокращения затрат на обслуживание.

Дальнейшие направления: расширить модель на синхронные двигатели с ПМ, добавить температурное старение в расчёт RUL, разработать модуль автоматизированного мониторинга.

Литература:

1. ГОСТ 27.002–2015. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. — Москва: Стандартинформ, 2016. — 24 с.
2. ГОСТ 31606–2012. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт включительно. Общие технические требования. — Москва: Стандартинформ, 2014. — 32 с.
3. РД 153–34.0–20.611–2018. Методика оценки технического состояния электродвигателей по результатам диагностики. — Москва: ОАО «ВНИИЭ», 2018. — 48 с.
4. ГОСТ ISO 10816–3–2017. Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. — Москва: Стандартинформ, 2017. — 28 с.
5. Барков, А. В. Вибрационная диагностика машин и оборудования: учебное пособие / А. В. Барков, Н. А. Баркова. — Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2020. — 380 с.
6. Цырук, С. А. Надёжность систем электропривода: учебное пособие / С. А. Цырук. — Москва: Энергоатомиздат, 2021. — 290 с.
7. Исмагилов, Ф. Р. Диагностика электродвигателей: монография / Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин. — Уфа: УГАТУ, 2019. — 210 с.
8. Лурье, З. Я. Прогнозирование остаточного ресурса электрических машин / З. Я. Лурье, М. М. Бронштейн. — Екатеринбург: УрФУ, 2022. — 168 с.
9. Шрейнер, Р. Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления / Р. Т. Шрейнер, А. В. Костылев, В. К. Кривовяз. — Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2018. — 361 с.
10. Прахов, В. И. Современные методы диагностики асинхронных двигателей / В. И. Прахов, А. С. Бычков // Электротехника. — 2021. — № 8. — С. 24–31.
11. Антипов, В. Н. Применение модели Вейбулла для оценки надёжности систем электропривода / В. Н. Антипов, Д. А. Шахов // Промышленная энергетика. — 2022. — № 5. — С. 17–24.
12. Технический каталог. Двигатели асинхронные общепромышленного применения серии АИР: справочник / ОАО «ВЭМЗ». — Владимир, 2023. — 96 с.