СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОБЩЁННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК G01R31/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к диагностике агрегатов, механизмов и систем, в которых приводом является электрический двигатель.

Уровень техники

Из уровня техники известны следующие способы диагностики состояния асинхронного электродвигателя: [патент РФ №2495444], включающий регистрацию значений фазных токов асинхронного электродвигателя в течение заданного интервала времени и с заданной периодичностью, при этом предварительно фиксируют пороговое значение интегральной оценки асинхронного электродвигателя в безаварийном состоянии, для этого, используя мгновенные значения фазных статорных токов асинхронного электродвигателя в установившемся режиме работы, определяют результирующий модуль вектора тока, который раскладывают на высокочастотные и низкочастотные вейвлет-коэффициенты, используя высокочастотные вейвлет-коэффициенты, определяют интегральную оценку, на основе которой формируют допустимую зону работы электродвигателя в виде порогового значения, после этого снова регистрируют мгновенные значения фазных статорных токов асинхронного электродвигателя в установившемся режиме работы и определяют результирующий модуль вектора тока, который раскладывают на высокочастотные и низкочастотные вейвлет-коэффициенты, и, используя высокочастотные вейвлет-коэффициенты, определяют интегральную оценку, по отклонению которой от допустимой зоны работы асинхронного электродвигателя судят о состоянии электродвигателя: если полученная интегральная оценка не входит в допустимую зону порогового значения, то делают вывод о неисправности асинхронного двигателя.

Способ диагностирования при работе с перегрузкой электродвигателей магистральных насосов нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода [патент РФ на изобретение №2256100], заключающийся в следующем. Измеряют уровень шумов и температурный режим электродвигателя, и при превышении максимально допустимых пределов упомянутых выше параметров отключают электродвигатель или снижают его нагрузку для устранения возникшего рассогласования измеренных и максимально допустимых шумовых и температурных параметров, отличающийся тем, что разбивают степень перегрузки электродвигателя на три диапазона, первый диапазон перегрузки 10%, второй диапазон от 10 до 20% и третий диапазон перегрузки более 20% номинальной мощности электродвигателя соответственно, при этом в первом диапазоне перегрузки ведут диагностирование технического состояния по уровню шумов, во втором диапазоне перегрузки – по температуре и в третьем диапазоне диагностируют техническое состояние электрических обмоток электродвигателя по изменению динамической вольтамперной характеристики, определяемому степенью ее изломанности, путем подсчета в единицу времени числа смен знаков первой производной тока по напряжению, и при превышении этим числом заданной величины отключают электродвигатель или снижают степень его перегрузки.

Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств [патент РФ на изобретение №2300116] заключается в том, что в течение заданного интервала времени производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой, выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала, и сравнение значений амплитуд на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети, при этом если амплитуды на характерных частотах ниже амплитуды основного пика на частоте питающей сети на заданную величину, делают вывод о хорошем техническом состоянии электродвигателя, а в случае, если указанная разница между амплитудами меньше заданной величины, делают вывод о развитии повреждения.

Недостатком данного способа является сложность распознавания большого числа отдельных спектральных составляющих. Это увеличивает трудоемкость процесса диагностики, увеличивает время реакции оператора.

Целью настоящего изобретения является сокращение трудоемкости диагностики, уменьшение ее продолжительности, простота интерпретации результата и как следствие увеличение скорости реакции оператора на появление дефекта или внештатную ситуацию. Также в связи с анализом большего числа диагностических параметров увеличивается точность диагностики.

Условия полноты диагностических данных совместно с их наглядностью и простотой интерпретации особенно актуальны при первых пусках механизмов после ремонта, для предотвращения выхода из строя электродвигателя в случае внезапного повышения температуры подшипников или скачков тока и вибрации вследствие скрытых дефектов.

Способ диагностирования обобщенного технического состояния электродвигателя.

Раскрытие изобретения

В настоящее время в связи с ростом производительности и энергонапряженности механизмов (основным приводом которых служит асинхронный двигатель), важными задачами являются повышение надежности, производительности, безопасности эксплуатации механизмов с электроприводом. Одним из основных способов улучшения данных показателей является своевременное обслуживание по фактическому техническому состоянию, которое должно производиться по результатам мониторинга основных диагностических параметров электрической машины, проводимого с помощью специализированных систем, реализующих различные методы диагностики. Данная система должна решать следующие задачи: обнаруживать неисправности системы статора, неисправности системы ротора, определять состояние вращающихся механических узлов, неисправности смазочного материала. В основном измерительные комплексы реализуют способы диагностики вращающегося электрооборудования по параметрам вибрации, т.к. это наиболее распространенный и проработанный вид диагностики. Для поиска и идентификации дефектов подшипников скольжения, качения, дисбаланса, плохой центровки, дефектов фундамента, дефектов приводного механизма, применяются различные виды анализа вибрации: общих уровней вибрации, ударных импульсов, спектра огибающей, кепстральный, узкополосный частотный анализ и др.

Однако для электрических машин вибрационные методы диагностики не охватывают достаточно точно и полно всех признаков дефектов составных частей электромагнитной системы (дефектов обмоток статора, ротора, активного железа, эксцентриситета, неравномерности зазора, асимметрии и искажения питающего напряжения, т.к. они проявляются опосредованно, передаваясь через электромагнитное поле на корпус машины). Способ обнаружения дефектов путем анализа питающих токов лучше вибрационного анализа показывает дефекты электромагнитной системы, позволяет их диагностировать с большой достоверностью.

Ухудшение состояния смазки (ее загрязнение, высыхание, недостаток или избыток) и перегрузка электропривода являются одними из основных причин выхода из строя подшипника, развитые дефекты наиболее очевидно проявляются в нагреве подшипникового узла.

Как показывает опыт, для повышения достоверности диагностики необходимо применять несколько методов диагностики. Достоверность диагностирования дефекта значительно увеличивается при применении двух-трех методов (анализ вибрации - анализ питающих токов - температуры). Таким образом можно компенсировать недостатки одного метода достоинствами другого.

Предлагаемый способ диагностирования обобщенного технического состояния электродвигателя заключается в следующем. За координаты трехмерного вектора обобщенного технического состояния берутся оси вибрации, тока и температуры. Величина проекции вектора по каждой из осей выбирается пропорционально выбранному методу обработки сигнала с соответствующего датчика и в простейшем случае прямо пропорционально максимальному измеренному значению отдельного параметра, так, например, если установлено три датчика температуры (на корпус и два щита электрической машины), то отображается температура датчика, имеющего большее значение. Выбор метода нелинейной обработки сигнала производится в зависимости от режима работы электродвигателя.

Для оси вибрации при штатном продолжительном режиме работы целесообразно брать отношение, в числителе которого среднеквадратичное значение гармоник вибрации без гармоники на частоте вращения, а в знаменателе среднеквадратичное значение гармоник вибрации в диапазоне 10-1000 Гц.

V(t)=Vскз(10-fвр, fвр-1000 Гц)/Vскз(10-1000 Гц),

где Vскз(10-fвр, fвр-1000 Гц) - среднеквадратичное значение гармоник вибрации без гармоники на частоте вращения, Vскз(10-1000 Гц) - среднеквадратичное значение гармоник вибрации в диапазоне 10-1000 Гц.

При увеличении износа подшипника, появлении расцентровки и дефектах подшипникового узла V(t) будет увеличиваться пропорционально развивающемуся дефекту.

При питании электродвигателя от сети синусоидального напряжения для оси тока необходимо взять отношение, в числителе которого среднеквадратичное значение гармоник тока без гармоники на частоте сети, а в знаменателе среднеквадратичное значение гармоник тока в диапазоне 45-2000 Гц.

I(t)=Iскз(45-fсети, fсети-2000 Гц)/Iскз(45-2000 Гц),

где I(45-fсети, fсети-2000 Гц) - среднеквадратичное значение гармоник тока без гармоники на частоте сети, Iскз(45-2000 Гц) - среднеквадратичное значение гармоник тока в диапазоне 45-2000 Гц.

Для оси температуры при первом пуске агрегата (после ремонта) для избежания теплового перегрева и заклинивания ротора наиболее целесообразно брать производную температуры по времени T'(t)=ν(t) (т.е. измерять скорость нагрева электродвигателя), в установившемся тепловом режиме необходимо преобразовывать сигнал температуры в линейном масштабе. Полученный вектор сравнивается визуально с эталонным вектором, взятым на исправно работающей машине.

Обобщенный вектор является оптимальным набором контролируемых параметров, позволяющим достаточной полно охарактеризовать технического состояние и работоспособность электродвигателя и механизма в целом. Метод достаточно прост и требует минимальных затрат времени на реакцию оператора, его применение целесообразно в стационарных системах диагностики и контроля за ответственными объектами.

Данный способ реализуется системой диагностики, представленной на фигуре 1. Система состоит из электродвигателя с рабочим механизмом 1, датчиков тока 2 (от одной до четырех штук, на одну фазу или на три фазы и нулевой провод), датчиков вибрации 3 (от двух до шести штук, устанавливающихся на подшипниковые щиты в вертикальном, горизонтальном и осевом направлениях, либо в одном из направлении), датчиков температуры 4 (от одной до трех штук на щитах и корпусе электропривода, либо на наиболее ответственном узле механизма), датчика оборотов 5. Сигналы, поступают с датчиков на блок обработки сигналов 6 и выводятся на устройство графического вывода (дисплей) 7.

Результаты диагностики данным способом иллюстрируются фигурами 2-4, полученными при помощи многоканального измерительного комплекса.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 изображена блок-схема измерительного комплекса, реализующего данный способ диагностики асинхронного двигателя. На фигуре 2 панель оператора с вектором обобщенного технического состояния электродвигателя работающего в режиме холостого хода. На фигуре 3 изображена панель оператора с вектором обобщенного технического состояния электродвигателя, имеющего повышенный дисбаланс. На фигуре 4 изображена панель оператора с вектором обобщенного технического состояния электродвигателя, имеющего перекос по фазам.

Изобретение относится к диагностике агрегатов, механизмов и систем, в которых приводом является электрический двигатель. Техническим результатом является повышение надежности, производительности, безопасности эксплуатации механизмов с электроприводом. В предлагаемом способе диагностирования технического состояния электрических машин методом вектора обобщенного технического состояния электродвигателя за координаты вектора принимаются оси вибрации, температуры и тока. Масштаб и значение по каждой из осей выбирается пропорционально выбранному методу обработки сигнала с соответствующего датчика и в простейшем случае прямо пропорционально максимальному измеренному значению отдельного параметра. Измеренные значения преобразуются входными нелинейными функциями, масштабируются, суммируются с формированием обобщенного трехмерного вектора технического состояния, упомянутый вектор оценивается по заданным пороговым значениям с последующей визуализацией на дисплее. Достоверность диагностирования дефекта значительно увеличивается при применении трех диагностических параметров, обобщенных в один. Таким образом можно компенсировать недостатки одного метода достоинствами другого. 4 ил.

Способ диагностирования технического состояния электрических машин, реализуемый на базе вычислительного комплекса, путем измерения вибрации, потребляемого тока, температуры, отличающийся тем, что измеренные значения преобразуются входными нелинейными функциями, масштабируются, суммируются с формированием обобщенного трехмерного вектора технического состояния, упомянутый вектор оценивается по заданным пороговым значениям с последующей визуализацией на дисплей.