Способ диагностики асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором Российский патент 2020 года по МПК G01R31/34 

Предлагаемые устройство и способ относятся к областям измерительной техники и диагностики электродвигателей, представляет собой многоканальное устройство и способ определения неисправностей асинхронных электродвигателей путем измерения внешних магнитных полей, угловой скорости вращения и вибрации, которые могут быть использованы для построения различных диаграмм. В наше время асинхронные электродвигатели являются наиболее распространенным классом электрических машин. Они широко применяются в промышленности, в коммунальном хозяйстве и транспорте выполняя роль привода для конвейеров, различных насосов, систем охлаждения, и начинают применяться в качестве основных тяговых приводов на транспорте.

В тоже время, диагностика столь важного звена, выход из строя, которого может привести к остановке производственного цикла, либо к поломке обеспечиваемых им систем, развита слабо и представляет, в основном, меры по аварийному отключению или способы, требующие вывода двигателя из эксплуатации, что не всегда представляется возможным. В таком случае, наиболее целесообразным решением является обслуживание оборудования по его фактическому состоянию.

Поэтому оценка технического состояния асинхронных электродвигателей, представляет собой важную задачу, решение которой позволит обнаружить на ранней стадии зарождающиеся дефекты и, тем самым, предотвратить аварийные ситуации, способные привести к негативным последствиям.

Известен способ диагностики электрических и механических повреждений асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [патент РФ №2479096 С2, H02K 15/00, G01R 31/34, опубл. 10.04.2013], по которому диагностика осуществляется во время работы двигателя путем измерения величин тока в двух точках его короткозамыкающего кольца, разнесенных относительно друг друга на величину полюсного деления асинхронных электродвигателей или кратную ей, для чего на короткозамкнутом кольце ротора в указанных точках устанавливаются два датчика тока. Величины токов, протекающих в короткозамыкающем кольце ротора, свидетельствуют о наличии или отсутствии повреждений двигателя.

Недостатками данного способа являются ограниченная область применения и сложность технической реализации, обусловленная установкой датчиков тока на короткозамкнутом кольце ротора.

Существует устройство (Авторское свидетельство № SU 1684761 А1, G01R 33/06, опуб. 15.10.1991) для измерения и топографии магнитных полей рассеивания вблизи поверхности объекта исследования, в котором используется один трехкомпонентный датчик Холла, перемещаемый вдоль заданной траектории с помощью измерительной штанги относительно объекта измерения, посредством блока механических перемещений с поворотным столиком и подвижными каретками, приводимыми в движение шаговыми двигателями. Фиксируемые датчиком данные подвергаются статистической обработке в измерительно-вычислительном блоке. Недостатком устройства являются функциональные ограничения, а именно возможность получения данных для построения распределений магнитных полей не изменяющихся во времени, кроме того, при регистрации поля требуется значительное время на перемещение датчика вдоль заданной пространственное траектории. Известно устройство измерения пространственного неоднородного, постоянного или меняющегося во времени магнитного поля (патент РФ RU №2548931, G01R 33/00, опуб. 20.04.2015). Задача устройства заключается в снижении влияния помех при измерении магнитного поля за счет использования оптической связи, применения автономных источников питания, а также повышение функциональности измерительного устройства за счет возможности наращивания количества измерительных каналов до заданного, исходя из условий конкретной задачи, с возможностью размещения измерительных каналов и задания индивидуальных значений параметров опроса магнитного поля (частота, количество отсчетов, точность преобразования) в конкретных точках пространства, где требуется проводить измерение магнитного поля.

Предназначенное для снижения влияния помех, при измерении магнитного поля за счет использования оптической связи, применения автономных источников питания, а также повышение функциональности измерительного устройства за счет возможности наращивания количества измерительных каналов до заданного исходя из условий конкретной задачи с возможностью размещения измерительных каналов и задания индивидуальных значений параметров опроса магнитного поля (частота, количество отсчетов, точность преобразования) в конкретных точках пространства, где требуется проводить измерение магнитного поля.

Недостатком данного устройства является сложность использования на производстве, из-за необходимости снимать данные с асинхронных двигателей в процессе работы с помощью оптического приемопередатчика, что в некоторых случаях, может являться грубым нарушением техники безопасности. Также в помещениях, в которых установлены двигатели, зачастую могут быть запыленными, что снизит качество связи. Следует отметить, что наличие в датчике блока памяти, микроконтроллера и блока питания делает его неудобным для регистрации магнитных полей двигателей небольшой мощности в связи с большими габаритами.

Наиболее близким является Основанная на модели система обнаружения неисправностей электродвигателей, (патент РФ № RU 2155328 C1, G01M 15/00, опуб. 27.08.2000). Изобретение является способом и устройством контроля состояния, и прогноза эксплуатационного ресурса а. Задачей системы является обнаружения механических неисправностей, способных вызывать повреждение двигателя, до фактической катастрофической неисправности двигателя. Работа системы содержит этапы разработки модели двигателя на компьютере, соединенном с двигателем с помощью множества датчиков, путем измерения множества рабочих сигналов с помощью датчиков. Во время работы электродвигателя, на основании измерения множества рабочих сигналов, решается линейное уравнение состояния в дискретном времени. Далее, сравнивая решения уравнения состояния с решением, предложенным моделью, вычисляется остаток, определяется состояние асинхронных электродвигателей. В случае если двигатель работает с обнаруженной неисправностью, выводится сообщение о существовании неисправности для предотвращения непредвиденного повреждения двигателя. Этапы, измерения, решения и сравнения повторяются с выбранными интервалами времени во время работы асинхронных электродвигателей.

Недостатком данного способа является необходимость получения предварительных результатов экспериментального моделирования для математического описания каждого отдельного двигателя. Также следует отметить высокую сложность и стоимость используемого технического оборудования, реализующего данный способ.

Задачей изобретения, является расширение функциональных возможностей путем диагностики электрических и механических дефектов асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, за счет измерения, во время работы, параметров внешнего магнитного поля рассеяния в точках расположения обмоток фаз в каждом полюсе, угловой скорости и вибрации.

Решением задачи является:

Способ диагностики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, включающий получение эталонных параметров бездефектного двигателя, снятие рабочих характеристик и определение технического состояния по результатам сравнения, отличающиеся тем, что регистрирует показатели величины, частоты и формы распределения внешнего магнитного поля рассеяния асинхронных электродвигателей, угловой скорости и величины механических колебаний в трех направлениях: вертикальное, горизонтальное. Полученная при измерении информация предается на ЭВМ, для анализа и принятия решения. Оценка технического состояния производится согласно пороговому значению, которым является отличие полученных данных с одного из датчиков регистрации внешнего магнитного поля от среднего значения или эталона более чем на величину 10% и 5% для датчика угловой скорости которая которые установлены путем конечно элементного моделирования и анализом экспериментальных данных, для механических колебаний оценка производиться согласно ГОСТ ИСО 10816-1-97 и ГОСТ ИСО 133731-2009.

Способ обеспечивается с помощью устройства диагностики асинхронных двигателей с короткозамкнутых двигателей, включающие датчики для снятия характеристик и ЭВМ, наличие выходного сигнала трех видов, для измерения параметров внешнего магнитного поля рассеяния, угловой скорости и вибрации, причем выходы всех датчиков соединены с измерительным блоком, обеспечивающий сбор данных и передачу на ЭВМ. Измерение параметров магнитного поля производится датчиками на основе элементов Холла, устанавливаемых на корпус электродвигателя, расстояние между которыми зависит от величины полюсного деления. Угловая скорость измеряется при помощи одного датчика и диска с нанесенными на него рисками, устанавливаемые на вал асинхронных электродвигателей. Вибрация измеряется трехкомпонентным датчиком, устанавливаемым на корпус двигателя.

Фигура 1 - Структурная схема устройства обеспечивающего предложенный способ диагностики асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства обеспечивающего предложенный способ диагностики асинхронных двигателей, которая состоит из датчиков трех типов: Т1 - датчик магнитного поля, Т2 - датчик угловой скорости, Т3 - датчик вибрации имеющих связь с измерительным блоком 6 и ЭВМ (7). Датчики типов T1, Т2, Т3 состоят из элементов Холла 1, оптического датчика 2, трехкомпонентного датчика вибрации 3 соответственно в каждом датчике имеется буфер (4), АЦП (5). С помощью датчиков первого типа Т1 содержащих элемент Холла (1), количество которых определяется конструкцией электродвигателя, установленных на корпусе, на расстоянии полюсного деления друг от друга, регистрируются параметры внешнего магнитного поля рассеяния электродвигателя. Сигнал с каждого датчика поступает на фильтрующий буфер (4), далее приходит на АЦП (5) где проходит оцифровку. После АЦП сигнал со всех датчиков приходит на измерительный блок (6), который согласует сигналы со всех датчиков и передает их на ЭВМ (7). Измерение угловой скорости производится одним оптическим датчиком (2), установленным стационарно и диском с нанесенными на него рисками, установленным на вал двигателя, сигнал с которого обрабатывается тем же образом, что и от датчиков магнитного поля. Измерение величины вибрации производится трехкомпонентным датчиком (3), который устанавливается на корпус двигателя, для регистрации тангенциальной, а также нормальной и осевой составляющей колебаний, сигнал с которых проходит ту же обработку, что и сигнал с датчиков магнитного поля и угловой скорости.

После обработки и передачи данных на ЭВМ (7) происходит анализ данных и определение технического состояния по следующим критериям. Для распределения внешнего магнитного поля электродвигателя - это отклонение полученных данных с одного датчика от эталона, либо от среднего значения более чем на 10%. Для угловой скорости вращения отклонение скорости в одной из измеряемых точек от среднего значения более чем на 5%.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении возможности диагностики электрических и механических повреждений и прогнозирования дальнейшего состояния асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и оборудования, во время работы двигателя, без выведения его из эксплуатации, путем осуществления измерения характеристик внешнего магнитного поля в точках, разнесенных относительно друг друга на величину полюсного деления асинхронных электродвигателей или кратную ей, а также контроля вибрации и угловой скорости. Количество датчиков магнитного поля определяется конструкцией двигателя. Это позволяет более точно определить так и спрогнозировать техническое состояние двигателя.

Изобретение относится к областям измерительной техники и диагностики электродвигателей. Способ диагностики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, включающий получение эталонных параметров бездефектного электродвигателя, снятие рабочих характеристик, определение технического состояния по результатам сравнения, при этом снимаются показатели: величины, частоты и формы распределения внешнего магнитного поля рассеяния асинхронных электродвигателей, угловой скорости и величины механических колебаний, оценку технического состояния производят по отклонению полученных данных с одного из датчиков регистрации внешнего магнитного поля от эталона или среднего значения более чем на 10%. Технический результат – возможность диагностики электрических и механических повреждений и прогнозирования дальнейшего состояния АСД с короткозамкнутым ротором и оборудования во время работы двигателя без выведения его из эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ диагностики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, включающий получение эталонных параметров бездефектного электродвигателя, снятие рабочих характеристик, определение технического состояния по результатам сравнения, отличающийся тем, что снимаются показатели: величины, частоты и формы распределения внешнего магнитного поля рассеяния асинхронных электродвигателей, угловой скорости и величины механических колебаний, оценку технического состояния производят по отклонению полученных данных с одного из датчиков регистрации внешнего магнитного поля от эталона или среднего значения более чем на 10%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение вибрации производят трехкомпонентным датчиком, при этом одна из компонент ориентирована в тангенциальном направлении.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценку технического состояния производят по пороговому значению, которым является отличие данных, полученных датчиком угловой скорости в какой-либо точке, от эталона или среднего значения более чем 5%.