Способ диагностирования технического состояния асинхронных электрических двигателей и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК G01R31/34 H02K17/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к диагностированию технического состояния асинхронных электрических двигателей (далее «электродвигателей») с короткозамкнутым и фазным ротором. Изобретение может быть использовано для мониторинга текущего технического состояния электрооборудования сложных технических систем предприятий с непрерывным циклом производства, в частности, электрооборудования горно-обогатительных и металлургических комбинатов.

Известен способ диагностирования состояния электродвигателей переменного тока (Петухов B.C., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. 2005. №1(31). С. 23-28), согласно которому осуществляют фиксацию потребляемого электродвигателем тока с последующим выполнением спектрального анализа полученного сигнала, что позволяет по особенностям спектров выявить дефекты электродвигателя и связанного с ним механического устройства.

Основным недостатком данного способа является то, что, он не дает показателей текущего технического состояния электродвигателя, характеризующих глубину и темпы эксплуатационных изменений, степень их критичности и остаточный ресурс. Другим недостатком способа является то, что он применим к поиску ограниченного количества дефектов электродвигателя, каждый из которых единообразно изменяет спектральный состав потребляемого тока.

Известно также устройство, реализующее способ спектрального анализа потребляемого тока (Петухов B.C., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. 2005. №1(31). С. 23-28), состоящее из разъемного токового датчика, вырабатывающего сигналы, пропорциональные токам электродвигателя, фильтра низких частот, препятствующего появлению ложных компонент в токовых сигналах при их дискретизации, аналого-цифрового преобразователя, осуществляющего дискретизацию токовых сигналов, и персонального компьютера с необходимым программным обеспечением для сбора и обработки информации.

Недостатками данного технического решения являются малые функциональные возможности и низкое качество диагностической информации, связанное с чувствительностью устройства к внешним магнитным полям и вибрациям, способным влиять на спектры потребляемого тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу диагностирования технического состояния асинхронных электродвигателей является способ, описанный в изобретении «Способ диагностики электрических двигателей с фазным ротором» (патент RU №2392632, публ. 20.06.2010, МПК G01R 31/34), согласно которому для электродвигателя с маркерами фаз обмотки статора С, А, В и маркерами фаз обмотки ротора с, а, b при неподвижном роторе проводят 36 опытов, по результатам которых определяются 36 функциональных элементов текущей матрицы Грина. В соответствии со способом последовательность проведения опытов включает в себя внешний и внутренний циклы. В ходе опытов внутреннего цикла фазы А, В, с, a, b замыкают накоротко, а импульсное напряжение в виде функции Хевисайда подают на фазу С, после чего в шести опытах последовательно фиксируются и сохраняются в качестве шести функциональных элементов первого столбца текущей матрицы Грина зависимости токов фаз С, А, В, с, а, b от времени. В ходе продолжения внешнего цикла импульсное напряжение в виде функции Хевисайда последовательно подают на фазы А, В, с, а, b, внутренний цикл каждый раз повторяется и заполняются 2-6 столбцы текущей матрицы Грина. Функциональные элементы текущей матрицы Грина, сравнивают с соответствующими функциональными элементами эталонной матрицы Грина, сформированной таким же образом на полностью исправном и работоспособном электродвигателе, а по величине отклонения соответствующих элементов этих матриц судят о наличии эксплуатационных изменений в структуре активной части электродвигателя.

Недостатком настоящего способа является ограниченность объектной области его применения множеством электродвигателей с фазным ротором. Другим недостатком данного способа диагностирования является его методическая громоздкость, связанная с необходимостью проведения в процессе диагностического тестирования 36 опытов. Третьим недостатком приведенного способа является то, что в соответствии с ним тестируются состояния однофазного питания электродвигателя, не принадлежащие к числу его рабочих многофазных состояний. Наиболее значимым недостатком приведенного способа является отсутствие показателей технического состояния электродвигателя, характеризующих глубину и темпы эксплуатационных изменений, степень их критичности и остаточный ресурс.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для диагностирования электрических двигателей с фазным ротором, описанное в изобретении «Способ диагностики электрических двигателей с фазным ротором» (патент RU №2392632, публ. 20.06.2010, МПК G01R 31/34). Данное устройство содержит источник импульсного напряжения, генерирующий импульсы в виде функции Хевисайда и выполненный с возможностью параллельного подключения в чередующемся порядке к фазам С, А, В, с, a, b диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла, и измерительный блок, предназначенный для фиксации, визуализации и обработки диагностической информации, и выполненный с возможностью последовательного подключения в чередующемся порядке к фазам С, А, В, с, a, b диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внутреннего цикла, в свою очередь измерительный блок содержит виртуальный осциллограф, выполненный на базе персонального компьютера и осциллографической приставки, подключенной к одному из портов персонального компьютера, и токовый шунт, используемый в качестве датчика токового сигнала и подключенный к аналоговому входу осциллографической приставки. При этом осциллографическая приставка преобразует аналоговый токовый сигнал с шунта в цифровую форму, а сопряженный с ней персональный компьютер сохраняет поступивший сигнал в виде функционального элемента текущей матрицы Грина, кроме того, персональный компьютер сравнивает элементы текущей матрицы Грина с элементами эталонной матрицы Грина, формируя таким образом итоговую диагностическую информацию.

Недостатком такого устройства является неудобство его практического применения, вызванное громоздкостью диагностической информации и трудоемкостью ее анализа, выполняемого на этапе подготовки диагностического заключения. Это вызвано и методической громоздкостью способа диагностирования, и реализованной в устройстве функциональной формой отображения диагностической информации, поскольку она представляет собой 36 осциллограмм или 36 массивов цифровых данных, каждый из которых содержит до 4095 пар значений времени и отклонений текущего сигнала от эталонного.

Технической задачей предлагаемого изобретения является возможность получения показателей технического состояния электродвигателя, характеризующих глубину и темпы эксплуатационных изменений, степень их критичности и остаточный ресурс при радикальном снижении методической и информационной громоздкости процесса и результатов диагностирования.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и области применения вследствие диагностирования рабочих многофазных состояний электродвигателя и увеличения множества диагностируемых объектов, в том числе, электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также в повышении удобства практического применения.

Это достигается тем, что в известном способе диагностирования электродвигателей, согласно которому для электродвигателя с маркерами фаз обмотки статора С, А, В при неподвижном роторе проводят тестирующие опыты, по результатам которых определяют элементы текущей матрицы Грина, причем последовательность проведения опытов включает в себя внешний и внутренний циклы, в ходе опытов внутреннего цикла фиксируют и сохраняют в качестве элементов столбца текущей матрицы Грина токи фаз электродвигателя, в ходе опытов внешнего цикла импульсное напряжение подают на фазы электродвигателя, а токами фаз заполняют все столбцы текущей матрицы Грина, элементы текущей матрицы Грина сравнивают с соответствующими элементами эталонной матрицы Грина, сформированной таким же образом на полностью исправном и работоспособном электродвигателе, при этом тестирование электродвигателя проводят исключительно через фазы обмотки статора С, А, В, а фазы обмотки ротора при этом короткозамкнуты, внешний и внутренний циклы состоят из трех и одного опыта соответственно, в ходе которых определяют 9 элементов текущей матрицы Грина, в первом опыте внешнего цикла фазу С размыкают, а импульсное напряжение в форме дельта функции Дирака подают на две последовательно встречно соединенные фазы А, В, после чего фиксируют и сохраняют в качестве трех числовых элементов первого столбца текущей матрицы Грина амплитуды токов фаз С, А, В, при этом для фаз А и В амплитуды токов совпадают, а для фазы С фиксируют и сохраняют нулевое значение амплитуды тока, в двух последующих опытах внешнего цикла разомкнутыми остаются фазы А и В, импульсное напряжение в форме дельта функции Дирака подают на последовательно встречно соединенные фазы В, С и С, А, фиксируют и сохраняют числовые элементы второго и третьего столбца текущей матрицы Грина, а по результатам сравнения элементов текущей матрицы Грина с соответствующими элементами эталонной матрицы Грина вычисляют элементы нормированной матрицы текущих отклонений

из числа ее элементов выделяют максимальное текущее отклонение

Δ_max=max{Δ_ij, i=1…3, j=1…3}

и рассчитывают текущие значения скорости эксплуатационных изменений

вероятности сохранения работоспособности

и остаточного ресурса

где i_0m - амплитуда токового сигнала для эталонного состояния электродвигателя, G₀, G_t - эталонная и текущая матрица Грина, Δ_ij - произвольный фиксированный элемент нормированной матрицы текущих отклонений, t - срок эксплуатации электродвигателя, час, d_max - предельное отклонение, по которым судят о текущем техническом состоянии электродвигателя.

Это достигается также тем, что в известном устройстве, реализующем способ диагностирования электродвигателей, содержащем источник импульсного напряжения, выполненный с возможностью параллельного подключения к фазам диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла, и последовательно соединенный с ним измерительный блок, предназначенный для фиксации, визуализации и обработки диагностической информации, и выполненный с возможностью последовательного подключения к фазам диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внутреннего цикла, при этом измерительный блок содержит виртуальный осциллограф, выполненный на базе персонального компьютера и осциллографической приставки, подключенной к одному из портов персонального компьютера, и токовый шунт, последовательно соединенный с источником импульсного напряжения и подключенный к аналоговому входу осциллографической приставки, выполненный в виде датчика токового сигнала, причем осциллографическая приставка выполнена с возможностью преобразования аналогового токового сигнала с токового шунта в цифровую форму, а сопряженный с ней персональный компьютер выполнен с возможностью формирования и сохранения элементов текущей матрицы Грина, а также сравнения ее элементов с элементами эталонной матрицы Грина для формирования итоговой диагностической информации, при этом источник импульсного напряжения выполнен с возможностью генерирования импульсов в виде дельта функции Дирака и подключения к последовательно встречно соединенным фазам А и В, В и С, С и А тестируемого электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла, измерительный блок выполнен с возможностью последовательного подключения к электрическим цепям, образованным этими фазами, формируемые и сохраняемые персональным компьютером элементы текущей матрицы Грина представляют собой числовые значения амплитуд токов фаз С, А, В, а итоговая диагностическая информация, формируемая персональным компьютером, представляет собой набор из четырех числовых значений показателей текущего технического состояния электродвигателя: максимального текущего отклонения, текущего значения скорости эксплуатационных изменений, текущего значения вероятности сохранения работоспособности и текущего значения остаточного ресурса.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема устройства для осуществления способа диагностирования технического состояния асинхронных электродвигателей, а также обозначены фазы С, А, В обмотки статора и неподвижный ротор электродвигателя с короткозамкнутыми фазами обмотки.

Устройство, реализующее предлагаемый способ диагностирования технического состояния асинхронных электродвигателей, содержит источник импульсного напряжения 1, выполненный с возможностью параллельного подключения к последовательно-встречно включенным фазам А и В, В и С, С и А обмотки статора при выполнении опытов внешнего цикла, и последовательно соединенный с ним измерительный блок 2, выполненный с возможностью последовательного подключения к электрическим цепям, образованным вышеперечисленными фазами, при этом измерительный блок 2 содержит виртуальный осциллограф 3, выполненный на базе персонального компьютера 4 и осциллографической приставки 5, подключенной к одному из портов персонального компьютера 4, и токовый шунт 6, используемый в качестве датчика токового сигнала и подключенный к аналоговому входу осциллографической приставки 5.

При этом источник импульсного напряжения 1 выполнен с возможностью генерации импульсов в виде дельта функции Дирака и последовательно соединен с токовым шунтом 6 измерительного блока 2.

Осциллографическая приставка выполнена с возможностью преобразования аналогового токового сигнала с токового шунта 6 в цифровую форму, а сопряженный с ней персональный компьютер 4 выполнен с возможностью формирования и сохранения элементов текущей матрицы Грина, представляющих собой числовые значения амплитуд токов фаз С, А, В, а также сравнения ее элементов с элементами эталонной матрицы Грина для формирования итоговой диагностической информации в виде набора из четырех числовых значений показателей текущего технического состояния электродвигателя: максимального текущего отклонения, текущего значения скорости эксплуатационных изменений, текущего значения вероятности сохранения работоспособности и текущего значения остаточного ресурса.

Схема подключения фаз диагностируемого электродвигателя к источнику импульсного напряжения 1 и измерительному блоку 2 показана на чертеже в том виде, который она имеет при проведении первого опыта внешнего цикла диагностического тестирования. При проведении второго и третьего опытов внешнего цикла фазы электродвигателя, участвующие в опыте, меняются в чередующемся круговом порядке.

Кроме элементов диагностирующего устройства и фаз обмотки статора диагностируемого электродвигателя на чертеже показаны оси O1, O2, O3 векторов импульсных сигналов, которые подаются на электродвигатель в трех опытах диагностического тестирования, также показаны оси рабочей области векторного пространства α, β. Утолщенными стрелками на чертеже показаны вектор импульсного напряжения u1, формируемый в первом опыте источником импульсного напряжения 1 и фазами А, В обмотки статора, а также вектор токовой реакции i1 электродвигателя на действие импульса напряжения u1. Стрелками показаны принятые положительные направления фазных напряжений uC, uA, uB и токов iC, iA, iB обмотки статора. Тонкой стрелкой показан токовый сигнал iA(t), поступающий от шунта 6 на аналоговый вход осциллографической приставки 5. Двойной стрелкой показан цифровой поток диагностической информации, поступающий из осциллографической приставки 5 в персональный компьютер 4.

Реализация предлагаемым устройством предлагаемого способа диагностирования технического состояния асинхронных электродвигателей осуществляется следующим образом.

В процессе диагностического тестирования электродвигателя проводится три опыта внешнего цикла, в каждом из которых тестируют одно из мгновенных рабочих состояний электродвигателя с трехфазным питающим напряжением. В первом опыте тестируют рабочее состояние, в котором напряжение фазы С электродвигателя проходит через ноль, а напряжения фаз А и В равны по величине и противоположны по знаку. При реализации фазных напряжений источником импульсных напряжений 1 с импульсом в виде дельта функции Дирака δ(t) вектор импульсного напряжения для первого опыта в фазном базисе выглядит следующим образом

где U - половина амплитуды импульсного напряжения, генерируемого источником импульсного напряжения 1 и приложенного к последовательно встречно соединенным фазам А и В, u_C, uA, u_B - фазные напряжения обмотки статора.

Аналогично для последующих двух опытов по тестированию рабочих состояний, в которых фазное напряжение фазы А проходит через ноль (второй опыт внешнего цикла) и фазное напряжение фазы В проходит через ноль (третий опыт внешнего цикла) векторы импульсного напряжения выглядят следующим образом

Записанные векторы импульсного напряжения, как и токовые реакции на них, принадлежат рабочей области - плоскости αβ, на что указывает равенство нулю суммы фазных координат векторов.

Математическая модель электродвигателя после приведения к токам фаз статора имеет вид

где Z - параметрическая матрица электродвигателя, i_C, i_A, i_B - токи фаз обмотки статора электродвигателя.

Своим последовательным действием на тестируемый электродвигатель импульсные напряжения u₁, u₂, u₃ порождают 9 токовых реакций, объединенных в функциональной матрице Грина

элементы которой пропорциональны собственным (фазным) и взаимным (межфазным) электрическим проводимостям активной части электродвигателя и являются носителями диагностической информации о ее состоянии. Элементы столбцов матрицы G_tƒ фиксируются как аналоговые токовые сигналы, поступающие от токового шунта 6 на вход осциллографической приставки 5 и сохраняются ею в виде цифровых файлов, содержащих до 4095 пар координат точек.

При этом, (в отличие от прототипа), предлагаемый метод оперирует, а персональный компьютер 4 выделяет, запоминает и сравнивает в разные моменты эксплуатации t, не функциональные элементы матрицы G_tƒ, а только их амплитуды, заполняющие столбцы числовой матрицы Грина (далее «матрица Грина») G_t.

При диагностическом тестировании различают эталонное и текущее эксплуатационные состояния электродвигателя, которые отображают эталонная матрица Грина и текущая матрица Грина, сформированная при текущем диагностическом тестировании. Эталонную матрицу Грина формируют при первом тестировании полностью исправного и работоспособного электродвигателя. Целесообразно проводить первое тестирование после выпускных испытаний электродвигателя на предприятии изготовителе. Соответствующий первому тестированию момент времени принимается за начало отсчета срока эксплуатации электродвигателя.

Методология диагностического тестирования состоит в выявлении и фиксации эксплуатационных изменений параметрических свойств активной части электродвигателя, заданных матрицей Z, а также в последующем расчете текущих значений величины и скорости эксплуатационных изменений, вероятности сохранения работоспособности и остаточного ресурса электродвигателя в качестве характеристик текущего технического состояния его активной части.

Первый опыт по тестированию оси O1 рабочей области проводится по схеме, представленной на чертеже с разомкнутой фазой С. На последовательно-встречно включенные фазы А, В от источника импульсного напряжения 1 подается прямоугольный импульс напряжения, аппроксимирующий дельта-функцию Дирака. Амплитуда 2U импульса и длительность импульса t_и выбираются с учетом технических характеристик используемого устройством генератора сигналов и фиксируются при первом тестировании электродвигателя. Все данные первого тестирования, включая матрицу Грина и характеристики импульсного напряжения, считаются эталонными и хранятся в технической документации электродвигателя весь срок его эксплуатации.

Перед началом диагностического тестирования эталонные данные загружают в персональный компьютер 4.

В силу последовательного включения фаз А и В, при разомкнутой фазе С токовая реакция электродвигателя на импульс напряжения

имеет вид

При появлении токов в фазах, токовый шунт 6 генерирует аналоговый сигнал, пропорциональный функции i_A(t), передает его на вход осциллографической приставки 5 и преобразуется ею в цифровой файл, передаваемый на персональный компьютер 4.

Анализируя полученный файл, персональный компьютер 4 выделяет амплитуду токового сигнала i_Am=i_Bm, причем для разомкнутой фазы С фиксируется нулевая амплитуда. Определенные в опыте амплитуды ассоциируются персональным компьютером 4 со сроком эксплуатации электродвигателя t и сохраняются им в виде первого столбца текущей матрицы Грина

Таким образом, за один опыт внутреннего цикла предлагаемое изобретение позволяет зафиксировать амплитуды трех токовых сигналов, что обеспечивает его методическую компактность.

Второй и третий опыты внешнего цикла диагностического тестирования проводят аналогично, но в них изменяется состав фаз, подключенных к источнику импульсного напряжения 1 и измерительному блоку 2. Более подробная информация об опытах приведена в таблице 1.

Следует отметить, что все токовые сигналы, регистрируемые в трех опытах подобны, и имеют форму, характерную для токов в короткозамкнутых контурах, при возбуждении в них токов сторонним источником напряжения или ЭДС. В предлагаемом устройстве таким «сторонним» источником является источник импульсного напряжения 1 с импульсами в виде дельта функций Дирака. Несмотря на то, что источник подключается к фазам электродвигателя, длительность его действия бесконечно мала и влияет только на амплитуду токового сигнала, не влияя при этом на его форму. Это обеспечивает предлагаемому устройству возможность оперировать функционально однородной диагностической информацией, что дополнительно повышает удобство его использования.

В результате трех опытов внешнего цикла персональным компьютером 4 формируется актуальная на момент времени тестирования t текущая матрица Грина

позволяющая судить об однородности, темпах и глубине эксплуатационных изменений в активной части электродвигателя. Так, при условии получения результата

i_Am=i_Bm=i_Cm=i_tm,

констатируют однородные эксплуатационные изменения в активной части электродвигателя. В противном случае эксплуатационные изменения активной части электродвигателя неоднородны.

В эталонном состоянии электродвигателя (при t=0) его активная часть и матрица Грина однородны

где i_0m - амплитуда токового сигнала для эталонного состояния электродвигателя.

Мерой глубины эксплуатационных изменений служит нормированная матрица текущих отклонений, формируемая как разность

Другие показатели технического состояния электродвигателя определяются по максимальному текущему отклонению, выделяемому из элементов матрицы текущих отклонений в соответствии с выражением

Δ_max=max{Δ_ij, i=1…3, j=1…3},

где Δ_ij - произвольный фиксированный элемент матрицы ΔG_t.

Мерой темпов эксплуатационных изменений является их скорость, определяемая по выражению

Сопоставление максимального текущего отклонения с предельным отклонением d_max, определенным путем экспертного оценивания, позволяет решить вопрос о целесообразности продолжения эксплуатации электродвигателя. Для решения этого вопроса вводится показатель текущей вероятности сохранения работоспособности, определяемый по выражению

причем при равенстве этого показателя нулю эксплуатация электродвигателя должна быть прекращена. Практически, это следует делать при входе показателя текущей вероятности сохранения работоспособности в диапазон 0,1-0,0.

Прогнозную характеристику предстоящей эксплуатации дает остаточный ресурс электродвигателя, рассчитываемый по формуле

По приведенным формулам персональный компьютер 4, в котором хранится эталонная матрица Грина G₀, предельное отклонение d_max и срок эксплуатации тестируемого электродвигателя t, рассчитывает матрицу ΔG_t и ее максимальный элемент Δ_max, а также величины ν_t, p(t), Т_ос и приводит их в итоговом протоколе диагностического тестирования в качестве характеристик текущего технического состояния электродвигателя.

Таким образом, устройство фиксирует, формирует и обрабатывает диагностическую информацию в соответствии с предлагаемым способом.

Следует отметить, что результаты диагностического тестирования в виде нормированной матрицы текущих отклонений и показателей технического состояния предоставляют прямую, объективную и достоверную информацию о степени однородности активной части электродвигателя, о произошедших за время эксплуатации изменениях в активной части электродвигателя, об их темпах и о степени их критичности. Все эти качества метода подкреплены количественными показателями текущего технического состояния электродвигателя в рабочих режимах.

Значения показателей текущего технического состояния дают возможность эксплуатирующему персоналу принять обоснованное решение о целесообразности дальнейшей эксплуатации электродвигателя, запланировать сроки его замены или ремонта, не останавливая при этом технологический процесс. Последнее обстоятельство влечет за собой особенно значительный эффект для предприятий с непрерывным циклом производства, в частности, для горнообогатительных и металлургических комбинатов.

Работоспособность устройства и техническая возможность реализации заявленного способа подтверждена путем математического моделирования процесса и результатов диагностического тестирования асинхронного электродвигателя. Применительно к серийному асинхронному электродвигателю с короткозамкнутым ротором 4А200М6УЗ моделировалось эталонное состояние и текущее эксплуатационное состояние, характеризуемое параметрическими изменениями свойств обмоток электродвигателя, возникшими после 10000 часов эксплуатации изделия. Предельное отклонение элементов эталонной и текущей матриц Грина принималось равным d_max=0,1.

В приводимой ниже математической модели асинхронного электродвигателя векторы электромагнитных величин записаны в ортогональном базисе векторного пространства, орты которого n₀, n_α, n_β являются столбцами матрицы V

причем орты n_α, n_β являются базисом рабочей области векторного пространства, а орт n_о ортогонален рабочей области. В проекциях на оси этого базиса математическая модель электродвигателя имеет вид:

где Ψ_sα, U_sα, R_sα - потокосцепление, напряжение, сопротивление обмотки статора по оси α рабочей области; Ψ_sβ, U_sβ, R_sβ - то же по оси β рабочей области; Ψ_rα, Ψ_гβ - потокосцепления обмотки ротора по осям α, β; i_sα, i_sβ - токи обмотки статора по осям α, β; x_sα, x_sβ, x_rd, x_rq - индуктивности рассеяния обмотки статора и обмотки ротора по осям рабочей области; X_s, X_r, X_m - полные индуктивности обмотки статора, обмотки ротора и главная индуктивность электродвигателя; - коэффициент рассеяния обмоток электродвигателя; ω - частота вращения ротора; R_d, R_q - сопротивления обмотки ротора по осям d, q рабочей области. Угол θ задает взаимное положение осей рабочей области α и d, а также β и q. В расчетах было принято равенство θ=0, в связи с чем оси d, q совпадали с осями α, β. Кроме того, частота вращения ротора, в соответствии с заявляемым методом, полагалась равной нулю.

При воздействии на математическую модель электродвигателя импульсных напряжений в виде дельта-функций Дирака, ее реакции i_sα, i_sβ представляют собой токовые реакции объекта по ортогональным осям α, β рабочей области. Их преобразование к фазному базису осуществлялось матрицей V^-1, что дало следующие результаты:

в первом опыте

во втором опыте

в третьем опыте

При этом векторы питающих напряжений u₁, u₂, u₃ приводились к базису математической модели n₀, n_α, n_β посредством матрицы V, что дало следующие результаты:

в первом опыте

во втором опыте

в третьем опыте

В таблице 2 приведены параметры электродвигателя 4А200М6УЗ по осям рабочей области, которые в эталонном и эксплуатационном состояниях вводились в математическую модель.

Моделирование токовых сигналов i_A(t), i_B(t), i_C(t) при заданных параметрах электродвигателя и импульса напряжения источника 1 дало возможность в соответствии с предлагаемым способом сформировать эталонную и текущую матрицу Грина и вычислить нормированную матрицу отклонений. Она имеет вид

Приведенный результат позволяет сделать следующий вывод. Эксплуатационные изменения у тестируемого электродвигателя идут неоднородно, затрагивая в наибольшей мере оси O1 и О3 рабочей области. Отклонение параметров рабочей области по данным осям составляет 4,6% против 4,5% по оси O2.

По результатам тестирования электродвигателя 4А200М6УЗ были определены следующие показатели его технического состояния на момент времени t=10⁴ часов:

максимальное текущее отклонение элементов матрицы Грина составляет

Δ_max=max{Δ_ij, i=1…3, j=1…3}=0,046.

скорость эксплуатационных изменений в активной части электродвигателя равна

текущая вероятность сохранения работоспособности равна

остаточный ресурс электродвигателя составляет

Рассчитанные показатели позволяют сделать следующее диагностическое заключение: техническое состояние тестируемого электродвигателя 4А200М6УЗ после 10000 часов эксплуатации оценивается, как состояние средней степени критичности, с умеренными темпами эксплуатационного старения и существенным остаточным ресурсом. В связи с этим представляется целесообразным продолжение эксплуатации электродвигателя.

О достижении заявленного технического результата свидетельствуют сравнительные характеристики качества и полноты диагностирования, относящиеся к прототипу и заявляемому способу и устройству, приведенные в таблице 3.

Следует отметить, что такие возможности технического решения, как организация тестирования электродвигателя исключительно через комбинации разомкнутых и питаемых фаз статора, сохранение и анализ устройством только амплитуд токовых сигналов, введение числовых показателей текущего технического состояния обеспечивает способу методическую простоту, распространяет его действие на электродвигатели с короткозамкнутым ротором, выводит процесс диагностирования на уровень тестирования рабочих состояний электродвигателя с оценками глубины, скорости и степени критичности эксплуатационных изменений, включая в них и эксплуатационное старение, и эксплуатационные повреждения электродвигателя. Эти же возможности технического решения обеспечивают устройству информационную компактность и удобство практического применения.

Использование предлагаемого изобретения позволяет расширить множество диагностируемых объектов за счет электродвигателей с короткозамкнутым ротором, диагностировать рабочие многофазные состояния электродвигателя, ввести в практику диагностирования обобщенные показатели технического состояния электродвигателя, а также обеспечить удобство практического применения устройства, выраженное в радикальном снижении методической и информационной громоздкости процесса и результатов диагностирования.

Изобретение относится к диагностированию технического состояния асинхронных электродвигателей. Технический результат: расширение функциональных возможностей и области применения за счет увеличения диагностируемых объектов, в том числе, электродвигателей с короткозамкнутым ротором, получение эксплуатационных изменений, степень их критичности и остаточный ресурс при снижении методической и информационной громоздкости процесса и результатов диагностирования. Сущность: тестирование проводят через фазы обмотки статора С, А, В, а фазы обмотки ротора при этом короткозамкнуты. Внешний и внутренний циклы тестирования состоят из трех и одного опыта соответственно, в ходе которых определяют 9 элементов текущей матрицы Грина. В первом опыте внешнего цикла фазу С размыкают, а импульсное напряжение в форме дельта функции Дирака подают на две последовательно встречно соединенные фазы А, В. Фиксируют и сохраняют в качестве трех числовых элементов первого столбца текущей матрицы Грина амплитуды токов фаз С, А, В. При этом для фаз А и В амплитуды токов совпадают, а для фазы С фиксируют и сохраняют нулевое значение амплитуды тока. В двух последующих опытах внешнего цикла разомкнутыми остаются фазы А и В, импульсное напряжение в форме дельта функции Дирака подают на последовательно встречно соединенные фазы В, С и С, А. Фиксируют и сохраняют числовые элементы второго и третьего столбца текущей матрицы Грина. По результатам сравнения элементов текущей матрицы Грина с соответствующими элементами эталонной матрицы Грина вычисляют элементы нормированной матрицы текущих отклонений. Из числа ее элементов выделяют максимальное текущее отклонение и рассчитывают текущие значения скорости эксплуатационных изменений, вероятности сохранения работоспособности и остаточного ресурса. Устройство содержит источник импульсного напряжения, выполненный с возможностью параллельного подключения к фазам диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла, и последовательно соединенный с ним измерительный блок, предназначенный для фиксации, визуализации и обработки диагностической информации, и выполненный с возможностью последовательного подключения к фазам диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внутреннего цикла. Измерительный блок содержит виртуальный осциллограф, выполненный на базе персонального компьютера и осциллографической приставки, и токовый шунт, выполненный в виде датчика токового сигнала. Источник импульсного напряжения выполнен с возможностью генерирования импульсов в виде дельта функции Дирака и подключения к последовательно встречно соединенным фазам А и В, В и С, С и А электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла. Итоговая диагностическая информация представляет собой набор из четырех числовых значений показателей текущего технического состояния электродвигателя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ диагностирования технического состояния асинхронных электрических двигателей, состоящий в том, что для электродвигателя с маркерами фаз обмотки статора С, А, В при неподвижном роторе проводят тестирующие опыты, по результатам которых определяют элементы текущей матрицы Грина, причем последовательность проведения опытов включает в себя внешний и внутренний циклы, в ходе опытов внутреннего цикла фиксируют и сохраняют в качестве элементов столбца текущей матрицы Грина токи фаз электродвигателя, в ходе опытов внешнего цикла импульсное напряжение подают на фазы электродвигателя, а токами фаз заполняют все столбцы текущей матрицы Грина, элементы текущей матрицы Грина сравнивают с соответствующими элементами эталонной матрицы Грина, сформированной таким же образом на полностью исправном и работоспособном электродвигателе, отличающийся тем, что тестирование электродвигателя проводят через фазы обмотки статора С, А, В, фазы обмотки ротора при этом короткозамкнуты, внешний и внутренний циклы состоят из трех и одного опыта соответственно, а в ходе опытов определяют 9 элементов текущей матрицы Грина, в первом опыте внешнего цикла фазу С размыкают, а импульсное напряжение в форме дельта функции Дирака подают на две последовательно встречно соединенные фазы А, В, после чего фиксируют и сохраняют в качестве трех числовых элементов первого столбца текущей матрицы Грина амплитуды токов фаз С, А, В, при этом для фаз А и В амплитуды токов совпадают, а для фазы С фиксируют и сохраняют нулевое значение амплитуды тока, в двух последующих опытах внешнего цикла разомкнутыми остаются фазы А и В, импульсное напряжение в форме дельта функции Дирака подают на последовательно встречно соединенные фазы В, С и С, А, фиксируют и сохраняют числовые элементы второго и третьего столбца текущей матрицы Грина, а по результатам поэлементного сравнения текущей матрицы Грина с эталонной матрицей Грина формируют нормированную матрицу текущих отклонений

из числа ее элементов выделяют максимальное текущее отклонение

Δ_max=max{Δ_ij, i=1…3, j=1…3} и рассчитывают текущие значения скорости эксплуатационных изменений

вероятности сохранения работоспособности

остаточного ресурса

где i_0m - амплитуда токового сигнала для эталонного состояния электродвигателя, G₀,G_t - эталонная и текущая матрица Грина, Δ_ij - произвольный фиксированный элемент нормированной матрицы текущих отклонений, t - срок эксплуатации электродвигателя, час, d_max - предельное отклонение, по которым судят о техническом состоянии электродвигателя.

2. Устройство, реализующее способ диагностирования технического состояния асинхронных электрических двигателей, содержащее источник импульсного напряжения, выполненный с возможностью параллельного подключения к фазам диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла, и последовательно соединенный с ним измерительный блок, предназначенный для фиксации, визуализации и обработки диагностической информации, и выполненный с возможностью последовательного подключения к фазам диагностируемого электродвигателя при выполнении опытов внутреннего цикла, при этом измерительный блок содержит виртуальный осциллограф, выполненный на базе персонального компьютера и осциллографической приставки, подключенной к одному из портов персонального компьютера, и токовый шунт, последовательно соединенный с источником импульсного напряжения и подключенный к аналоговому входу осциллографической приставки, выполненный в виде датчика токового сигнала, причем осциллографическая приставка выполнена с возможностью преобразования аналогового токового сигнала с токового шунта в цифровую форму, а сопряженный с ней персональный компьютер выполнен с возможностью формирования и сохранения элементов текущей матрицы Грина, а также сравнения ее элементов с элементами эталонной матрицы Грина для формирования итоговой диагностической информации, отличающееся тем, что источник импульсного напряжения выполнен с возможностью генерирования импульсов в виде дельта функции Дирака и подключения к последовательно встречно соединенным фазам А и В, В и С, С и А тестируемого электродвигателя при выполнении опытов внешнего цикла, измерительный блок выполнен с возможностью последовательного подключения к электрическим цепям, образованным этими фазами, формируемые и сохраняемые персональным компьютером элементы текущей матрицы Грина представляют собой числовые значения амплитуд токов фаз С, А, В, а итоговая диагностическая информация, формируемая персональным компьютером, представляет собой набор из четырех числовых значений показателей текущего технического состояния электродвигателя: максимального текущего отклонения, текущего значения скорости эксплуатационных изменений, текущего значения вероятности сохранения работоспособности и текущего значения остаточного ресурса.