Способ контроля состояния электрических машин по сигнатурному анализу токового сигнала Российский патент 2023 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля механических повреждений подшипников электрических машин путем измерения тока питания электрической машины и анализа его частотного состава.

Известны способы контроля состояния электрических машин, в которых состояние узлов машины оценивается путем анализа потребляемого тока.

Способы контроля состояния электрических машин по сигнатурному анализу электрических сигналов описаны в ГОСТ ИСО 20958-2015 и базируются на применении метода преобразования Фурье для получения спектральных характеристик сигнала тока. Данные методы позволяют обнаружить гармоники дефектов в амплитудно-частотном спектре по известным соотношениям. В качестве примеров таких способов можно привести патент WO 2020/078132 («Устройство диагностики неисправности подшипников двигателя», МПК G01M13/045, опубл. 23.04.2020); патент RU 2269759 («Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем», МПК G01M 15/00 (2006.01), опубл. 10.02.2006).

Наиболее близким техническим решением по совокупности существующих признаков является способ (по патенту RU 2356061 C1 «Способ автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей», МПК G01R 31/00, опубл. 20.05.2009), в котором производится поиск максимальных значений амплитуды в малом диапазоне частот, связанных с возможными дефектами, и сравнение полученных значений с опорной величиной, полученной аналогично для исправного режима.

Недостатками перечисленных выше способов являются большое время накопления отсчетов сигнала для обеспечения высокого разрешения по частоте и, как следствие, размытие спектра при нестационарных условиях работы электрической машины, что приводит к невозможности обнаружения гармоник дефектов.

Техническая задача заявляемого способа заключается в оценке технического состояния электрической машины по ее параметрам.

Технический результат заключается в снижении числа отсчетов сигнала, необходимых для получения признаков механических дефектов электрической машины, и уменьшении времени накопления сигнала, за счет чего достигается эффективная работа способа диагностики при нестационарных режимах работы электрических машин.

Указанный технический результат достигается тем, что способ контроля состояния электрических машин характеризуется тем, что:

- измеряют и записывают потребляемый ток исправной электрической машины датчиком тока, установленным на фазный проводник машины;

- фиксируют опорные значения амплитуд на частотах, соответствующих гармоникам механических дефектов, полученных из измеренного сигнала тока для исправной машины;

- измеряют потребляемый ток электрической машины в процессе эксплуатации датчиком тока, установленным на фазный проводник машины;

- извлекают параметры гармоник (частоту и амплитуду) потребляемого тока электрической машины в процессе эксплуатации из измеренных отсчетов потребляемого тока параметрическим методом матричных пучков;

- сопоставляют частоты гармоник, извлеченные в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов;

- в случае совпадении частот гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов сравнивают амплитуды гармоник (частоту и амплитуду), извлеченные в процессе эксплуатации, с фиксированными опорными значениями амплитуд, полученных из измеренного сигнала тока для исправной машины;

- при превышении значений амплитуд гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, над фиксированными опорными значениями амплитуд, полученных из измеренного сигнала тока для исправной машины, делают вывод о наличии механического дефекта и принимают решение о дальнейшей эксплуатации электрической машины.

Метод матричных пучков является методом спектрального анализа, в котором предполагается, что сигнал является суммой комплексных экспонент с некоторыми неизвестными параметрами. Задача метода - определить неизвестные параметры: комплексные амплитуды и частоты каждой компоненты. Согласно принципам решения систем независимых уравнений, это позволяет снизить число отсчетов сигнала до числа неизвестных параметров. В этом случае число отсчетов будет в разы меньше числа отсчетов, необходимых для получения спектра Фурье с таким же разрешением по частоте.

Для работы метода в стационарном и в нестационарном режимах необходимо знать текущую частоту вращения вала электрической машины для расчета актуальных значений частот механических дефектов.

Отличие предлагаемого способа от известных заключается в том, что метод матричных пучков позволяет находить параметры гармонических составляющих сигнала при низкой частоте дискретизации (порядка 500 Гц) и малом количестве отсчетов сигнала (порядка 100 отсчетов). Эти свойства позволяют находить компоненты дефекта при нестационарных условиях работы электрической машины.

Способ контроля состояния электрических машин по сигнатурному анализу токового сигнала поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 представлено сравнение результатов обработки измеренного тока методом Фурье и методом матричных пучков для микромоторного шпинделя постоянного тока с постоянными магнитами с исправным подшипником для сигналов длительностью 2 секунды и 0,8 секунд соответственно; на фиг. 3 и фиг. 4 представлено сравнение результатов обработки измеренного тока методом Фурье и методом матричных пучков для микромоторного шпинделя постоянного тока с постоянными магнитами с подшипником без смазки для сигнала длительностью 2 секунды и 0,8 секунд соответственно.

Микромотор шпинделя постоянного тока мощностью 64 Вт имеет частоту вращения 33 Гц. Сигнал потребляемого тока записан с датчика тока, установленного на фазный проводник микромотора, при частоте дискретизации 500 Гц. Потребляемый ток микромотора в исправном состоянии равен 0,13 А.

Для получения спектрального состава записанный сигнал двумя способами: методом Фурье и методом матричных пучков. Результат обработки показывает, что сигнал потребляемого тока содержит гармоники питающей сети (100 Гц и кратные частоты) и гармоники механической скорости (33 Гц и кратные частоты).

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены результаты обработки сигнала тока для 1000 и 400 отсчетов соответственно. При уменьшении числа отсчетов сигнала разрешение спектра Фурье уменьшается, и некоторые гармоники не подлежат разделению и идентификации (гармоники на частоте питания и третьей частоте вращения). В то время как метод матричных пучков позволяет разделить гармоники в обоих случаях.

Согласно формулам, приведенных в ГОСТ ИСО 20958-2015, значения частот для дефектов подшипников микромотора при частоте вращения 33 Гц составляют:

- частота дефекта сепаратора 11,74 Гц;

- частота дефекта шарика 52,40 Гц;

- частота дефекта внутренней дорожки 127,57 Гц;

- частота дефекта внешней дорожки 70,43 Гц.

По результатам спектрального анализа для потребляемого тока исправного микромотора приняты следующие опорные значения амплитуд на частотах дефектов:

- амплитуда на частоте дефекта сепаратора 0,2 мА;

- амплитуда на частоте дефекта шарика 0,2 мА;

- амплитуда на частоте дефекта внутренней дорожки 0,2 мА;

- амплитуда на частоте дефекта внешней дорожки 0,2 мА;

При масляном голодании подшипника микромоторного шпинделя в сигнале тока появляется гармоника на частоте дефекта сепаратора подшипника (11,74 Гц), а также увеличивается амплитуда первой гармоники механической частоты вращения (33 Гц).

Амплитуда гармоники на частоте дефекта сепаратора составляет 0,6 мА, что в 3 раза больше опорного значения. Таким образом, результат диагностики показывает наличие дефекта подшипника микромотора шпинделя.

Гармоника дефекта наблюдается в спектре Фурье как при 1000 отсчетах, так и при 400, однако, при низком разрешении спектра ее значение определено с точностью 1,25 Гц, что может привести к ложной идентификации дефекта в условиях зашумленности сигнала. Метод матричных пучков позволяет получить значение частоты с точностью до 0,1 Гц.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля состояния электрических машин путем измерения тока питания электрической машины и анализа его частотного состава. Сущность: измеряют потребляемый ток исправной электрической машины, фиксируют опорные значения амплитуд на частотах, соответствующих гармоникам механических дефектов для исправной машины. Измеряют потребляемый ток в процессе эксплуатации машины. Извлекают параметры гармоник - частоту и амплитуду потребляемого тока - в процессе эксплуатации из измеренных отсчетов потребляемого тока с помощью параметрического метода матричных пучков. Сопоставляют частоты гармоник, извлеченные в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов. В случае совпадении частот гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов сравнивают амплитуды гармоник, извлеченные в процессе эксплуатации, с фиксированными опорными значениями амплитуд для исправной машины. При превышении значений амплитуд гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, над фиксированными опорными значениями амплитуд делают заключение о наличии предполагаемого дефекта. Технический результат: снижение числа отсчетов сигнала, необходимых для получения признаков механических дефектов электрической машины, и уменьшение времени накопления сигнала, за счет чего повышается эффективность способа диагностики при нестационарных режимах работы электрических машин. 4 ил.

Способ контроля состояния электрических машин, характеризующийся тем, что измеряют потребляемый ток исправной электрической машины, фиксируют опорные значения амплитуд на частотах, соответствующих гармоникам механических дефектов для исправной машины, измеряют потребляемый ток в процессе эксплуатации машины, извлекают параметры гармоник - частоту и амплитуду потребляемого тока - в процессе эксплуатации из измеренных отсчетов потребляемого тока, сопоставляют частоты гармоник, извлеченные в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов, в случае совпадении частот гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов сравнивают амплитуды гармоник, извлеченные в процессе эксплуатации, с фиксированными опорными значениями амплитуд для исправной машины, при превышении значений амплитуд гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, над фиксированными опорными значениями амплитуд делают заключение о наличии предполагаемого дефекта, при этом параметры гармоник - частоту и амплитуду потребляемого тока - в процессе эксплуатации извлекают с помощью параметрического метода матричных пучков.