Способ диагностирования технического состояния электрических двигателей в режиме реального времени Российский патент 2024 года по МПК G01R31/34 

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к диагностированию технического состояния электрических двигателей (далее «электродвигателей»), и может быть использовано для мониторинга текущего технического состояния электрооборудования сложных технических систем предприятий с непрерывным циклом производства. В частности, силовых электродвигателей прокатных станов, для процессов интенсивной пластической деформации заготовок из наноструктурированных высокоэнтропийных сплавов, с целью повышения работоспособности оборудования и улучшения качества проката из труднодеформируемых композиционных материалов. Кроме того, электрооборудования буровых установок, нефтегазового производства, горно-обогатительных, металлургических и машиностроительных предприятий.

Уровень техники

Известно устройство, реализующее способ спектрального анализа потребляемого тока [1], 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.

Первым недостатком данного технического решения является то, что устройство чувствительно к шумам и качеству потребляемой от электрической сети электроэнергии. Например, если напряжение в электрической сети имеет незначительные перекосы фазы, или вал ротора электродвигателя вращается на резонансных частотах, то это будет искажать достоверность результатов диагностики оборудования. Следующими недостатками 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.

Известен способ диагностики технического состояния силового электрооборудования (патент RU №2532762, публ. 10.11.2014, МПК G01R 31/34), согласно которому осуществляют запись зависимостей от времени напряжения и тока, потребляемых электродвигателем, выполняемую с помощью датчиков напряжения. Далее, обрабатывают сигналы фильтром низких частот и определяют расхождение амплитуд сигналов токов, напряжений и мощности каждой фазы. Рассчитывают коэффициенты несимметрии тока, напряжений, мощности и коэффициенты гармонических колебаний, используя фильтр низких частот и отфильтровывают спектр исследуемых частот от общего сигнала. Затем определяют уровень влияния качества питающего напряжения в части наличия несимметрии, импульсов перенапряжения и высших гармонических составляющих и на основе получаемых данных с учетом текущего задания выходной координаты определяют техническое состояние электропривода.

Первым недостатком данного способа является то, что, он чувствителен к шумам и качеству потребляемой от электрической сети электроэнергий. Вторым недостатком способа является то, что он применим к поиску ограниченного количества дефектов электродвигателя, каждый из которых единообразно изменяет спектральный состав потребляемого тока в зависимости от частоты вращения вала ротора. Другим недостатком является то, что его сложно интегрировать в систему непрерывного мониторинга и диагностики технического состояния электродвигателей, так как требует экспертного вмешательства.

Известен способ диагностирования технического состояния асинхронных электрических двигателей и устройство для его осуществления (патент RU №2794240, публ. 22.11.2022, МПК G01R 31/34, H02K 17/02), согласно которому 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. 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. 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.

Недостатком способа является ограниченность объектной области его применения, так как требует конструктивного вмешательства. Вторым недостатком данного способа диагностирования является его методическая громоздкость, связанная с необходимостью проведения в процессе диагностического тестирования. Следовательно, данный способ сложно интегрировать в систему непрерывного мониторинга и диагностики технического состояния электродвигателей.

Известна группа способов диагностики на основе спектрального анализа сигналов тока и напряжения, например:

- способ диагностики технического состояния электроприводного оборудования (патент RU №2552854, публ. 18.10.2013, МПК G01R 31/34), заключающийся в сравнении измеряемых величин спектра тока с исходными величинами, хранящимися в базе данных, состоящий в том, что в процессе работы электродвигателя производят измерение сигнала потребляемого тока. Полученный сигнал тока обрабатывают, преобразовывают и формируют мощностной амплитудный спектр тока с логарифмической амплитудной шкалой, отличающийся тем, что предварительно рассчитывают мощностной амплитудный спектр тока с логарифмической амплитудной шкалой эталонного сигнала. Различие между измеряемым и эталонным спектрами определяют аналитический. При этом полученное значение сравнивают с исходными величинами и определяют состояние оборудования как «работоспособное исправное», или «работоспособное неисправное», или «частично работоспособное»;

- способ диагностики на основании анализа спектров модулей вектора Парка, рассчитанных по сигналам тока и напряжения, измеренным в трех фазах электродвигателей (патент РФ №2339049, публ. 02.03.2007, МПК G01R 31/34). Оператор визуально оценивает спектр потребляемого тока, выделяя характерные частоты электродвигателя и связанных с ним устройств. При этом характер и степень развития неисправности выявляется путем сравнения значений амплитуд модуля вектора Парка тока на характерных частотах со значением модуля вектора Парка тока на частоте ноль герц;

- способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем (патент РФ №2269759, публ. 10.06.2004, МПК G01M 15/00), заключающийся в том, что измеряют частоты амплитудной модуляции потребляемого электрическим двигателем электрического тока и для каждой частоты модуляции измеряют глубину амплитудной модуляции тока, по измеренной частоте модуляции определяют дефектный агрегат механизма или системы, вызывающий появление переменной нагрузки на электрический двигатель, а по измеренной глубине модуляции определяют величину этого дефекта;

- способ диагностирования электрооборудования (патент РФ №2456629, публ. 02.02.2011, МПК G01R 31/34), заключающийся в сравнении измеряемых величин спектра тока электродвигателя с исходными величинами, хранящимися в базе данных, состоящий в том, что в процессе работы электродвигателя измеряют механические вибрации, фиксируемые в электрическом сигнале тока в обмотках статора асинхронного электродвигателя, который используют в качестве датчика вибраций, причем после измерения сигнала тока со статора асинхронного двигателя происходит его обработка и преобразование, при этом в качестве диагностического параметра используют спектр тока, причем частота сигнала тока нормирована к частоте сети, а по изменению амплитуды собственных частот узлов арматуры и электропривода судят о развитии дефекта, при этом при неизменной амплитуде ставят диагностическое заключение «норма», при слабом линейном росте амплитуды диагностическое заключение «работоспособное состояние», при экспоненциальном или параболическом росте - диагностическое заключение «состояние, предшествующее отказу оборудования», а при появлении различий между измеряемыми и базовыми величинами спектра, превышающих допустимые параметры рассогласования, делают вывод о неисправности конкретного узла электроприводной арматуры.

Недостатками вышеперечисленных технических решений является: - чувствительность к шумам и качеству потребляемой от электрической сети электроэнергии; они применимы к поиску ограниченного количества дефектов электроприводного оборудования, каждый из которых единообразно изменяет спектральный состав потребляемого тока в зависимости от частоты вращения вала ротора; - их сложно интегрировать в систему непрерывного мониторинга и диагностики технического состояния электроприводного оборудования, так как требуют экспертного вмешательства; - использование отдельных дискретных составляющих спектра, соответствующих расчетным значениям вынужденных и собственных частот деталей оборудования, которые во многих случаях отличаются от эмпирических, и игнорирование таких диагностических признаков в спектре, как наличие энергетических горбов и уровень шума.

Техническая задача изобретения направлена на создание эффективного и удобного способа диагностирования технического состояния электродвигателей по анализу сигналов тока в режиме реального времени, в котором комплексно учитываются все составляющие гармоники основных сигналов, а также имеется возможность косвенно оценить величину и характер выявленного дефекта в электродвигателе.

Технический результат изобретения - повышение достоверности диагностирования технического состояния электродвигателей по анализу сигналов тока в процессе непрерывной эксплуатации в режиме реального времени.

Технический результат достигается тем, что способ диагностирования технического состояния электрических двигателей в режиме реального времени, характеризуется тем, что определяют эталонные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники исправного электродвигателя, производят с помощью компьютерной системы математическую обработку полученных эталонных сигналов, затем определяют экспериментальные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники диагностируемого электродвигателя, производят их математическую обработку и сопоставляют результаты обработки эталонных и экспериментальных сигналов; при этом для математической обработки эталонных сигналов исправного электродвигателя, измеряют и записывают значения потребляемых токов исправного электродвигателя при минимальных и максимальных частотах вращения вала электродвигателя; фиксируют значения частот вращений вала; из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают среднее значение по размеру окна k; рассчитывают дисперсию по размеру окна k; рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсий эталонных сигналов по размеру окна k; рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии сигналов по размеру окна k; фиксируют опорные значения функции размаха дисперсии для фиксированных минимальных и максимальных частот вращений вала; для математической обработки экспериментальных сигналов диагностируемого электродвигателя измеряют потребляемые токи указанного электродвигателя на произвольно выбранных частотах вращений его вала; рассчитывают дисперсию по размеру окна k для массивов полученных экспериментальных сигналов тока; рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсий сигналов по размеру окна k; рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии сигналов; затем сопоставляют опорные значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя; если значений функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя больше чем значений функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя на 8% и более, то делают вывод о наличии дефекта в указанном электродвигателе и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации электродвигателя, в противном случае в электродвигателе не выявлен дефект.

Раскрытие изобретения

Способ диагностирования технического состояния электрического центробежного насоса в режиме реального времени характеризуется тем, что:

1) получают эталонные сигналы от исправного электродвигателя, вычисляют опорные значение из статистических параметров сигналов следующим образом: - измеряют и записывают потребляемые токи исправного электродвигателя датчиками тока, установленными на фазные проводники указанного двигателя, при минимальных и максимальных частотах вращения его вала; - с помощью компьютерной системы фиксируют значения частот вращений вала; - из массивов полученных эталонных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднее значение по размеру окна «k» (величину k необходимо выбирать экспериментально в диапазоне от 3 до 30); - рассчитывают дисперсию по размеру окна «k»; - рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсии эталонных сигналов по размеру окна «k»; - рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии сигналов по размеру окна «k»; - фиксируют опорные значения функции размаха дисперсии для фиксированных минимальных и максимальных частот вращений вала.

2) производят процедуру диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации следующим образом: - измеряют потребляемые токи диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации датчиками тока, установленными на фазные проводники указанного электродвигателя, на произвольных частотах вращений его вала; - рассчитывают с помощью компьютерной системы дисперсию по размеру окна «k» для массивов полученных экспериментальных сигналов тока диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации; - рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсии указанных сигналов по размеру окна «k»; - рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии экспериментальных сигналов для диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации; - сопоставляют опорные значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя; - если значения функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя больше, чем значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя на 8% и более, то делают вывод о наличии дефекта в электродвигателе и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации электродвигателя, в противном случае в электродвигателе не выявлен дефект; - величина расхождения функции размаха дисперсии может косвенно отражать величину и характер выявленного дефекта в электродвигателе.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами, где:

Фиг. 1 - Блок-схема последовательности этапов реализации способа, где позициями обозначено: 100 - этап получения эталонных сигналов от исправного электродвигателя; 200 - этап вычисления опорных значений из статистических параметров сигналов тока электродвигателя; 300 - этап диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации.

Фиг. 2 - Иллюстрация результатов экспериментального диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации по значениям функции размаха дисперсии сигналов при размере окна «k=6», где «Norm» - исправное состояние электродвигателя, «BrBARNorm» - неисправное состояние электродвигателя (с дефектом стержня).

Способ осуществляется по следующей последовательности и в нескольких этапах (100, 200 и 300, Фиг. 1).

ЭТАП ПОЛУЧЕНИЯ ЭТАЛОННЫХ СИГНАЛОВ ОТ ИСПРАВНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (100, Фиг. 1):

- измеряют и записывают потребляемые токи (I^ф1, I^ф2 и I^ф3) исправного электродвигателя датчиками тока, установленными на фазные проводники (ф₁, ф₂ и ф₃) электродвигателя, при минимальных и максимальных частотах вращения вала (f_{min_1}, f_{min_2}, f_{min_n}, .., f_{max_1}, f_{max_2}, f_{max_n});

- фиксируют значений частот вращений вала ротора электродвигателя (f_{min_1}, f_{min_2}, f_{min_n}, .., f_{max_1}, f_{max_2}, f_{max_n}).

ЭТАП ВЫЧИСЛЕНИЯ ОПОРНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ ТОКА ИСПРАВНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (200, Фиг. 1):

- из массивов полученных сигналов потребляемых токов:

где:

- первая выборка массива

- вторая выборка массива

- последняя выборка массива ,

методом непересекающегося окна рассчитывают среднее значение по размеру окна «k» (величину k необходимо выбирать экспериментально в диапазоне от 3 до 30):

- рассчитывают дисперсию по размеру окна «k»:

- рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсии сигналов по размеру окна «k»:

- рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениям кумулятивных сумм дисперсии сигналов по размеру окна «k»:

- фиксируют опорные значения функции размаха дисперсии для фиксированных частот вращений вала.

ЭТАП ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ (300, Фиг. 1):

- измеряют потребляемые токи электродвигателя в процессе эксплуатации (I^ф1, I^ф2 и I^ф3) датчиками тока, установленными на фазные проводники (ф₁, ф₂ и ф₃) электродвигателя, на произвольных частотах вращений вала ротора электродвигателя;

- по выражениям (4, 5 и 6) рассчитывают дисперсию по размеру окна «k» для массивов полученных сигналов тока диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации;

- по выражениям (7, 8 и 9) рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсии сигналов по размеру окна «k»:

- рассчитывают значений функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениям кумулятивных сумм дисперсии сигналов для диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации:

- сопоставляют опорные значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя;

- если значений функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя больше чем значений функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя на 8% и более:

то делают вывод о наличии дефекта в указанном электродвигателе и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации электродвигателя, в противном случае в электродвигателе не выявлен дефект;

- величина расхождение функции размаха дисперсии может косвенно отражать величину и характер выявленного дефекта в электродвигателе.

Предлагаемый способ был воспроизведен с использованием экспериментальных данных, которые подробно описаны в работе [2]. В результате, при использовании указанных данных [2] предлагаемым способом были получены экспериментальные результаты, которые представлены в виде иллюстрации на Фиг. 2. Как видно из результатов экспериментального тестирования (Фиг. 2), предлагаемый способ имеет высокую достоверность диагностирования технического состояния электродвигателя.

Список использованной литературы

1. Петухов B.C., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. 2005. №1(31). С. 23-28.

2. Alexander S., Dmitry G., Victoria E., Vladimir S., Olga I. Detection of Broken Bar Fault in Induction Motor Using Higher-Order Harmonics Analysis / 9^th IMEKO TC10 Conference "Measurement for Diagnostics, Optimisation and Control to Support Sustainability and Resilience", Delft, The NETHERLANDS, 21 September 2023 - 22 September 2023, DOI: 10.21014/tc10-2023.010.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к диагностированию технического состояния электрических двигателей, и может быть использовано для мониторинга текущего технического состояния электрооборудования. Технический результат - повышение достоверности диагностирования технического состояния электродвигателей по анализу сигналов тока в процессе непрерывной эксплуатации. Сущность: определяют эталонные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники исправного электродвигателя, и производят их математическую обработку. Определяют экспериментальные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники диагностируемого электродвигателя, производят их математическую обработку и сопоставляют эталонные и экспериментальные результаты обработки. При математической обработке сигналов датчиков тока диагностируемого электродвигателя измеряют и записывают значения потребляемых токов на произвольно выбранных частотах вращений вала. Далее как для исправного, так и диагностируемого электродвигателей из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают среднее значение по размеру окна k, рассчитывают дисперсию по размеру окна k, кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсий сигналов по размеру окна k, рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии сигналов по размеру окна k. Фиксируют опорные значения функции размаха дисперсии для фиксированных частот вращений вала. Сопоставляют опорные значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя. Если значений функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя больше, чем значений функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя на 8% и более, то делают вывод о наличии дефекта в указанном электродвигателе. В противном случае в электродвигателе не выявлен дефект. 2 ил.

Способ диагностирования технического состояния электрических двигателей в режиме реального времени, характеризующийся тем, что определяют эталонные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники исправного электродвигателя, производят с помощью компьютерной системы математическую обработку полученных эталонных сигналов, затем определяют экспериментальные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники диагностируемого электродвигателя, производят их математическую обработку и сопоставляют результаты обработки эталонных и экспериментальных сигналов; при этом для математической обработки эталонных сигналов исправного электродвигателя измеряют и записывают значения потребляемых токов исправного электродвигателя при минимальных и максимальных частотах вращения его вала; фиксируют значения частот вращений вала; из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают среднее значение по размеру окна k; рассчитывают дисперсию по размеру окна k; рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсий эталонных сигналов по размеру окна k; рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии сигналов по размеру окна k; фиксируют опорные значения функции размаха дисперсии для фиксированных минимальных и максимальных частот вращений вала исправного электродвигателя; для математической обработки экспериментальных сигналов диагностируемого электродвигателя измеряют потребляемые токи указанного электродвигателя на произвольно выбранных частотах вращений вала; рассчитывают дисперсию по размеру окна k для массивов полученных экспериментальных сигналов тока; рассчитывают кумулятивную сумму для рассчитанных дисперсий указанных сигналов по размеру окна k; рассчитывают значения функции размаха дисперсии между минимальным и максимальным значениями кумулятивных сумм дисперсии экспериментальных сигналов; затем сопоставляют опорные значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя; если значения функции размаха дисперсии для диагностируемого электродвигателя больше, чем значения функции размаха дисперсии для исправного электродвигателя, на 8% и более, то делают вывод о наличии дефекта в указанном электродвигателе и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации электродвигателя, в противном случае в электродвигателе не выявлен дефект.