Способ диагностирования технического состояния электрических двигателей по анализу сигналов тока 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, она чувствительна 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, опубл. 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 не симметрии 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 не симметрии, 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 электроэнергии. 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, опубл. 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, опубл. 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 аналитически. 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, опубл. 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, опубл. 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, опубл. 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 котором комплексно учитываются все составляющие гармоники основных сигналов, а также имеется возможность косвенно оценить величину выявленного дефектного состояния.

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

Технический результат достигается тем, что способ диагностирования технического состояния электрического двигателя по анализу сигналов тока, заключается в том, что определяют эталонные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники исправного электродвигателя, производят с помощью компьютерной системы математическую обработку полученных сигналов, затем определяют экспериментальные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники диагностируемого электродвигателя, производят их математическую обработку и сопоставляют эталонные и экспериментальные результаты обработки; при этом для математической обработки эталонных сигналов исправного электродвигателя, измеряют и записывают значения потребляемых токов исправного электродвигателя при разных частотах вращений вала; фиксируют значения частот вращений вала исправного электродвигателя; из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднее значение и среднеквадратическое отклонение по размеру окна k; парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанных среднеквадратических отклонений сигналов тока первой, второй и третьей фазы исправного электродвигателя по размеру окна k; фиксируют опорные значения рассчитанных коэффициентов корреляции для ранее фиксированных частот вращений вала исправного электродвигателя; для математической обработки сигналов тока диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации, измеряют значения потребляемых токов диагностируемого электродвигателя при ранее фиксированных частотах вращений вала исправного электродвигателя; из массивов полученных сигналов потребляемых токов диагностируемого электродвигателя методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднеквадратическое отклонение по размеру окна k; парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанных среднеквадратических отклонений сигналов тока первой, второй и третьей фазы диагностируемого электродвигателя по размеру окна k; затем сопоставляют рассчитанные значения коэффициентов корреляции для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями коэффициентов корреляции для диагностируемого электродвигателя; при расхождении значения коэффициентов корреляции диагностируемого и исправного электродвигателя более, чем на 20 %, делают вывод о наличии дефекта в диагностируемом электродвигателе.

Раскрытие изобретения

Способ диагностирования технического состояния электрического двигателя по анализу сигналов тока заключается в следующем:

1) получают эталонные сигналы от исправного электродвигателя, вычисляют опорные значения из статистических параметров указанных сигналов, в частности: - измеряют и записывают потребляемые токи исправного электродвигателя датчиками тока, установленными на фазные проводники указанного электродвигателя, при разных частотах вращений вала; - с помощью компьютерной системы фиксируют значения частот вращений вала; - из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднее значение и среднеквадратическое отклонение по размеру окна «k» (величину k необходимо выбирать экспериментально в диапазоне от 3 до 30); - парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанных среднеквадратических отклонений сигналов тока первой, второй и третьей фазы по размеру окна «k»; - фиксируют опорные значения рассчитанных коэффициентов корреляции для ранее фиксированных частот вращений вала исправного электродвигателя;

2) производят процедуру диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации, в частности: - измеряют потребляемые токи диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации датчиками тока, установленными на фазные проводники электродвигателя, при ранее фиксированных частотах вращений вала исправного электродвигателя; - из массивов полученных сигналов потребляемых токов диагностируемого электродвигателя методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднеквадратическое отклонение по размеру окна «k»; - парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанных среднеквадратических отклонений сигналов тока первой, второй и третьей фазы диагностируемого электродвигателя по размеру окна «k»; - затем сопоставляют рассчитанные значения коэффициентов корреляции для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями коэффициентов корреляции для диагностируемого электродвигателя; - при расхождении значения коэффициентов корреляции диагностируемого и исправного электродвигателя более, чем на 20 %, делают вывод о наличии дефекта в диагностируемом электродвигателе; - величина расхождение коэффициентов корреляции 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 исправного электродвигателя; 300 - этап диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации;

фиг. 2 - иллюстрация результатов диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации по значениям функции для фазы 1-2, где «Norm» - исправное состояние электродвигателя, «BrBar_Norm» - неисправное состояние электродвигателя (с дефектом стержня);

фиг. 3 - иллюстрация результатов диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации по значениям функции для фазы 1-3, где «Norm» - исправное состояние электродвигателя, «BrBar_Norm» - неисправное состояние электродвигателя (с дефектом стержня);

фиг. 4 - иллюстрация результатов диагностирования технического состояния электродвигателя в процессе эксплуатации по значениям функции для фазы 2-3, где «Norm» - исправное состояние электродвигателя, «BrBar_Norm» - 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 разных частотах вращения вала ротора электродвигателя (f₁, f₂, …, f_n);

- фиксируют значений частот вращений вала ротора электродвигателя (f₁, f₂, ..., f_n).

ЭТАП ВЫЧИСЛЕНИЯ ОПОРНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ (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 среднеквадратическое отклонение по размеру окна «k»:

- парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанных среднеквадратических отклонений сигналов тока первой, второй и третьей фазы по размеру окна «k» (, , ):

- фиксируют опорные значения рассчитанных коэффициентов корреляции (, и ) для фиксированных частот вращения вала ротора.

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, при ранее фиксированных частотах вращения вала ротора электродвигателя (f₁, f₂, …, f_n);

- по выражениям (4, 5, 6) и (7, 8, 9) рассчитывают среднеквадратическое отклонение и коэффициенты корреляции по размеру окна «k» для массивов полученных сигналов потребляемых токов электродвигателя в процессе эксплуатации;

- сопоставляют рассчитанные значение коэффициентов корреляции для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями коэффициентов корреляции для электродвигателя в процессе эксплуатации;

- если значение коэффициентов корреляции для электродвигателя в процессе эксплуатации расходятся более чем на 20% от значений коэффициентов корреляции для исправного электродвигателя, то делают вывод о наличии неисправности в электродвигателе и принимают решение о дальнейшей эксплуатации электродвигателя, в противном случае электродвигатель исправен;

- величина расхождение коэффициентов корреляции косвенно может отражать величину выявленного неисправного состояния.

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. 2-4. Как видно из результатов экспериментального тестирования (фиг. 2-4), 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 (далее «электродвигателей»), и может быть использовано для мониторинга текущего технического состояния электрооборудования сложных технических систем предприятий с непрерывным циклом производства. Способ диагностирования технического состояния электрического двигателя по анализу сигналов тока характеризуется тем, что определяют эталонные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники исправного электродвигателя, производят с помощью компьютерной системы математическую обработку полученных сигналов, затем определяют экспериментальные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники диагностируемого электродвигателя, производят их математическую обработку и сопоставляют эталонные и экспериментальные результаты обработки; при этом для математической обработки эталонных сигналов исправного электродвигателя измеряют и записывают значения потребляемых токов исправного электродвигателя при разных частотах вращений его вала; фиксируют значения частот вращений вала исправного электродвигателя; из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднее значение и среднеквадратическое отклонение по размеру окна k; парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанными среднеквадратическими отклонениями сигналов тока первой, второй и третьей фазы по размеру окна k; фиксируют опорные значения рассчитанных коэффициентов корреляции для ранее фиксированных частот вращений вала исправного электродвигателя; для математической обработки сигналов тока диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации измеряют значения потребляемых токов указанного электродвигателя при ранее фиксированных частотах вращений вала исправного электродвигателя; из массивов полученных сигналов потребляемых токов диагностируемого электродвигателя методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднеквадратическое отклонение по размеру окна k; парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанными среднеквадратическими отклонениями сигналов тока первой, второй и третьей фазы диагностируемого электродвигателя по размеру окна k; затем сопоставляют рассчитанные значения коэффициентов корреляции для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями коэффициентов корреляции для диагностируемого электродвигателя; при расхождении значения коэффициентов корреляции диагностируемого и исправного электродвигателя более чем на 20 %, делают вывод о наличии дефекта в диагностируемом электродвигателе. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение достоверности диагностирования технического состояния электродвигателей по анализу сигналов тока в процессе эксплуатации. 4 ил.

Способ диагностирования технического состояния электрического двигателя по анализу сигналов тока, заключающийся в том, что определяют эталонные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники исправного электродвигателя, производят с помощью компьютерной системы математическую обработку полученных сигналов, затем определяют экспериментальные сигналы датчиков тока, установленных на фазные проводники диагностируемого электродвигателя, производят их математическую обработку и сопоставляют эталонные и экспериментальные результаты обработки; при этом для математической обработки эталонных сигналов исправного электродвигателя измеряют и записывают значения потребляемых токов исправного электродвигателя при разных частотах вращений вала; фиксируют значения частот вращений вала исправного электродвигателя; из массивов полученных сигналов потребляемых токов методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднее значение и среднеквадратическое отклонение по размеру окна k; парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанными среднеквадратическими отклонениями сигналов тока первой, второй и третьей фазы по размеру окна k; фиксируют опорные значения рассчитанных коэффициентов корреляции для ранее фиксированных частот вращений вала исправного электродвигателя; для математической обработки сигналов тока диагностируемого электродвигателя в процессе эксплуатации измеряют значения потребляемых токов указанного электродвигателя при ранее фиксированных частотах вращений вала исправного электродвигателя; из массивов полученных сигналов потребляемых токов диагностируемого электродвигателя методом непересекающегося окна рассчитывают с помощью компьютерной системы среднеквадратическое отклонение по размеру окна k; парно рассчитывают коэффициенты корреляции между рассчитанными среднеквадратическими отклонениями сигналов тока первой, второй и третьей фазы диагностируемого электродвигателя по размеру окна k; затем сопоставляют рассчитанные значения коэффициентов корреляции для исправного электродвигателя с рассчитанными значениями коэффициентов корреляции для диагностируемого электродвигателя; при расхождении значения коэффициентов корреляции диагностируемого и исправного электродвигателя более чем на 20 %, делают вывод о наличии дефекта в диагностируемом электродвигателе.