Способ диагностики асинхронного электродвигателя на основе нейросетевого анализа Российский патент 2024 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам повышения надежности электрооборудования ответственных технологических циклов предприятий и диагностики состояния изоляции обмоток статоров асинхронных электродвигателей. Отказ оборудования объектов жизнеобеспечения населения, атомных станций, химических производств, объектов топливно-энергетического комплекса может сопровождаться чрезвычайными ситуациями, экологическими катастрофами, крупными авариями.

Известен способ диагностики электродвигателей (см. патент RU № 2431152 С2, МПК G01R 31/34, опубл. 27.05.2011), включающий запись значений фазных токов и напряжений в течение определенного интервала времени, разложение их на гармонические составляющие с помощью преобразования Фурье, а также измерение амплитуды и фазы гармоник. Данный способ предусматривает использование искусственной нейронной сети для идентификации технического состояния объекта с применением коэффициентов искажения кривой тока и напряжения, что может ограничивать точность и достоверность диагностики. В предлагаемом способе вводится использование искусственной нейронной сети, которая анализирует параметры гармонических составляющих фазных токов и напряжений, а также динамику их изменения. Нейронная сеть использует коэффициенты искажения кривых тока и напряжения для каждого интервала времени и выдает результат в виде кода возможного дефекта. Кроме того, способ предусматривает анализ и прогнозирование технического состояния объекта с применением интегрального параметра поврежденности за весь исследуемый период времени, что позволяет выявлять дефекты на ранних стадиях и предсказывать их развитие.

Один из недостатков этого способа заключается в том, что при оценке оставшегося ресурса анализируются только гармоники напряжения, которые порождает сам электропривод, в то время как компоненты, обусловленные сетью питания, не учитываются. Однако значительные искажения в питающем напряжении, вызванные различными факторами, такими как изменение режима работы двигателя, непостоянство нагрузки, использование статических преобразователей и особенности сети питания, негативно влияют на состояние изоляции оборудования, приводя к ее преждевременному старению.

Известен способ диагностики (см. патент RU № 2269759, С1, МПК G01M 15/00, опубл. 10.02.2006) механизмов и систем с использованием электрических двигателей. Этот метод включает в себя измерение спектра частот амплитудной модуляции электрического тока, потребляемого исполнительным электрическим двигателем. На каждой из этих частот измеряется глубина амплитудной модуляции тока. По результатам измерений определяется наличие дефектного агрегата в механизме или системе, вызывающего изменения в нагрузке на электродвигатель, а также определяется величина этого дефекта на основе измеренной глубины амплитудной модуляции.

Данный метод имеет недостаток, такой как низкая достоверность результатов из-за непринятия во внимание помех питающего электродвигатель напряжения, поступающего из сети.

Известен способ диагностики технического состояния электромеханического оборудования (см. патент RU № 2626231, С1, МПК G01R 31/34, опубл. 24.07.2017), взятый за прототип, заключающийся в записи электрических и вибрационных параметров с помощью датчиков вибрации, тока и напряжения, а также использовании искусственной нейронной сети (ИНС) для комплексного анализа этих параметров. Способ позволяет производить диагностику и оценку остаточного ресурса асинхронного двигателя (АД), учитывая различные условия эксплуатации и переменный характер нагрузки. Результатами работы являются диагностическая картина вероятностей технического состояния и расчетное значение остаточного ресурса.

Недостатком данного способа является обилие предлагаемых для анализа нейронной сетью входных и выходных параметров. Это усложняет обучение нейронной сети с получением высоких показателей достоверности, а весь способ становится технически сложным в реализации и дорогостоящим ввиду множества датчиков.

Технический результат заявляемого способа заключается в диагностировании межвитковых замыканий на ранней стадии развития и оценке остаточного ресурса изоляции электродвигателя.

Технический результат достигается тем, что способ диагностики "асинхронного электродвигателя на основе нейросетевого анализа, включающий запись зависимостей напряжения и тока, потребляемых электродвигателем, с последующим пропусканием полученных сигналов через программный фильтр высоких и низких частот и обработкой полученных данных с помощью программного обеспечения, на выходе которого получают количественную и качественную оценку технического состояния, отличается тем, что производят измерения мгновенных значений токов и напряжений по синхронизирующему сигналу в распределительном устройстве или силовом щите, питающем электродвигатели, при этом измерения мгновенных значений напряжения осуществляют общим для всех электродвигателей датчиком напряжений, а измерения мгновенных значений тока осуществляют датчиками тока индивидуальных микропроцессорных устройств защиты электродвигателей, передающих измеренные значения в пункт сбора данных, производят обработку данных при помощи индивидуальных нейронных сетей, выявляют отдельные виды неисправностей, и после отключения и окончания выбега электродвигателя подают испытательное напряжение и по величине тока через изоляцию и его сдвигу фазы рассчитывают активную составляющую тока и осуществляют оценку остаточного ресурса изоляции статора.

Сущность способа заключается в применении нейросетевого анализа по отношению к измеренным мгновенным значениям токов и напряжений за определенный период и с некоторой частотой дискретизации. Для различных видов развивающихся дефектов, таких как межвитковые замыкания, междуфазные замыкания, замыкания относительно корпуса, применяются индивидуальные нейронные сети, идентифицирующие наличие и степень развивающегося дефекта электродвигателя. Для обеспечения эффективности нейросетевого анализа, при составлении выборок данных, необходимо обеспечить наличие данных, полученных при различных сетевых искажениях и отклонениях питающего напряжения.

На чертежах изображено: на фиг. 1 - структурная схема устройства диагностики технического состояния и оценки остаточного ресурса асинхронного двигателя; на фиг. 2 - векторная диаграмма токов через изоляцию при подаче испытательного напряжения, на фиг. 3-векторная диаграмма токов через изоляцию при подаче испытательного напряжения, включая абсорбционные составляющие тока.

На фигурах приводятся следующие блоки и обозначения:

1 - магнитный контактор;

2 - микроконтроллер № 1;

3 - аналого-цифровой преобразователь № 1;

4 - преобразователь ток/напряжение;

5 - датчик тока;

6 - источник испытательного напряжения;

7 - жидкокристаллический дисплей;

8 - клавиатура;

9 - датчик фазы;

10 - трехфазный асинхронный электродвигатель;

11, 12, 13 - трансформаторы тока;

14 - преобразователь напряжения;

15 - аналого-цифровой преобразователь № 2;

16 - микроконтроллер № 2;

17 - сервер сбора данных; I - ток через изоляцию, А;

Ia - активная составляющая тока через изоляцию, А;

I_c - реактивная составляющая тока через изоляцию, А;

I_a абс - активная составляющая тока абсорбции через изоляцию, А;

I_c абс - реактивная составляющая тока абсорбции через изоляцию, А;

ϕ - фаза тока через изоляцию, относительно испытательного напряжения, градусы;

δ - угол диэлектрических потерь в изоляции, градусы.

Судить о состоянии изоляции предлагается по величине активной составляющей тока (фиг. 2) через изоляцию в отсутствии влияния абсорбционной составляющей тока (фиг. 3), определяющей увлажнение изоляции. Реактивная составляющая тока Ic предварительно рассчитывается по параметрам электродвигателя и величине испытательного напряжения. Измеренные при подаче испытательного напряжения величина тока через изоляцию I и фаза тока ϕ, относительно испытательного напряжения, используются для отдельных расчетов активной составляющей тока через изоляцию Ia по формулам:

где ϕ - фаза тока через изоляцию, относительно испытательного напряжения, градусы; δ - угол диэлектрический потерь в изоляции, градусы.

где Ia - активная составляющая тока через изоляцию, А; Ic -реактивная составляющая тока через изоляцию, А; δ - угол диэлектрический потерь в изоляции, градусы.

где I - ток через изоляцию, А; Ia - активная составляющая тока через изоляцию, А; Ic - реактивная составляющая тока через изоляцию, А.

Далее активные составляющие, полученные отдельно по выражениям 2 и 3 сравниваются и при неравенстве, не превышающем допустимое значение, остаточный ресурс изоляции определяется исходя из величины Ia. При превышении допустимого значения, делается вывод о содержании в токе через изоляцию значительной активной и реактивной абсорбционной составляющих, ввиду наличия которых выражение 3 выглядит следующим образом:

где I - ток через изоляцию, А; Ia - активная составляющая тока через изоляцию, А; Ic - реактивная составляющая тока через изоляцию, А; I_а абс -активная составляющая тока абсорбции через изоляцию, А; I_с абс -реактивная составляющая тока абсорбции через изоляцию, А.

В этом случае формируется вывод о необходимости сушки изоляции с последующей оценкой остаточного ресурса.

Работу устройства можно пояснить по фигуре 1.

После запуска асинхронного электродвигателя 10 магнитным контактором 1, электродвигатель 10 работает в течение некоторого времени.

Микроконтроллер № 1-2 выполняет функции оперативного управления и защиты электродвигателя 10, отключая магнитный контактор 1 в случае возникновения аварийного режима двигателя. Значения уставок защит и входные данные по настройкам микроконтроллер № 1-2 получает через кнопочную клавиатуру 8, жидкокристаллический дисплей 7 служит для отображения информации. С заданным синхронизированным интервалом периодичности или по синхронизирующей команде от сервера сбора данных. 17, микроконтроллер № 1 и микроконтроллер №2 - 16 начинают регистрацию данных за определенный период, соответственно, от аналого-цифрового преобразователя № 1 - 3 и аналого-цифрового преобразователя № 2 - 15, которые, в свою очередь, получили аналоговые данные, соответственно, от преобразователя ток/напряжение 4 и преобразователя напряжения 14. Преобразователь ток/напряжение 4 получает сигналы тока от трансформаторов тока 11,12,13. Далее, по команде от сервера сбора данных 17, микроконтроллеры № 1 и № 2 передают ему зарегистрированные мгновенные значения токов и напряжений для анализа на основе применения .искусственных нейронных сетей (ИНС). В результате анализа каждая нейронная сеть, обученная на распознавание наличия и степени определенного развивающегося дефекта, дает количественную оценку, на основе которой решение принимает оператор пункта сбора данных или программный алгоритм, настроенный на отключение двигателя или сигнализацию персоналу о наличии развивающегося дефекта определенного типа и степени развития. Датчик напряжения, состоящий из преобразователя напряжения 14, аналого-цифрового преобразователя № 2 и микроконтроллера № 2 осуществляет измерения мгновенных значений напряжения по трем фазам на общих шинах распределительного устройства или силового щита, питающего группу электродвигателей. Оценка остаточного ресурса осуществляется следующим образом. После отключения электропитания двигателя и окончания выбега (определяемого расчетно или по эксплуатационным данным), от микроконтроллера № 1 поступает сигнал блоку источника испытательного напряжения 6, который подает испытательное напряжение на изоляцию статора электродвигателя через датчик тока 5. Через цепь (пунктирная линия), образованную питающей сетью, источником испытательного напряжения 6, датчиком тока 5, жилой питающего кабеля, изоляцией обмотки статора и корпуса электродвигателя, провода заземления или зануления корпуса электродвигателя, протекает переменный ток, с активной и реактивной составляющей. Датчик тока 5 замеряет величину тока, а датчик фазы 9, на основе данных источника испытательного напряжения 6 и датчика тока 5, определяет фазу между испытательным напряжением и током через изоляцию. От датчика тока 5 величина тока передается на аналого-цифровой преобразователь № 1, который передает данные о величине тока в цифровом виде микроконтроллеру № 1. Данные о величине фазы датчик фазы передает микроконтроллеру № 1. После этого, по команде блока 17, значения величины тока через изоляцию и фазы между током и напряжением передаются от микроконтроллера № 1 в сервер сбора данных 17, где осуществляется расчет тангенса угла диэлектрических потерь, реактивной и активных составляющих тока через изоляцию, с последующей оценкой степени увлажнения изоляции и остаточного ресурса изоляции.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам повышения надежности электрооборудования ответственных технологических циклов предприятий и диагностики состояния изоляции обмоток статоров асинхронных электродвигателей. Технический результат: возможность диагностирования развивающихся дефектов изоляции на ранней стадии развития и оценки остаточного ресурса изоляции электродвигателя. Сущность: способ включает запись зависимостей напряжения и тока, потребляемых электродвигателем, с последующим пропусканием полученных сигналов через программный фильтр высоких и низких частот и обработкой полученных данных с помощью программного обеспечения, на выходе которого получают количественную и качественную оценку технического состояния. При этом измерения мгновенных значений токов и напряжений производят по синхронизирующему сигналу в распределительном устройстве или силовом щите, питающем электродвигатели. Измерения мгновенных значений напряжения осуществляют общим для всех электродвигателей датчиком напряжений. Измерения мгновенных значений тока осуществляют датчиками тока индивидуальных микропроцессорных устройств защиты электродвигателей, передающих измеренные значения в пункт сбора данных. обработку данных произволят при помощи индивидуальных нейронных сетей. Выявляют отдельные виды неисправностей. После отключения и окончания выбега электродвигателя подают испытательное напряжение, и по величине тока через изоляцию и его сдвигу фазы рассчитывают активную составляющую тока, и осуществляют оценку остаточного ресурса изоляции статора. 3 ил.

Способ диагностики асинхронного электродвигателя на основе нейросетевого анализа, включающий запись зависимостей напряжения и тока, потребляемых электродвигателем, с последующим пропусканием полученных сигналов через программный фильтр высоких и низких частот и обработкой полученных данных с помощью программного обеспечения, на выходе которого получают количественную и качественную оценку технического состояния, отличающийся тем, что производят измерения мгновенных значений токов и напряжений по синхронизирующему сигналу в распределительном устройстве или силовом щите, питающем электродвигатели, при этом измерения мгновенных значений напряжения осуществляют общим для всех электродвигателей датчиком напряжений, а измерения мгновенных значений тока осуществляют датчиками тока индивидуальных микропроцессорных устройств защиты электродвигателей, передающих измеренные значения в пункт сбора данных, производят обработку данных при помощи индивидуальных нейронных сетей, выявляют отдельные виды неисправностей, и после отключения и окончания выбега электродвигателя подают испытательное напряжение, и по величине тока через изоляцию и его сдвигу фазы рассчитывают активную составляющую тока, и осуществляют оценку остаточного ресурса изоляции статора.