Разработка спектральных методов и прибора для мониторинга и диагностики электромеханических преобразователей

^СУ, ИНФОРМАЦИОННА ШИКА И ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИКЕ

Р

I

Я

I

УДК 621.316.001.2

РАЗРАБОТКА СПЕКТРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И ПРИБОРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Д. А. ЯРОСЛАВСКИЙ, Н. К. АНДРЕЕВ, Н. А. МАЛЕВ Казанский государственный энергетический университет

Предлагаются методы и прибор для мониторинга и диагностики электромеханических преобразователей по их виброакустическому излучению в динамических и статических режимах, основанные на спектральном анализе излучения с использованием современной вычислительной техники и информационных технологий. В отличие от большинства приборов, контролирующих работу электромеханических преобразователей в номинальных режимах, в данном проекте предлагается использовать спектральную информацию также в динамических режимах работы преобразователей. В анализ для контроля и диагностики включаются переходные, кратковременные и долговременные зависимости положений частот и амплитуд спектральных линий виброакустического излучения. Поскольку электромеханические преобразователи в переходных режимах испытывают сильные перегрузки, появляется новая информация о состоянии, дефектах и работоспособности исследуемых объектов.

Разработка теоретических основ методов динамического автоматизированного контроля технического состояния электроприводов является актуальным направлением в связи с устаревающим парком электрических машин на предприятиях РФ.

Задача научного исследования - разработка приборного комплекса, алгоритмов и программного обеспечения для контроля характеристик электроприводов, работающих в повторно-кратковременных режимах.

В основу контроля заложен метод спектрального анализа акустического излучения электромеханической системы электромеханических преобразователей (ЭМП) в динамических режимах. Отклонение нормы разности амплитуд «эталонного» и исследуемого спектров выше заданного «критического» уровня свидетельствует о повышенной вероятности наличия неисправности.

Как правило, контрольные и диагностические устройства применяются, когда электрическая машина работает в номинальном продолжительном режиме. Предлагаемые в работе способ и устройство предназначены для контроля и диагностики электрических машин повторно-кратковременного режима работы с частыми пусками и остановами, с присутствием большой доли динамических режимов в общем времени работы. Предлагаемый способ диагностики может оказаться более эффективным, поскольку в процессе пуска и останова электрическая машина испытывает электромагнитные и механические перегрузки, а ее

© Д. А. Ярославский, Н.К Андреев, Н.А. Малев Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

конструкция оказывается более чувствительной к дефектам, чем это происходит в номинальных стационарных режимах работы.

Устройство для диагностики использует регистрацию виброакустического излучения работающей машины при постоянном контроле температуры, тока и напряжения на обмотках с последующим анализом спектра регистрируемого излучения. В дальнейшем полученный спектр сравнивается со спектром заведомо исправной машины или со своим собственным спектром за другой промежуток времени и делаются выводы о работоспособности и наличии дефектов в испытуемой машине.

Как известно, спектр какого-либо физического явления изучается, если сигнал его является периодической величиной. Для стационарного процесса работы машины это условие автоматически выполняется. Спектр сигнала при его достаточно длительной регистрации адекватно отражает характеристики явления. В случае машин повторно-кратковременного действия для того, чтобы спектр адекватно отражал изучаемое явление, будем считать, что машина периодически запускается и останавливается через равные промежутки времени. Сигнал регистрируется в одних и тех же промежутках времени при каждом повторении пуска и останова. В этом случае регистрируемый сигнал становится периодическим. Тем самым автоматически выполняются строгие условия, накладываемые математикой для спектрального анализа исследуемого сигнала.

В процессе разгона и торможения электрическая машина меняет скорость вращения от нуля до номинальной скорости. Конструкцию электрической машины представляем в виде набора связанных электромагнитных контуров и механических осцилляторов. По мере увеличения (уменьшения) скорости вращения ротора машины во взаимодействии друг с другом возбуждаются отдельные контуры и осцилляторы. Нелинейные взаимодействия контуров и осцилляторов, которые присутствуют в динамических режимах, вызывают появление возбуждений на гармониках и комбинационных частотах. Спектр возбуждающих сигналов лежит в диапазоне от нуля до частоты вращения ротора машины. В результате экспериментально за время одного разгона (торможения) наблюдается «полный» спектр электромагнитных и акустических колебаний электрической машины. В стационарных методах, в которых машина испытывается в номинальном режиме, частоты вынуждающих сил совпадают только с частотами сети и вращения машины, поэтому спектр в стационарных методах ограничен по сравнению со спектром динамического режима.

Аппаратура и методика измерений

Установка для исследования характеристик акустического излучения состоит из датчика регистрации виброакустического излучения (ДРВИ) - микрофона, предусилителя (ПУ), персонального компьютера (РС) с установленной звуковой картой (УСО) и прикладным программным пакетом МЛТЬЛБ.

В эксперименте в качестве объектов исследования использовались два одинаковых электромашинных усилителя марки ЭМУ-3А. В качестве объекта исследования рассматривался асинхронный двигатель, входящий в состав ЭМУ. Питание на обмотку возбуждения генератора не подавалось. Синхронно с пуском ЭМУ включался АЦП для съема осциллограммы виброакустического излучения. С целью привязки зарегистрированного спектра к конкретным физическим процессам, протекающим в данный промежуток времени, динамический режим работы машины (ЭМП) разбивался на отдельные временные интервалы. Изучался спектр излучения в течение каждого интервала. Выделялись характерные частоты спектра.

Амплитуды линий были нормированы.

Продолжительность переходного процесса для данного типа машин определялась визуально. Анализировались спектры сигнала на основе БПФ, полученные в различные промежутки времени во время разгона ЭМП.

Исследовалось влияние щеток генератора ЭМУ, для этого они устанавливались в щеткодержатели генератора.

Неисправности для исследования создавались искусственно. В качестве неисправностей вводили шунт в одну из обмоток трехфазного асинхронного двигателя ЭМУ. Применялись шунты номиналами: 20,40,60 Ом.

/,Гц

Рис. 1. Сравнение спектров работы ЭМУ1

Рис. 2. Сравнение спектров пуска ЭМП1 с шунтом (пунктир) и без (сплошная линия) © Проблемы энергетики, 2007, № 9-10

Из спектров (рис. 1, 2) видно, что сравнить спектральный состав разных экземпляров машин в одних координатах с амплитудами в абсолютных единицах нельзя. Для возможности такого сравнения произвели нормирование относительно основной оборотной частоты. В нашем случае эта частота равна 50 Гц.

Сравнение спектров показывает, что два однотипных электромеханических преобразователя (ЭМП) имеют существенно различный спектральный состав. Так, например, амплитуда второй оборотной гармоники у ЭМП-2 более чем в три раза превышает амплитуду соответствующей гармоники ЭМП-1. Амплитуда третьей оборотной гармоники ЭМП-2 примерно в четыре раза больше. Амплитуда четвертой гармоники в два раза выше у ЭМП-2, пятой - в шесть раз, в относительных единицах. Шестая оборотная гармоника у ЭМП-1 и ЭМП-2 на одном уровне. Однако, у ЭМП-1 более богатый спектр в высокочастотной области, начиная с частоты 600 Гц. ЭМП-1 имеет пики, не кратные оборотной частоте: 825, 1429, 1770 Гц. Еще стоит отметить 18-ю оборотную гармонику одинакового уровня в относительных единицах, присутствующую у обоих машин.

Далее проверялось влияние щеток генератора ЭМП путем их установки. Влияние щеток на различные машины происходит по-разному. У ЭМП-1 после установки щеток пятикратно вырос уровень шестой оборотной гармоники и заметно демпфировались высокочастотные не кратные оборотной частоте линии. ЭМП-2 отреагировал на установку щеток иначе, а именно: упала линия второй оборотной гармоники почти в два раза, выросла линия пятой гармоники на 15%, незначительно снизились третья и четвертая гармоники.

Анализ спектров с введенным шунтом показал, что чувствительными к подобного рода дефектам являются пики на второй и шестой оборотной гармонике.

По указанным в описании экспериментальной установки геометрическим параметрам элементов ЭМП были рассчитаны соответствующие характерные частоты, а также их гармоники и субгармоники.

Так, например, ЭМП-1 содержит в своем спектре частоты

- перекатывания элементов качения по по внешнему кольцу: 825, 1422 Гц;

- перекатывания по внутреннему кольцу: 937, 1380, 1530 Гц;

- завышенные лопастные частоты вентилятора: 900, 1776 Гц;

- наблюдалась высокая относительно ожидаемой амплитуда шестой оборотной гармоники.

В спектре ЭМП-2 серьезно превышены следующие оборотные гармоники: вторая, третья, пятая.

Виден также и вклад элементов качения:

- перекатывание по внешнему кольцу - 700, 800 и 1040 Гц;

- внутреннему кольцу - 746 Гц.

Вместе с тем, в спектре ЭМП-2 присутствует только основная лопастная гармоника.

Попробуем поставить диагноз. По нашему предположению, у ЭМП-1 имеется развитый симметричный дефект подшипника со стороны крыльчатки вентилятора (амплитуды второй и первой гармоник сравнимы). Известно, что особое внимание нужно обратить на высокий уровень гармоник перекатывания элементов качения по внутреннему кольцу, т.к. этот дефект наиболее опасен и может привести к полному разрушению узла качения. После разбора ЭМП-1 и визуальной дефектации подшипников обнаружена раковина на внутреннем кольце подшипника, установленного со стороны крыльчатки.

Из наличия в спектре ЭМП-2 высших оборотных гармоник можно заключить,

что имеет место дисбаланс ротора. Из наличия гармоник элементов качения можно предположить, что зарождается дефект подшипника, пока еще не опасный.

Выводы

В работе на основе анализа колебаний взаимосвязанных систем осцилляторов обосновано применение методов динамического контроля к оценке состояния и работоспособности электромеханических преобразователей. Спектральные характеристики излучения свидетельствуют о техническом состоянии работающего двигателя. Чувствительность спектральных характеристик к изменениям технического состояния зависит от режимов работы двигателя. В переходных режимах работы нагрузки на элементы двигателя выше номинальных значений. При разгоне и торможении двигатель проходит диапазон частот от нулевой до максимальной и возбуждает колебания всех возможных осцилляторов. Поэтому в переходных (динамических) режимах информативность спектральных характеристик в оценке технического состояния выше, чем в статических режимах.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение оценки спектральных характеристик акустического излучения.

Предложена и реализована в виде лабораторного прибора автоматизированная система регистрации и анализа спектральных характеристик акустического излучения, позволяющая произвести оценку технического состояния электромеханических преобразователей.

Summary

Method and device for monitoring and diagnosis of electromechanical converters are offered. Measurements have been made of vibro-acoustic radiation for electromechanical converters in dynamic and static modes. The spectra of the radiation have been analysed using the computer and information technologies. In contradiction to usual devices that control the function of electromechanical converters in nominal modes this project offer to use the spectral information also in the dynamical modes of function. The analysis for control and diagnosis includes the start, short-time and long-time dependencies of frequencies and amplitudes of spectral lines for the vibro-acoustic radiation. As electromechanical converters in transitive modes experience strong overloads, the new information related to the state, defects and working capacity of the objects under the investigation.

Литература

1. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерения / Пер. с франц. - М.: Мир, 1983.

2. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. - М.: Мир, 1982.

3. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений: Специальный справочник. - СПб.: Питер, 2002.

4. Барков А. В., Баркова Н. А., Азовцев А. Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. - СПб.: Изд. Центр СПбГМТУ, 2000. - 160 с.

5. Русов В. А. Спектральная вибродиагностика. - Пермь. - Вып 1. - 1996.

- 176 с.

6. Daniel Lynn, Manager, Training, Computational Systems, Inc. (CSI), Пер. с англ. И.Р. Шейняк. / Под редакцией В.А. Смирнова. Выявление дефектов подшипников качения с помощью анализа вибрации // http://www.vibration.ru/v defekt.shtml.

Поступила 18.05.2007