СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПОДАЧИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ ПОСРЕДСТВОМ СВЯЗИ
ENGINE FAULT DETECTION SYSTEM BASED ON HIGH-FREQUENCY SIGNALS SUPPLY BY MEANS OF COMMUNICATION

Область техники
Изобретение относится к системе для обнаружения неисправности двигателя, в частности, к системе для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Будучи важным силовым оборудованием, двигатель широко используется в нефтегазовой промышленности, авиакосмической промышленности, бытовых приборах, железнодорожных перевозках и других областях. Как только двигатель выходит из строя, это вызывает отключение, привнося значительные экономические затраты, даже угрожая производственной безопасности.
Для того, чтобы предотвратить отказ двигателя при применении на практике, зачастую двигатель должен регулярно обслуживаться, поэтому требуется автономное обнаружение неисправности. Однако автономный способ обнаружения неисправности обладает такими недостатками, как длительный период обнаружения и плохая эффективность в режиме реального времени. Ввиду срочной необходимости безопасности производства, а также развитии науки и технологий, технология, которая может выполнять обнаружение неисправностей двигателя на месте (on-site) и даже выдавать заблаговременное предупреждение, привлекла внимание в промышленности.
Обычные неисправности двигателя включают неисправность обмотки статора, неисправность сердечника статора, неисправность ротора, неисправность эксцентриситета воздушного зазора, размагничивание постоянного магнита, неисправность вкладыша подшипника, неисправность заторможенного ротора и т.д. Неисправность обмотки статора двигателя в целом включает пробой изоляции между слоями и витками, заземление обмотки статора и незамкнутую цепь обмотки статора. Неисправностями сердечника статора являются короткое замыкание и потери в сердечнике. Работа ротора двигателя выдерживает очень сильное давление. Длительное воздействие этого давления легко вызывает неисправности ротора, такие как поломка стержня ротора, появление зазоров сварного шва между кромками у замыкающего кольца, поломка обмотки, дисбаланс и т.д. Большинство этих неисправностей сопровождаются изменениями внутреннего напряжения, тока, потенциала, плотности потока, индуктивности, сопротивления, реактивности и других параметров двигателя. Обнаружение параметров двигателя в режиме реального времени является очень важным для обнаружения и раннего предупреждения неисправностей на месте.
Подача высокочастотного сигнала обнаружения является эффективным способом обнаружения неисправности двигателя на месте, в котором используется инвертор для подачи высокочастотного сигнала обнаружения в обмотку двигателя, и при этом высокочастотный сигнал вырабатывает соответствующий ответ (отклик) в виде высокочастотного тока или напряжения в обмотке двигателя. Если происходит отказ двигателя, эквивалентная модель обмотки двигателя выдаст асимметрию, так что ответ в виде высокочастотного тока или напряжения будет изменен. Таким образом, представляется возможным обнаружение ответа в виде высокочастотного тока или напряжения для определения того, имеет ли место неисправность двигателя. Однако высокочастотный сигнал обнаружения в существующем способе подается инвертором, а точность обнаружения ограничена частотой переключения инвертора и его нелинейными характеристиками, что может привести к недостаточной оценке неисправности двигателя.
Раскрытие сущности изобретения
Задачи настоящего изобретения заключаются в представлении системы для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи, которая может выполнять обнаружение неисправности на месте, не влияя на нормальную работу двигателя.
Техническая схема, используемая в настоящем изобретении, является следующей: система для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи содержит источник питания, инвертор, двигатель, схему связи, схему источника высокочастотного сигнала обнаружения, схему обработки ответного сигнала и контроллер. Входной конец двигателя соединен с источником питания через инвертор, а также входной конец двигателя соединен со схемой источника высокочастотного сигнала обнаружения через схему связи для подачи высокочастотного сигнала обнаружения в обмотку двигателя. Входной конец схемы источника высокочастотного сигнала обнаружения соединен с выходным концом контроллера для управления выходом высокочастотного сигнала обнаружения, а выходной конец схемы обработки ответного сигнала соединен с сигнальным входным концом контроллера для отправки принятого ответного сигнала напряжения или тока обмотки двигателя на контроллер. Контроллер оценивает, имеет ли двигатель неисправность, а также степень неисправности, посредством анализа ответного сигнала после применения возбуждения.
Входной конец схемы обработки ответного сигнала непосредственно соединен с входным концом питания двигателя для получения ответного сигнала напряжения или тока обмотки двигателя. В качестве альтернативы, входной конец схемы обработки ответного сигнала соединен с входным концом питания двигателя через схему связи для получения ответного сигнала напряжения или тока обмотки двигателя.
Выходной конец инвертора соединен с входным концом двигателя через ограничитель волны высокочастотного сигнала.
1
1
Ограничитель волны высокочастотного сигнала состоит из индуктора L и конденсатора C, расположенных параллельно.
1
Схема источника высокочастотного сигнала обнаружения включает микросхему источника сигнала для генерирования высокочастотных сигналов обнаружения и электронно-лучевой коммутатор. Управляющим электродом электронно-лучевого коммутатора является входной конец, который соединен с выходным концом контроллера, исток (источник) электронно-лучевого коммутатора соединен с входным концом микросхемы источника сигнала через диод D, а выходной конец микросхемы источника сигнала соединен с входным концом схемы связи.
1
2
3
1
2
3
4
5
6
1
4
2
5
3
6
Схема обработки ответного сигнала содержит резистор R, резистор R и резистор R. Один конец резисторов R, R и R заземлен, а другие их концы соединены с входным концом двигателя через конденсаторы C, C и C,соответственно. Кроме того, три конца высокочастотного выхода, которые соответствующим образом выходят между резистором R и конденсатором C, между резистором R и конденсатором C, и между резистором R и конденсатором C, соединены с входным концом контроллера, соответственно.
Контроллер оценивает, имеет ли двигатель неисправность, а также степень неисправности, посредством анализа асимметрии, гармонической составляющей, скачкообразного изменения, диапазона колебаний параметров, таких как напряжение, ток, потенциал, плотность потока, индуктивность, сопротивление, реактивность.
Контроллер оценивает, имеет ли двигатель неисправность, а также степень неисправности, посредством анализа результата составляющей обратной последовательности высокочастотного сигнала тока. Когда в обмотке двигателя возникает межвитковое короткое замыкание, эквивалентная модель обмотки двигателя является асимметричной, а ответ в виде высокочастотного тока обмотки статора состоит из составляющей прямой последовательности и составляющей обратной последовательности, что выражается следующим образом:
где  является ответом в виде высокочастотного тока обмотки статора;  и  являются составляющей прямой последовательности и составляющей обратной последовательности ответа в виде высокочастотного тока, соответственно;
При этом составляющая обратной последовательности включает асимметричную информацию эквивалентной модели обмотки. Когда эквивалентная модель обмотки асимметрична, составляющая обратной последовательности не равняется нулю, то есть когда обнаруженная составляющая обратной последовательности высокочастотного тока не равняется нулю, определяется то, что эквивалентная модель асимметрична, а также определяется то, что в обмотке двигателя возникла неисправность в виде межвиткового короткого замыкания. В то же время, амплитуда составляющей обратной последовательности ответа в виде высокочастотного тока прямо пропорциональна степени неисправности.
Система для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи, согласно настоящему изобретению, может быть применена к двигателям с различными уровнями мощности и различными нормативными параметрами вследствие неоснованности на параметрах двигателя, и она осуществляет обнаружение неисправностей двигателя в режиме реального времени, преодолевая недостаток замедленного ответа на неисправности при автономном обнаружении. Между тем, настоящее изобретение не зависит от инвертора и предотвращает воздействие со стороны самого инвертора на точность обнаружения высокочастотного сигнала обнаружения. Полезные эффекты настоящего изобретения заключаются в следующем:
1. За счет подачи высокочастотного сигнала обнаружения в обмотку двигателя и использования схемы обработки ответного сигнала для получения ответа в виде высокочастотного напряжение или тока обмотки двигателя, в настоящем изобретении обеспечена возможность оценки того, имеет ли двигатель неисправность, а также степени неисправности, на основе результата ответа.
2. В настоящем изобретении используется независимый источник сигнала для генерирования высокочастотного сигнала обнаружения, частота которого намного выше частоты возбуждающего напряжения двигателя. За счет мультиплексирования с разделением по частоте обмотки двигателя, высокочастотный сигнал обнаружения и возбуждающее напряжение не создают помех друг для друга, высокочастотный сигнал обнаружения используется для обнаружения неисправностей двигателя на месте, а возбуждающее напряжение с низкой частотой используется для управления двигателем.
3. Настоящее изобретение преодолевает недостатки традиционного автоматического обнаружения неисправности, осуществляет обнаружение неисправностей на месте вместо прерывания нормальной работы двигателя, то есть не требуется остановка работы двигателя, а также расширяет спектр применения способа.
4. Настоящее изобретение не зависит от параметров двигателя, так что оно применимо к двигателям с различными уровнями мощности и различными нормативными параметрами.
Краткое описание чертежей
ФИГ. 1 представляет собой блок-схему варианта реализации 1 системы для обнаружения неисправности двигателя, согласно настоящему изобретению;
ФИГ. 2 представляет собой блок-схему варианта реализации 2 системы для обнаружения неисправности двигателя, согласно настоящему изобретению;
ФИГ. 3 представляет собой схематическое изображение ограничителя волны высокочастотного сигнала в настоящем изобретении;
ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение схемы связи в настоящем изобретении;
ФИГ. 5 представляет собой схематическое изображение варианта реализации 1 схемы источника высокочастотного сигнала обнаружения в настоящем изобретении;
ФИГ. 6 представляет собой схематическое изображение варианта реализации 2 схемы источника высокочастотного сигнала обнаружения в настоящем изобретении;
ФИГ. 7 представляет собой схематическое изображение схемы обработки ответного сигнала в настоящем изобретении;
ФИГ. 8a представляет собой схематическое изображение высокочастотного сигнала тока в случае межвиткового короткого замыкания.
ФИГ. 8b представляет собой схематическое изображение высокочастотного сигнала тока в случае короткого замыкания между двумя витками.
ФИГ. 8c представляет собой схематическое изображение высокочастотного сигнала тока в случае короткого замыкания между четырьмя витками.
Где:
1: Источник питания 2: Инвертор
3: Ограничитель волны высокочастотного сигнала 4: Двигатель
5: Схема связи 6: Контроллер
7: Схема источника высокочастотного сигнала обнаружения
8: Схема обработки ответного сигнала.
Подробное описание вариантов реализации
Настоящее изобретение будет подробно описано ниже со ссылкой на чертежи в совокупности с вариантами реализации.
Настоящее изобретение относится к системе для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи, которая генерирует высокочастотный сигнал обнаружения посредством независимого источника сигнала, и высокочастотный сигнал обнаружения и возбуждающее напряжение, выдаваемые инвертором, одновременно подаются в обмотку двигателя через схему связи. За счет мультиплексирования с разделением по частоте обмотки двигателя, высокочастотный сигнал обнаружения и возбуждающее напряжение не создают помех друг для друга. Высокочастотный сигнал обнаружения используется для обнаружения неисправностей двигателя на месте, а низкочастотное возбуждающее напряжение используется для управления двигателем. Получение ответа в виде высокочастотного тока или напряжения происходит посредством схемы обработки сигнала. При практической реализации, режим генерирования сигнала, форма волны высокочастотного сигнала, способ подачи и режим получения ответа в виде высокочастотного тока или напряжения могут варьироваться в зависимости от требований и условий, и все эти изменения и применения будут входить в рамки объема охраны настоящего изобретения.
Как показано на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, система для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи содержит источник 1 питания, инвертор 2, двигатель 4, схему 5 связи, схему 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения, схему 8 обработки ответного сигнала и контроллер 6. Входной конец двигателя 4 соединен с источником 1 питания через инвертор 2. Входной конец двигателя 4 соединен со схемой 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения через схему 5 связи для подачи высокочастотного сигнала обнаружения в обмотку двигателя. Входной конец схемы 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения соединен с выходным концом контроллера 6 для управления выходом высокочастотного сигнала обнаружения. Выходной конец схемы 8 обработки ответного сигнала соединен с входным концом контроллера 6 для отправки принятого ответного сигнала напряжения или тока на контроллер 6. Входной конец схемы 8 обработки ответного сигнала может быть непосредственно соединен с входным концом питания двигателя 4 для получения ответного сигнала напряжения или тока обмотки двигателя. В качестве альтернативы, входной конец схемы 8 обработки ответного сигнала может быть соединен с входным концом питания двигателя 4 через схему 5 связи для получения ответного сигнала напряжения или тока обмотки двигателя. Контроллер 6 оценивает, имеет ли двигатель неисправность, а также степень неисправности, посредством анализа ответного сигнала после применения возбуждения. В варианте реализации контроллер 6 представляет собой контроллер на основе TMS320F28335.
Ограничитель 3 волны высокочастотного сигнала может предотвратить попадание высокочастотного сигнала на сторону инвертора, а также может исключить воздействие электросети или инвертора 2 на высокочастотный сигнал обнаружения.
1
1
В варианте реализации настоящего изобретения выходной конец инвертора 2 соединен с входным концом двигателя 4 через ограничитель 3 волны высокочастотного сигнала, как показано на ФИГ. 3, и ограничитель 3 волны высокочастотного сигнала состоит из индуктора L и конденсатора C, расположенных параллельно. Ограничитель 3 волны высокочастотного сигнала имеет низкий импеданс к низкочастотному сигналу и высокий импеданс к высокочастотному сигналу. За счет предварительного задания параметров, ограничитель волны высокочастотного сигнала может предотвратить высокочастотные сигналы, используемые для обнаружения, посредством возбуждения низкочастотного напряжения двигателя, при этом не влияя на работу двигателя, а также предотвращая воздействие инвертора, выключателя питания и колебаний напряжения сети на обнаружение высокочастотного сигнала. Надлежащим образом настроенный ограничитель волны высокочастотного сигнала также может фильтровать сигнал ШИМ-модуляции лишь за счет возбуждающего напряжения рабочей частоты двигателя, так что внутренние потери двигателя снижаются, а ходовые характеристики улучшаются. Существующие активные или пассивные синусоидальные фильтры, используемые в некоторых двигателях для подавления эффектов сигналов ШИМ-модуляции, отправляемых инверторами, на двигатели, также могут функционировать в качестве ограничителей волны.
Система подачи высокочастотного сигнала обнаружения состоит из источника сигнала и схемы связи. Контроллер 6 управляет независимой схемой 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения для отправки высокочастотного сигнала обнаружения, который затем подается в обмотку двигателя через схему 5 связи для обнаружения неисправности двигателя на месте. В изобретении исключена необходимость в подаче сигнала обнаружения через инвертор, так что избегается ограничение частоты переключения инвертора и его нелинейные характеристики.
Как показано на ФИГ. 4, схема 5 связи состоит из трех блоков связи одинаковой структуры, и каждый блок связи содержит трансформатор L. Первичная обмотка трансформатора L соединена с выходным концом схемы 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения, а один конец вторичной обмотки трансформатора L соединен с входным концом двигателя 4, а другой конец вторичной обмотки соединен с входным концом двигателя 4 через конденсатор C. Схема связи используется для подачи высокочастотного сигнала обнаружения в обмотку двигателя для того, чтобы заменить традиционный способ подачи сигнала обнаружения инвертором. Высокочастотный сигнал обнаружения, сгенерированный источником сигнала, подается в обмотку двигателя через трансформатор, а конденсатор C предотвращает попадание низкочастотного возбуждающего напряжения, выданного инвертором, в схему источника сигнала. В дополнение к указанным выше схемам, также могут быть использованы другие схемы связи, такие как схема емкостной связи и схема индукционной связи.
1
1
1
1
Как показано на ФИГ. 5 и ФИГ. 6, схема 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения в настоящем изобретении содержит: микросхему U источника сигнала и электронно-лучевой коммутатор Q, управляющим электродом электронно-лучевого коммутатора Q является входной конец, который соединен с выходным концом контроллера 6, исток электронно-лучевого коммутатора Q соединен с входным концом микросхемы U источника сигнала через диод D, а конец для вывода высокочастотного сигнала обнаружения микросхемы U источника сигнала соединен с входным концом схемы 5 связи. Частота высокочастотного сигнала обнаружения, выходящего из схемы 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения, как правило, выше рабочей частоты двигателя, выходящей из инвертора 2, так что сигнал обнаружения и сигнал возбуждения могут отличаться друг от друга по частоте. За счет мультиплексирования с разделением по частоте обмотки двигателя, высокочастотный сигнал обнаружения используется для обнаружения неисправностей двигателя на месте, а возбуждающее напряжение с низкой частотой используется для управления двигателем.
1
3
1
1
1
1
4
P
2
P
4
P
2
Как показано на ФИГ. 5, схема 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения содержит: микросхему U источника сигнала и электронно-лучевой коммутатор Q. Разъем 4 и разъем 8 входного конца микросхемы U источника сигнала соединены с источником питания VCC, разъем 1 заземляющего конца непосредственно заземлен, разъем 5 заземлен через конденсатор C. Управляющим электродом электронно-лучевого коммутатора Q является входной конец, который соединен с выходным концом контроллера 6, а сток (выпуск) электронно-лучевого коммутатора Q соединен с источником питания VCC. Исток электронно-лучевого коммутатора Q соединен с разъемом 7 через диод D, между тем, исток заземлен через резистор R, регулируемый резистор R и конденсатор Cпоследовательным образом. Регулируемый конец регулируемого резистора R соединен с разъемом 2 и разъемом 6, а разъем 3 выходного конца микросхемы U источника сигнала соединен со схемой 5 связи. В варианте реализации настоящего изобретения в микросхеме U источника сигнала используется микросхема IC555. Если для генерирования высокочастотных сигналов используются другие микросхемы, определения разъемов могут быть другими. Схема 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения может генерировать синусоидальный сигнал с частотой f=1/[1,278(R+R)C], и частота может меняться посредством регулирования параметров резистора и конденсатора.
2
2
2
2
5
6
2
7
7
2
2
2
2
5
7
Как показано на ФИГ. 6, другая конструкция схемы 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения содержит: микросхему U источника сигнала и электронно-лучевой коммутатор Q. Разъем 6 входного конца микросхемы U источника сигнала соединен с источником питания VCC, а разъем 5 и разъем 4 входного конца микросхемы U источника сигнала, соответственно, соединены с источником питания VCC через резистор R и резистор R. Разъем 11 входного конца микросхемы U источника сигнала соединен с источником питания -VCC, а разъем 10 и разъем 12 соединены с источником питания -VCC через конденсатор C и резистор R, соответственно. Управляющий электрод электронно-лучевого коммутатора Q, будучи входным концом электронно-лучевого коммутатора Q, соединен с выходным концом контроллера 6, а сток и исток электронно-лучевого коммутатора Q соединены с разъемом 7 и разъемом 8 микросхемы U источника сигнала соответственно. Схема 7 источника высокочастотного сигнала обнаружения может генерировать синусоидальный сигнал с частотой f=0,33/RC, и частота может меняться посредством регулирования параметров резистора и конденсатора.
1
2
3
1
2
3
a
b
c
4
5
6
a_hf
b_hf
c_hf
1
4
2
5
3
6
i
i
i
i
i
i
Схема 8 обработки ответного сигнала используется для извлечения высокочастотного сигнала напряжения или тока из сигнала напряжения или тока обмотки двигателя, в целом содержащей фильтр верхних частот для фильтрации помех низкочастотного сигнала. Как показано на ФИГ. 7, схема 8 обработки ответного сигнала содержит резистор R, резистор R и резистор R. Один конец резисторов R, R и R заземлен, а другие их концы соединены с входными концами , ,  двигателя 4 через конденсаторы C, C и Cсоответственно. Кроме того, три конца ,  и  высокочастотного выхода, которые соответствующим образом выходят между резистором R и конденсатором C, между резистором R и конденсатором C, и между резистором R и конденсатором C, соединены с входным концом контроллера.
Для общих неисправностей двигателя, таких как неисправность статора, неисправность ротора, размагничивание постоянного магнита, неисправность эксцентриситета воздушного зазора, неисправность вкладыша подшипника, неисправность заторможенного ротора и т. д., контроллер 6 может оценивать, имеет ли двигатель неисправность, а также степень неисправности, посредством анализа асимметрии, гармонической составляющей, скачкообразного изменения, диапазона колебаний параметров, таких как напряжение, ток, потенциал, плотность потока, индуктивность, сопротивление, реактивность.
Рассматривая общую неисправность в виде межвиткового короткого замыкания обмотки статора в качестве примера, в системе для обнаружения неисправности двигателя на основе подачи высокочастотного сигнала посредством связи, согласно настоящему изобретению, контроллер 6 оценивает, имеет ли двигатель неисправность, а также степень неисправности, посредством анализа результата составляющей обратной последовательности высокочастотного сигнала тока. Когда в обмотке двигателя имеет место межвитковое короткое замыкание, эквивалентная модель обмотки двигателя является асимметричной, а ответ в виде высокочастотного тока обмотки статора состоит из составляющей прямой последовательности и составляющей обратной последовательности, что выражается следующим образом:
где  является ответом в виде высокочастотного тока обмотки статора;  и  являются составляющей прямой последовательности и составляющей обратной последовательности ответа в виде высокочастотного тока соответственно;
Причем составляющая обратной последовательности включает асимметричную информацию эквивалентной модели обмотки. Когда эквивалентная модель обмотки асимметрична, составляющая обратной последовательности не равняется нулю, то есть когда обнаруженная составляющая обратной последовательности высокочастотного тока не равняется нулю, определяется то, что эквивалентная модель асимметрична, а также определяется то, что в обмотке двигателя имеет место неисправность в виде межвиткового короткого замыкания. В то же время, амплитуда составляющей обратной последовательности ответа в виде высокочастотного тока прямо пропорциональна степени неисправности.
При нормальной работе двигателя и отсутствии неисправности в виде короткого замыкания, обнаруженная составляющая обратной последовательности высокочастотного сигнала тока равняется нулю, как показано на ФИГ. 8a. В случае возникновения неисправности в виде межвиткового короткого замыкания, составляющая обратной последовательности высокочастотного сигнала тока не равняется нулю, как показано на ФИГ. 8b и ФИГ. 8c. При сравнении с ФИГ. 8b и ФИГ. 8c можно увидеть, что при наличии большого количества межвитковых коротких замыканий, неисправность в виде короткого замыкания является более серьезной, а амплитуда составляющей обратной последовательности высокочастотного ответного тока также является относительно высокой. Подобным образом, за счет обнаружения ответа в виде высокочастотного напряжения, обнаружение неисправности двигателя в настоящем изобретении может получать асимметричную информацию эквивалентной модели, а также получать информацию о межвитковой неисправности.