СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ МЕХАНИЗМОВ И СИСТЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF ELECTRICALLY DRIVEN MECHANISMS AND SYSTEMS

Изобретение относится к области диагностики механизмов и систем с электрическим приводом, в частности во взрывозащищенном исполнении, на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых электродвигателем.
Состояние промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах во многом зависит от технического состояния механизмов и систем с электрическим приводом. Ввиду высокой опасности используемых в технологических циклах предприятий химических веществ отказ механизмов и систем с электрическим приводом может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождаемых значительным экономическим и экологическим ущербом.
Известен способ определения технического состояния роторных механизмов, при котором электрический сигнал, пропорциональный вибрации, преобразуют в спектр (патент RU 2278365 «Способ диагностики роторных механизмов», опубл. 20.06.2006).
Недостатками этого способа является невысокая достоверность результата, сложность необходимых измерений, ограниченность видов диагностируемых неисправностей, ограниченность применения в помещениях с взрывоопасной средой.
Известны способы диагностики механизмов с электрическим приводом, в которых состояние механизма оценивают с помощью спектра потребляемого электродвигателем тока.
В патенте RU 2269759 «Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем», опубл. 10.02.2006, измеряют спектр частот амплитудной модуляции электрического тока, потребляемого исполнительным электрическим двигателем. При этом на каждой частоте амплитудной модуляции измеряют глубину амплитудной модуляции тока. По измеренной частоте амплитудной модуляции определяют дефектный агрегат механизма или системы, вызывающий появление переменной нагрузки на электродвигатель, а по измеренной глубине амплитудной модуляции определяют величину этого дефекта.
Недостатками этого способа являются невысокая достоверность результата, обусловленная тем, что не учитывает помехи, поступающие из сети, и не осуществляет анализ питающего напряжения электродвигателя.
В патенте RU 2300116 «Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств», опубл. 27.05.2007 (прототип), производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой, выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети, если амплитуды на характерных частотах ниже амплитуды основного пика на частоте питающей сети на заданную величину, делают вывод о хорошем техническом состоянии электродвигателя, а в случае, если указанная разница между амплитудами меньше заданной величины, делают вывод о развитии повреждения.
1
1
Недостатками этого способа являются сложность оценки результатов, поскольку любая амплитудно-модулируемая частота f учитывается в спектре дважды, т.е. в виде |f-f] и в виде |f+f|. Такой двойной учет модулируемой частоты обуславливает недостаточную точность диагностирования и отсутствие возможности увеличения числа анализируемых гармоник частоты f.
Технической задачей данного изобретения является создание более достоверного, удобного, надежного и безопасного способа диагностики механизмов и систем с электрическим приводом.
ui(k)
(k)
(k)
Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики механизмов и систем с электрическим приводом, включающем запись значений фазных токов и напряжений электродвигателя в течение заданного интервала времени и с заданной периодичностью, разложение их на гармонические составляющие с помощью быстрого преобразования Фурье и измерение амплитуды и фазы гармонических составляющих, фильтрацию гармонических составляющих, преобразование полученного сигнала из аналоговой в цифровую форму, идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта по совокупности параметров гармонических составляющих фазных токов и напряжений, генерируемых электродвигателем, и динамики их изменения, согласно изобретению используют искусственную нейронную сеть, которая идентифицирует техническое состояние объекта с применением коэффициентов искажения кривой тока и кривой напряжения для каждого интервала времени с выдачей результата - кода возможного дефекта, анализирует и прогнозирует техническое состояние объекта с применением интегрального параметра поврежденности за весь исследуемый период времени и выдает результат возможного значения параметра поврежденности будущего измерения через тот же интервал времени. При этом для обучения искусственной нейронной сети применяют теорию планирования эксперимента, а для более точной оценки технического состояния механизмов и систем с электрическим приводом используют синусоидальные составляющие напряжений и токов, не являющиеся кратной основной частоте - интергармоники, которые позволяют проследить явные изменения целочисленных гармоник. Для отделения гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, от гармонических составляющих, генерируемых двигателем электропривода, измеряют углы сдвига по фазе φ между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов I и напряжений U если угол сдвига меньше (+90°) или больше (-90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается. Кроме того, интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма и системы с электрическим приводом определяют индивидуально, в зависимости от параметров потока отказов каждого типа элементов оборудования, времени и условий эксплуатации по формуле:
k
0
k
T=TQ,
0
где Т - средняя наработка на отказ элементов оборудования;
k
Q - вероятность отказов за период контроля работоспособности.
Кроме того, интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма и системы с электрическим приводом определяют по теореме Котельникова, вследствие чего интервал между двумя отсчетными точками определяют по формуле:
При этом интервал времени, в течение которого производят запись значений, составляет от 0,02 секунды до 1,00 секунд.
Для разложения фазных токов и напряжений электродвигателя на гармонические составляющие используют метод дискретного преобразования Фурье. Для обеспечения требуемой чувствительности используют аналого-цифровой преобразователь с разрядностью не ниже 16.
Для достижения данного результата в течение заданного интервала времени производят запись значений фазных токов и напряжений электродвигателя, затем производят их разложение на гармонические составляющие и измерение амплитуды и фазы гармонических составляющих, производят фильтрацию гармонических составляющих, поступающих из сети. По совокупности параметров гармонических составляющих производят идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта.
Спектральный способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом позволяет определить следующие виды повреждений: ухудшение состояния изоляции обмоток, изменение сопротивления проводов обмоток, дисбаланс ротора электродвигателя и вала машинного агрегата, неисправность подшипников, межвитковые короткие замыкания обмотки статора, межфазные короткие замыкания обмотки статора, однофазные замыкание фазы на корпус, обрыв фазы на выводах обмотки статора, обрыв стержней обмотки ротора, несоосность валов электродвигателя и машинного агрегата, эксцентриситет ротора, ослабление элементов крепления на фундаменте, дефект исполнительного органа машинного агрегата (рабочего колеса).
На фиг.1 представлена структурная схема измерительного комплекса.
На фиг.2 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя центробежного насоса в исправном состоянии.
На фиг.3 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя при витковом замыкании в фазе С обмотки статора.
На фиг.4 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя при межфазном замыкании фаз А и В в обмотке статора.
На фиг.5 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя центробежного насоса при повреждении рабочего колеса.
На фиг.6 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя центробежного насоса при дисбалансе вала насоса.
На фиг.7 представлена динамика изменения спектров гармонических составляющих токов двигателя центробежного насоса, полученных при разложении на целочисленные гармоники.
На фиг.8 представлена динамика изменения спектров гармонических составляющих токов двигателя центробежного насоса, полученных с учетом интергармоник.
Измерительный комплекс (фиг.1) содержит: блок управления электродвигателем 1, машинный агрегат с электрическим приводом 2, датчики тока и напряжения 3, аналого-цифровой преобразователь 4, персональный компьютер со специализированным программным обеспечением 5. В качестве 3 и 4 может применяться измеритель показателей качества электрической энергии (Ресурс-UF2(M), AR5).
Данный способ позволяет производить диагностику на работающем оборудовании, а также вести удаленный контроль, что особенно важно при диагностике механизмов и систем с электрическим приводом во взрывозащищенном исполнении. Обнаружение дефектов на работающем оборудовании на ранней стадии их развития не только предупреждает внезапную остановку производства в результате аварии, но и значительно снижает расходы на ремонт оборудования и увеличивает срок его службы.
Физический принцип спектрального способа диагностики механизмов и систем с электрическим приводом на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых электродвигателем, основан на том, что в симметричной трехфазной обмотке статора электрической машины образуется гармоника порядка
где k=0, 1, 2, 3, ….
Магнитодвижущая сила (МДС) каждой отдельной фазы обмотки статора представляет собой сумму неподвижных в пространстве и пульсирующих во времени всех гармонических составляющих, результирующая МДС машины для каждой гармонической составляющей в отдельности является суммой соответствующих гармонических составляющих всех трех фаз.
1
1
1
1
При возникновении электрических неисправностей (ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов обмоток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания) нарушаются электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и ротора и, как следствие этого, определенным образом нарушается симметрия МДС третьей гармоники в фазных обмотках. В этих случаях МДС третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему и их сумма не равняется нулю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая МДС с частотой 3f (f - частота сети), индуктирующая в обмотке статора ЭДС с частотой 3f, а в обмотке ротора - с частотой 3fs
v=3 (ст)
где E - ЭДС третьей гармоники обмотки статора, В;
v=3 (рот)
E - ЭДС третьей гармоники обмотки ротора, В;
1
w - число витков обмотки статора;
2
w - число витков обмотки ротора;
об v=3
К - обмоточный коэффициент;
s - скольжение;
1
f - частота сети, Гц;
v=3
Ф - магнитный поток третьей гармоники, Вб.
Возникновение межвитковых и межфазных замыканий в фазных обмотках приводит к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники и, как следствие, к увеличению ЭДС (фиг.3, 4).
1
2
1
2
Несимметричная система токов обмотки ротора с частотой fs (при дисбалансе, при повреждениях подшипников и т.д.) может быть разложена на составляющие прямой и обратной последовательностей. При этом ток прямой последовательности создает поле, которое вращается в сторону вращения ротора синхронно с полем статора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, обратную вращению ротора, с частотой вращения n=-ns относительно ротора. Частота вращения обратного поля относительно статора складывается из частот вращения ротора относительно статора n и данного поля относительно ротора n,
1
Обратное поле ротора индуктирует в обмотке статора ЭДС с частотой (1-2s)f, вызывающие в ней токи такой же частоты.
Такое представление может быть распространено и на высшие гармоники в фазных величинах. Так как магнитный поток v-го порядка гармоник статора вращается с частотой
то частота тока, индуктированного в роторе этим потоком,
При этом поток v-й гармоники МДС ротора вращается относительно ротора с частотой
Частота вращения потока гармоники ротора в пространстве
По отношению к обратновращающемуся полю, машина может рассматриваться как обращенный асинхронный двигатель, питаемый со стороны ротора. Таким образом, в статорной обмотке протекают токи, вызванные напряжением сети, и токи, вызванные напряжением, индуктированным обратным полем ротора. Так как частоты этих токов отличаются друг от друга незначительно, в результате сложения их магнитных полей возникает пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих. При повреждениях на роторе (дисбаланс, повреждения подшипников) пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих увеличивается (фиг.5, 6).
Таким образом, техническое состояние механизмов и систем с электрическим приводом определяют по значениям третьей, пятой, седьмой и девятой гармонических составляющих токов и напряжений, т.е. гармоник, наиболее подверженных влиянию повреждений.
Рассмотрим отличие данного способа от способов, описанных выше.
Для идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта по совокупности параметров генерируемых двигателем электропривода гармонических составляющих токов и напряжений используют искусственную нейронную сеть. Для обучения искусственной нейронной сети применяют теорию планирования эксперимента, позволяющую значительно уменьшить число опытов. Планирование эксперимента для получения линейной модели основано на варьировании факторов (видов повреждений) на двух уровнях. В этом случае, используя полный факторный эксперимент, число опытов, необходимых для реализации всех возможных сочетаний уровней факторов, определяют по формуле:
где k - число факторов;
2 - число уровней.
Из формулы видно, что при увеличении числа факторов количество опытов возрастает значительно. Снижение числа опытов достигается за счет использования дробной реплики р дробного факторного эксперимента:
д
При количестве опытов N определяют коэффициенты уравнения регрессии, а затем применяют полный факторный эксперимент и рассчитывают значения выходных функций при всех возможных сочетаниях уровней факторов.
I(k)
U(k)
Для идентификации технического состояния диагностируемого объекта используют коэффициенты искажения кривой тока K и кривой напряжения K, их значения анализирует нейронная сеть, которая выдает результат - код возможного дефекта D и сравнивает его с данными диагностического словаря:
n
где w - весовые коэффициенты нейронной сети.
U(k)
Аналогичное выражение получается для коэффициентов искажения кривых напряжения K.
(t)
Для прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации диагностируемого объекта используют интегральный параметр поврежденности P, характеризующий степень искажения синусоидальности кривой тока совокупностью высших гармоник:
(1)
где I - амплитудное значение тока первой гармоники;
(k)
I - амплитудное значение тока k-ой гармоники.
(t)
(t)
Параметр поврежденности P определяют для каждого интервала времени, совокупность значений параметров за весь исследуемый период времени анализируют нейронной сетью. Сеть выдает результат возможного значения параметра поврежденности P будущего измерения через тот же интервал времени:
(t)
(t)
Таким образом, определяют не дату выхода из строя машинного агрегата, а значение параметра поврежденности P в следующий период времени. При каждом следующем измерении «новый» спектр токов добавляют к предыдущему, создавая базу данных динамики изменения спектра гармоник токов за весь рассмотренный период. На основе анализа динамики изменения параметр поврежденности P нейронной сетью осуществляют прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации объекта диагностирования.
Для более точной оценки технического состояния механизмов и систем с электрическим приводом используют синусоидальные составляющие напряжений и токов, не являющиеся кратной основной частоте - интергармоники, которые позволяют проследить явные изменения целочисленных гармоник. Необходимо отметить, что если в сигнале присутствует гармоника с частотой, не рассматриваемой на усредненном интервале, то данная гармоника вызывает периодические увеличения и понижения амплитуд остальных гармоник. Причина этого состоит в перераспределении энергии промежуточных гармоник между целочисленными гармониками (фиг.7, 8). На целочисленных спектрах частотная закономерность проявляется слабо. При исследовании с учетом интергармоник четко прослеживаются изменения по 3, 5, 7, 9 гармоникам.
ui(k)
(k)
(k)
Для отделения гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, от гармонических составляющих, генерируемых двигателем электропривода, измеряют углы сдвига по фазе φ между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов I и напряжений U, Если угол сдвига меньше (+90°) или больше (-90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается (см. РД 153-34.0-15.502 - 2002 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии»).
В предлагаемом способе предусмотрены два метода определения интервал времени записи значений фазных токов и напряжений.
При первом методе интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма или системы с электрическим приводом определяют индивидуально, в зависимости от параметров потока отказов каждого типа элементов оборудования, времени и условий эксплуатации, по формуле:
0
где Т - средняя наработка на отказ элементов оборудования;
k
Q - вероятность отказов за период контроля работоспособности.
max
При втором методе интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма и системы с электрическим приводом определяется по теореме Котельникова. Если параметр повреждаемости механизма представлен в виде аналогового сигнала P(t), который имеет ограниченный спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой более удвоенной максимальной частоты спектра F
Интервал между двумя отсчетными точками определяют по формуле
Сигнал P(t), ограниченный по спектру максимальной частотой, можно представить рядом
где P(nΔt) - выборки функции P(t) в моменты времени t;
max
ω - угловая максимальная частота.
w
При определении параметров гармоник токов и напряжений используют прямоугольное измерительное окно - интервал времени T, в течение которого производят запись значений. Некорректное определение частоты процессов может заметно повлиять на точность определения действующих значений сигналов и параметров, характеризующих несинусоидальность и несимметрию процессов. Результирующие погрешности при определении действующих значений и спектров переменных зависят не только от точности определения текущей частоты первой гармоники сигналов, но и от частоты дискретизации переменных, от ширины окна обработки сигналов, от начальной фазы переменной в окне обработки. ГОСТ 13109-97
w
w
w
для нестабильных режимов рекомендует применять окна T=(0,08-0,32) с. Однако этот ГОСТ и следующие ему методики измерений ориентированы только на целочисленные гармоники. Согласно РД 153-34.0-15.502-2002 анализ действующих значений гармоник тока проводится на интервале времени 20 секунд. Гармоники рассчитаны с применением двух прямоугольных скользящих окон 0,02 с и 0,2 с, смещающихся через период промышленной частоты. При малом окне 0,02 с значения целочисленных гармоник (кроме основной) в два и более раза превышают их расчетные значения, определенные при окне 0,2 с. Причина этого состоит в том, что в амплитуде целочисленных гармоник при T=0,02 с отражена энергия, приходящаяся на ненаблюдаемые в данном случае промежуточные гармоники. В предлагаемом способе диагностики для корректного анализа действующих значений переменных применяют измерительное окно, отвечающее периоду искомых частот для исследуемых моментов времени T от 0,02 с до 1 с на период частоты от 1 Гц до 500 Гц.
w
F
Для разложения фазных токов и напряжений электродвигателя на гармонические составляющие используют методы быстрого и дискретного преобразования Фурье. Обратной величиной для T является основная частота преобразования Фурье - f. Дискретное преобразование Фурье применяют к реальному сигналу в рамках определенного временного окна: сигнал, возникающий вне данного временного окна, не обрабатывается, однако считается, что его форма идентична форме сигнала, существующего в пределах временного окна. Таким способом реальный сигнал заменяют виртуальным сигналом, который является периодическим, с периодом, равным ширине временного окна. В результате обработки исследуемый несинусоидальный сигнал представляют величинами, с помощью которых осуществляется дальнейший анализ информации.
Для обеспечения требуемой чувствительности к изменениям параметров гармонических составляющих используют аналого-цифровой преобразователь с разрядностью не ниже 16. Высокая разрядность аналого-цифрового преобразователя позволяет исследовать изменения параметров гармонических составляющих при малых значениях токов, например, при токах холостого хода и при токах двигателей машинных агрегатов, близких к режиму холостого хода, выявить зарождающиеся дефекты.