Система управления и диагностики электродвигателя

Заявляемая полезная модель относится к автономным системам управления электроприводом, а именно к комбинированным системам датчикового и бездатчикового управления электродвигателем с возможностью диагностирования его работы и автономного принятия решений об изменении режимов его работы.
Для повышения надежности в изделиях авиационного и космического применения исполнительный электропривод необходимо непрерывно диагностировать во время работы, обеспечивая определение остаточного ресурса работы, а также функционального и параметрического отказов. Остаточный ресурс работы возможно определить по данным системы диагностики, встроенной в систему управления приводом. При этом целесообразно корректировать режим работы двигателя для увеличения ресурса, что особенно актуально для современных авиационных и космических систем с большими сроками активного существования. В большинстве случаев исполнительный электропривод строят по принципу резервирования, дополняя устройство резервным каналом. При выявлении функционального или серьезного параметрического отказа основного канала привода осуществляется переключение на резервный канал.
Кроме того, применяемый обычно в составе электропривода датчик углового положения вала является узлом пониженной надежности и при выходе его из строя необходимо также иметь резервный канал измерения углового положения.
Известен способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом (патент РФ RU 2431152 С2), включающий запись значений фазных токов и напряжений электродвигателя в течение заданного интервала времени и с заданной периодичностью, и осуществляющий идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта по совокупности параметров с помощью искусственной нейронной сети с выдачей результата - кода возможного дефекта.
Основным недостатком указанного способа диагностики и устройства, его реализующего, является невозможность диагностики механической составляющей электропривода, поскольку набор анализируемых первичных данных ограничен фазными токами и напряжениями, а к определяемым дефектам работы относятся только ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов обмоток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания.
По части управления многофазными синхронными и асинхронными электродвигателями в вентильном режиме без помощи датчика углового положения ротора известны устройства, содержащие датчик углового положения, измерительные датчики тока и напряжения фаз электродвигателя, блок управления и блок усиления, и наиболее близким является устройство управления синхронной машиной с постоянными магнитами (патент РФ RU 2561879 С2), которое обеспечивает управление электродвигателем с помощью датчика углового положения (ДУП) и переходит к бездатчиковому управлению в случае обнаружения неисправности ДУП.
Основным недостатком устройства является низкая надежность системы управления вследствие невозможности автономно диагностировать состояние электродвигателя. В указанном устройстве осуществляется лишь переключение между датчиковым и бездатчиковым способами управления в пределах одного (основного или резервного) канала, без параметрического анализа общего состояния канала по другим измеряемым величинам.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство дистанционной диагностики асинхронных электродвигателей (патент РФ RU 147268 U1), которое обеспечивает одновременное выявление электрических и механических повреждений асинхронного двигателя за счет анализа гармонического состава токов и напряжений, а также температуры изоляции и обмоток статора. Устройство содержит блок датчиков тока, блок датчиков напряжения, блок датчиков температуры изоляции обмотки статора и блок датчиков температуры подшипников, при этом выходы датчиков тока и напряжения подключены через блоки аналоговых цифровых преобразователей к блоку прямого преобразования Фурье, к выходу блока прямого преобразования Фурье подключен блок нейронной сети, а выходы датчиков температуры изоляции обмотки статора электродвигателя и датчиков температуры подшипников подключены через блоки аналоговых цифровых преобразователей к блоку нейронной сети, выход блока нейронной сети подключен к блоку связи, взаимодействующим с блоком отображения информации и блоком хранения информации.
Основным недостатком указанного устройства является низкая надежность системы управления приводом, так как система диагностики работает независимо от системы управления, и невозможно обеспечить автономное принятие решений об изменении режимов работы электродвигателя, поскольку оценка текущего технического состояния осуществляется оператором и им же в дальнейшем принимаются решения.
Задача предлагаемой полезной модели - повышение надежности системы управления и диагностики электродвигателя за счет использования датчикового и бездатчикового управления электродвигателем, а также диагностирования работы электродвигателя и своевременного автоматического принятия решений об изменении режимов его работы.
Указанная задача решается тем, что система управления и диагностики электродвигателя содержит блок датчиков токов и напряжений обмоток электродвигателя, блок датчиков температуры электродвигателя, блок датчиков вибрации и температур корпуса и подшипников электродвигателя, при этом выходы датчиков подключены через блок обработки сигналов датчиков первичных величин, содержащий блоки аналого-цифровых преобразователей и блоки прямого преобразования Фурье, к блоку автономной оценки технического состояния, содержащего нейронную сеть, и дополнительно содержит: датчик углового положения вала электродвигателя, блок оценки углового положения вала электродвигателя, блок формирования сигналов управления, блок усиления; датчик углового положения вала и блок датчиков токов и напряжений обмоток электродвигателя подключены к блоку оценки углового положения вала электродвигателя; блок оценки углового положения вала электродвигателя подключен к блоку формирования сигналов управления; блок автономной оценки технического состояния подключен к блоку формирования сигналов управления; блок формирования сигналов управления подключен к электродвигателю через блок усиления.
Таким образом, получен технический результат, а именно повышена надежность системы управления и диагностики электродвигателя за счет использования датчикового и бездатчикового управления электродвигателем, а также диагностирования работы электродвигателя и своевременного автоматического принятия решений об изменении режимов его работы.
На фиг. 1 представлена структурная схема системы управления и диагностики электродвигателя.
Система управления и диагностики электродвигателя содержит блок датчиков токов и напряжений обмоток электродвигателя 2, блок датчиков вибрации и температур корпуса и подшипников электродвигателя 3, выходы датчиков подключены через блок обработки сигналов датчиков первичных величин 7, содержащий блоки аналого-цифровых преобразователей и блоки прямого преобразования Фурье, к блоку автономной оценки технического состояния 8, содержащего нейронную сеть.
Также система содержит датчик углового положения вала электродвигателя 1, блок оценки углового положения вала электродвигателя 6, блок формирования сигналов управления 5, блок усиления 9; датчик углового положения вала 1 и блок датчиков токов и напряжений обмоток электродвигателя 2 подключены к блоку оценки углового положения вала электродвигателя 6; блок оценки углового положения вала электродвигателя 6 подключен к блоку формирования сигналов управления 5; блок автономной оценки технического состояния 8 подключен к блоку формирования сигналов управления 5; блок формирования сигналов управления 5 подключен к электродвигателю через блок усиления 9.
Блок автономной оценки технического состояния 8 содержит специально обученную нейронную сеть, выполняющую оценку технического состояния системы и аналогичную нейронной сети прототипа. Нейронная сеть обучается по сигналам блока обработки сигналов датчиков первичных величин 7, при заведомо известных электромеханических неисправностях конкретного образца электродвигателя 4 той же серии и типоразмера, что предполагается к применению в электроприводе (межвитковые короткие замыкания фаз, обрыв фаз, изменение сопротивлений обмоток, наличие перегрузок по моменту, биения ротора, биения в подшипниках, перегрев подшипникового узла).
Система управления и диагностики электродвигателя работает следующим образом.
В штатном режиме работы по сигналам датчика углового положения вала 1 блок управления 5 формирует сигналы управления блоком усиления 9, который формирует управляющие сигналы и подает их на обмотки электродвигателя 4.
Блок оценки углового положения вала электродвигателя 6 контролирует сигналы датчика углового положения вала 1 и при их отсутствии или несоответствии форм сигналов нормальным переходит в режим бездатчикового определения скорости и положения, при котором обрабатываются сигналы датчиков токов и напряжений обмоток электродвигателя 2 и по ним оценивается текущее угловое положение вала электродвигателя; блок управления 5 при этом переходит в бездатчиковый режим работы, формируя сигналы управления блоком усиления 9, который формирует управляющие сигналы и подает их на обмотки электродвигателя 4.
Во время работы системы управления и диагностики электродвигателя как в датчиковом, так и в бездатчиковом режимах блоком автономной оценки технического состояния 8 независимо происходит непрерывная диагностика технического состояния электродвигателя 4. Сигналы датчиков токов и напряжений обмоток электродвигателя 2 и датчиков вибрации и температур корпуса и подшипников электродвигателя 3 поступают в блок обработки сигналов датчиков первичных величин 7, характеризующих техническое состояние электродвигателя 3. Блок обработки сигналов датчиков первичных величин 7 производит дискретное преобразование Фурье для сигналов токов, напряжений и вибраций, а также осуществляет фильтрацию сигналов датчиков. Далее обработанные сигналы поступают в блок автономной оценки технического состояния 8, представляющий собой специально обученную нейронную сеть, на выходе которой формируется код, определяющий одну из электромеханических неисправностей двигателя (или их совокупность) с соответствующими весовыми коэффициентами.
При этом весовые коэффициенты отражают остаточный ресурс работы и наличие функционального или параметрического отказа. Так, возможно определение степени износа подшипников качения по спектральной характеристике первичных сигналов датчиков вибрации и температуры подшипников 3. При отсутствии функционального и параметрического отказов блок формирования сигналов управления по оценке остаточного ресурса работы, полученной от блока автономной оценки технического состояния 8, корректирует режим работы электродвигателя 3. Так, в системе обеспечения теплового режима скорость вращения вала двигателя насоса теплоносителя уменьшается доминимально допустимой. В случае выявления функционального и/или параметрического отказов блок формирования сигналов управления 5 отключает электродвигатель 4 и передает соответствующую информацию системе управления верхнего уровня для включения в работу резервного канала привода.
Система управления и диагностики электродвигателя обладает повышенной надежностью по сравнению с аналогом, поскольку возможность бездатчикового управления и наличие дополнительных диагностических каналов позволяет увеличить срок службы, по сравнению с системой-аналогом.
Таким образом, получен технический результат, а именно повышена надежность системы управления и диагностики электродвигателя за счет использования датчикового и бездатчикового управления электродвигателем, а также диагностирования работы электродвигателя и своевременного автоматического принятия решений об изменении режимов его работы.