СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF MECHANICAL DAMAGES OF THREE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTORS

,Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей путем измерения тока статора и анализа его амплитудно-частотной характеристики.
В настоящее время эффективными способами диагностики механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей (АД) являются:
- вибродиагностические способы, измеряющие и анализирующие различные вибрационные параметры, например виброскорость, виброускорение, виброперемещение;
- способы, основанные на измерении и анализе магнитного поля АД, например суммы аксиальных составляющих магнитных потоков в лобовой части обмоток фаз статора.
Известно устройство регистрации параметров режима (УРПР) [Полковниченко Д.В. Совершенствование диагностирования обмоток короткозамкнутых асинхронных электродвигателей на основе способа контроля параметров рабочего режима: Автореф. канд. техн. наук /Донецкий национальный технический университет. Донецк - 2003], которое позволяет осуществлять измерение параметров режима работы АД (амплитуду и частоту тока обратной последовательности) при возникновении механического дефекта, производить осциллографирование токов и напряжений статорной обмотки АД и вычислять величину фазных сопротивлений АД, что позволяет исключить влияние несимметрии питающего напряжения на результаты диагностики. Анализ величин и характера изменения диагностических параметров рабочего режима позволяет устанавливать тип повреждения АД и (или) изменение режима его работы.
Недостатком данного способа является трудность его практического использования для эксплуатационного контроля, т.к. сопротивление статорной обмотки изменяется нелинейно, в зависимости от нагрузки, параметров окружающей среды, условий эксплуатации, поэтому данный способ в большей степени может быть использован для проведения лабораторных исследований в идеальных условиях работы АД.
Известен способ защиты асинхронного электродвигателя от перегрузки [АС СССР №1642548]. Предлагаемый способ защиты заключается в следующем: измеряют ток фазы статора электродвигателя, получают сигнал, пропорциональный квадрату этого тока, используя сигнал, пропорциональный квадрату тока фазы статора электродвигателя, определяют величину, характеризующую температуру электродвигателя, и при превышении ею критического значения формируют первый сигнал, информирующий о перегрузке электродвигателя, по которому двигатель отключают от сети. С целью повышения чувствительности защиты электродвигателя к перегрузкам, вызываемым механическими дефектами, дополнительно из тока статора выделяют все составляющие тока с частотами, отличными от частоты источника питания, измеряют величину этих составляющих тока и при превышении этой величиной критического значения формируют второй сигнал, информирующий о перегрузке электродвигателя, вызванной механическими повреждениями, и при появлении любого из упомянутых сигналов, информирующих о перегрузке, отключают электродвигатель от сети.
Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом. На вход квадратора с выхода датчика подается сигнал, пропорциональный току обмотки статора защищаемого АД. Квадратор формирует сигнал, пропорциональный квадрату тока статора, который подается на вход теплового аналога АД, моделирующий тепловые процессы, протекающие в АД. Таким образом формируется сигнал, пропорциональный температуре АД, подаваемый на вход первого порогового элемента. При увеличении нагрузки на АД уровень этого сигнала повышается и при достижении им предельно допустимого уровня пороговый элемент вырабатывает сигнал, который через логический элемент поступает на вход исполнительного органа. Исполнительный орган вырабатывает сигнал, по которому двигатель разгружается или отключается от сети.
Режекторный фильтр, подключенный к выходу датчика тока, подавляет составляющие тока статора с частотой, равной частоте источника питания. Выходной сигнал режекторного фильтра выпрямляется формирователем модуля и сглаживается фильтром нижних частот. Второй пороговый элемент сравнивает выходной сигнал фильтра нижних частот с предельно допустимым значением. При возникновении дефектов, вызывающих увеличение периодической составляющей момента, входной сигнал порогового элемента повышается и при достижении им предельно допустимого значения пороговый элемент формирует второй сигнал, информирующий о возникновении механического дефекта, который через логический элемент поступает на вход исполнительного органа.
К недостаткам данного способа следует отнести его недостаточную селективность: он обеспечивает только общую сигнализацию о повреждении АД или приводимого им механизма без указания на конкретный вид повреждения.
Наиболее близким по технической сущности является способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств (заявка РФ на изобретение 2005110648), при котором в течение заданного интервала времени 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, при этом определяют частоту вращения электродвигателя и число стержней его ротора, неоднократно производят в течение 50÷100 с запись значений фазного тока с разрешением по частоте не менее 0,01÷0,02 Гц с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне частот от 0 до 10 Гц, запись значений тока, потребляемого электродвигателем, производят пятикратно, а полученные при измерениях спектры усредняют, в целях снижения эффекта растекания спектра, при выполнении спектрального анализа используются оконные функции, выделяют анализируемые частоты с помощью фильтра низких частот (частот ниже частоты Найквиста), преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму с помощью АЦП с диапазоном не менее 14 разрядов, спектральный анализ полученного сигнала и сравнение амплитуд производят преимущественно в частотной области от минус 100 до 0 дБ путем выявления пиков (амплитуды тока) на характерных частотах, наличие межвитковых замыканий в обмотках статора и повреждения ротора диагностируются по наличию двух соответствующих симметричных относительно частоты питающей сети пиков в спектре тока, несоосность валов электродвигателя и нагрузки диагностируется по наличию пиков на частотах, кратных частоте вращения электродвигателя, дефекты ременной передачи нагрузки диагностируются по наличию пиков на частотах, кратных частоте биений ремня, повреждения подшипника диагностируются по наличию пиков на частотах, кратных частоте вращения ротора, повреждения приводимого оборудования из группы: насос, вентилятор, компрессор диагностируются по наличию пиков на лопаточной частоте, причем наличие межвитковых замыканий в обмотках статора диагностируется на характерных частотах, измерения и их анализ производят с определенной периодичностью и создают базу данных измерений и результатов их анализа, по которой контролируют развитие повреждений по времени и определяют остаточный ресурс оборудования, дополнительно производят мониторинг приложенного к электродвигателю напряжения в части наличия несимметрии, импульсов перенапряжений и высших гармонических составляющих с целью выявления причин преждевременного выхода из строя оборудования, обусловленных качеством питающего электродвигатель напряжения.
Недостатком данного способа является низкая точность распознавания вида механических повреждений, т.к. сравнение гармонических составляющих высших гармоник тока на характерных частотах производится с уровнем основной гармоники на частоте питающей сети. Исследования и расчеты показывают, что амплитуды сигнала на характерных частотах составляют доли процента от амплитуды основной гармоники, в результате сравнение амплитуд характерных высших гармоник тока с амплитудой гармоники на основной частоте практически невозможно.
Задача, положенная в основу изобретения, заключается в обеспечении надежного и селективного распознавания вида механического повреждения АД путем измерения токов статора и анализа его амплитудно-частотного спектра.
Поставленная задача решается тем, что в известный способ автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей, при котором в течение заданного интервала времени производят запись значений фазного тока электродвигателя и его спектральный анализ, полученные результаты спектрального анализа сравнивают с заданными значениями гармоник тока, а заключение о наличии предполагаемого повреждения делают по превышению значений анализируемого сигнала на характерных частотах над заданными значениями, введены следующие отличия: полученные результаты спектрального анализа сравнивают с опорными значениями гармоник на характерных частотах.
Положительный эффект, создаваемый предлагаемым изобретением, проявляется в том, что данное техническое решение позволит обеспечить повышение надежности и селективности распознавания вида механического повреждения путем выбора количества опорных значений амплитуд сигнала на характерных частотах. Селективная сигнализация о виде механического повреждения достигается за счет учета различия частотных характеристик сигнала при конкретных механических повреждениях в АД. Ложные срабатывания устройства автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей при импульсно-коммутационных перенапряжениях выявляются благодаря специальному алгоритму обработки сигналов компараторов блоком анализа срабатывания компараторов, учитывающему различные временные зависимости изменений амплитудно-частотной характеристики тока статора электродвигателя при развитии механических повреждений.
Устройство автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей, реализующее данный способ, приведено на чертеже.
1
2
3
n
Защищаемый трехфазный асинхронный электродвигатель 1 подключен к трехфазной сети переменного тока 2 через быстродействующий выключатель 3 и трансформатор тока 4. К выходу трансформатора тока 4 подключено устройство автоматического контроля механических повреждений 5, состоящее из нормирующего усилителя 6, вход которого подключен к выходу трансформатора тока 4, аналого-цифрового преобразователя 7, вход которого соединен с выходом нормирующего усилителя 6, а выход подключен ко входу блока выявления механических повреждений 8. Блок выявления механических повреждений 8, в свою очередь, состоит из блока быстрого преобразования Фурье 9, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 7, а выходы соединены с неинвертирующими входами блока компараторов 10. Инвертирующие входы компараторов K, К, К, … К соединены с выходами блока формирования опорных сигналов компараторов 11, а выходы подключены ко входам блока анализа срабатывания компараторов 12. Выходы блока анализа срабатывания компараторов 12 соединены со входами блока формирования опорных сигналов компараторов 11, блока сигнализации 13 и быстродействующим выключателем 3.
Способ реализуется с помощью устройства автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей работающего следующим образом. При включении БВ 3 от сети производят запуск электродвигателя АД 1. После разворота АД 1 до номинальных оборотов включают устройство контроля механических повреждений УАКМП 5, при этом ток статора АД 1 понижают с помощью ТТ 4 и нормируют НУ 6. С выхода НУ 6 сигнал, пропорциональный току статора АД 1, с помощью АЦП 7 преобразуют из аналоговой в цифровую форму и подают на вход блока БПФ 9. Блоком БПФ 9 во внутренней памяти производят запись значений фазного тока в виде последовательности дискретных значений, осуществляют спектральный анализ и вычисляют амплитудно-частотную характеристику тока статора АД 1. На выход блока БПФ 9 подают дискретные значения амплитудно-частотной характеристики АД 1 с постоянной частотой обновления значений амплитудно-частотной характеристики равной 0,1 Гц. При этом в амплитудно-частотной характеристике тока статора будут содержаться основная гармоника, высшие гармоники, субгармоники, гармоники, связанные с нелинейностью параметров самого АД 1, а также гармоники, возникающие в результате механических повреждений, амплитуды которых в исправном состоянии АД 1 не превышают предельно-допустимых значений, задаваемых БФОСК 11. Блок БАСК 12 запускается автоматически после появления на выходе БПФ 9 первых значений амплитудно-частотной характеристики. Блоком БАСК 12 формируют управляющий сигнал блоку БФОСК 11, по которому последний задает опорные значения смещения компараторов, поступающие на инвертирующие входы блока БК 10. Блоком БК 10 сравнивают опорные значения с амплитудами гармоник тока, полученных в результате спектрального анализа. В случае превышения дискретным сигналом выдаваемого БПФ 9 сигнала, формируемого БФОСК 11, на соответствующем выходе БК 10 формируется сигнал «логическая единица», иначе устанавливается сигнал «логический ноль». Сформированную БК 10 последовательность логических сигналов подают на вход блока БАСК 12, которым осуществляется анализ поступающих логических сигналов. Если в результате анализа поступающих логических сигналов блоком БАСК 12 выявляют предполагаемое механическое повреждение, то блоком БС 13 выдают информационный сигнал о наличии механического повреждения. Кроме того, если в результате анализа степени развития механического повреждения блоком БАСК 12 устанавливают предельно допустимые механические повреждения, при которых дальнейшая эксплуатация АД 1 не возможна, блоком БАСК 12 формируют сигнал на отключение БВ 3.
Селективность выявления механических повреждений обеспечивают последовательным выявлением различных типов механических повреждений. При смене типа двигателя и выявляемого механического повреждения по сигналу от БАСК 12 блоком БФОСК 11 задают уровни формируемых опорных значений смещения компараторов, характерных для каждого из видов механических повреждений. Одновременно в блоке БАСК 12 производят смену программы временного анализа последовательности логических сигналов в соответствии с типом АД 1 и выявляемым механическим повреждением, причем набор характерных частот в БФОСК 11 задают в зависимости от конструкции электродвигателя и вида механического повреждения. Изменений в работе других блоков при этом не происходит.
При отсутствии предполагаемого механического повреждения АД 1 значения амплитудно-частотной характеристики тока статора на выходе блока БПФ 9 на анализируемых характерных частотах не превышают уровни опорных сигналов формируемых блоком БФОСК 11, и на указанных частотах блоком БК 10 формируют «логические нули». Блоком БАСК 12 осуществляют анализ поступающих логических сигналов и фиксируют отсутствие предполагаемого механического повреждения. Блоком БС 13 выдают информационный сигнал об отсутствии данного механического повреждения. В случае совпадения предполагаемого механического повреждения с действительным блоком БАСК 12 дают команду на формирование набора опорных сигналов на характерных частотах, соответствующих этому повреждению.
При селективном распознавании механических повреждений УАКМП 5 циклично осуществляют селективное выявление различных типов механических повреждений. При наличии селективно выявляемого механического повреждения АД 1 значения амплитудно-частотной характеристики тока статора на выходе блока БПФ 9 на анализируемых частотах превышают уровни дискретных сигналов, формируемых блоком БФОСК 11, и на указанных частотах блоком БК 10 формируют «логические единицы». Блоком БАСК 12 осуществляют временной анализ поступающих логических сигналов, фиксируют наличие выявляемого механического повреждения, причем заключение о наличии предполагаемого механического повреждения делают по превышению значений анализируемого сигнала на характерных частотах над опорными значениями задаваемых БФОСК 11. Блоком БС 13 выдают информационный сигнал о наличии данного механического повреждения.
Кроме того, в блоке БАСК 12 учитывают нестационарность значений частоты напряжения питающей сети и скольжения АД 1. Известно, что при работе АД 1 частоты гармонических составляющих тока статора, связанных с механическими повреждениями, определяют следующим образом:
мех
где ƒ - частоты гармонических составляющих тока статора, возникающие в результате механических повреждений,
сети
ƒ - частота сетевого напряжения;
s - скольжение АД;
р - число пар полюсов АД.
Поскольку скольжение АД 1 меняется в зависимости от нагрузки на валу, то частоты гармоник, появляющиеся в результате развития механических повреждений, также зависят от скольжения АД 1, поэтому при выявлении механических повреждений блоком БАСК 12 анализируют не отдельные информативные частоты, а их диапазон:
При наличии в сети помех и импульсно-коммутационных перенапряжений ложные срабатывания устройства автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей выявляют в блоке БАСК 12 благодаря временному анализу логических сигналов, формируемых БК 10. При анализе логических сигналов блоком БАСК 12 учитывают как общее время наблюдения логических сигналов («логических нулей» и «логических единиц») на анализируемых частотах амплитудно-частотной характеристики тока статора АД 1, связанных с выявляемым механическим повреждением, так и стационарность наблюдения тождественных логических сигналов на отдельных частотах. Благодаря временному анализу логических сигналов, поступающих на вход блока БАСК 12, и выявлению стационарности наблюдения тождественных логических сигналов на отдельных частотах, выявляются не только кратковременные помехи, вызванные, например, импульсно-коммутационными перенапряжениями, но и помехи, вызванные наличием в сети мощных несинусоидальных потребителей электроэнергии, например мощных тиристорных выпрямителей или электроприводов с частотным регулированием.
Таким образом, предлагаемый способ обладает следующей совокупностью свойств, которыми не обладает ни один из известных способов того же назначения: обеспечение селективной сигнализации о виде механического повреждения за счет разложения тока статора контролируемого электродвигателя в амплитудно-частотный спектр и учета большего количества частот его амплитудно-частотной характеристики за счет набора характерных опорных сигналов в зависимости от конструкции АД 1 и вида предполагаемого повреждения, исключение ложных срабатываний при импульсно-коммутационных перенапряжениях в питающей сети.