Патент на изобретение №2300116

(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И СВЯЗАННЫХ С НИМИ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

(57) Реферат:

Предложенное изобретение относится к области диагностики электродвигателей и связанных с ними механических устройств, в частности размещенных в труднодоступных местах. Технической задачей изобретения является создание эффективного и удобного способа диагностики, а также расширение арсенала способов диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств. Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств заключается в том, что 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 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. 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области диагностирования электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств, в том числе размещенных в труднодоступных местах, и выявления их неисправностей на ранних стадиях развития. В процессе эксплуатации электродвигателей с нагрузкой могут возникать повреждения отдельных элементов, что, в свою очередь, приводит к преждевременному выходу из строя. Необходимость заблаговременного выявления и мониторинга неисправностей труднодоступных ответственных электродвигателей и связанных с ними механических устройств, используемых, например, на предприятиях нефтегазового комплекса, атомных электростанциях и т.п., связана с обеспечением безопасной эксплуатации этих сложных систем в целом.

Известен способ определения технического состояния (диагностики) электродвигателей, при котором регистрируют и анализируют сигнал, порождаемый вибрацией электродвигателя, при этом регистрируют сигнал от переменной составляющей суммы фазных токов питания путем установки датчика напряжения одновременно на три фазы питающего кабеля, анализируют форму и амплитуду полученного сигнала и, сравнивая со значениями предыдущих измерений, оценивают возможность ее дальнейшей эксплуатации (1).

Недостатками этого способа является то, что он не обеспечивает дистанционного диагностирования, низкая точность диагностики, а также сложность необходимых измерений и ограниченность видов диагностируемых неисправностей.

Известен также способ контроля работы (диагностики) электродвигателя переменного тока, включающий этапы разработки модели двигателя на компьютере, соединенном с двигателем с помощью множества датчиков, измерения множества рабочих сигналов двигателя с помощью датчиков, применения полученного в результате измерений множества рабочих сигналов для решения линейного уравнения состояния в дискретном времени, сравнения решения уравнения состояния с решением, предложенным моделью с вычислением остатка, определения на основании этапа сравнения, работает ли двигатель без обнаружения неисправности, коррелирования изменений с механической неисправностью в случае, если двигатель работает с обнаруженной неисправностью, и сообщения о существовании неисправности для предотвращения непредвиденного повреждения двигателя, и повторения этапов, отличающихся от разработки этапа моделирования, с выбранными интервалами во время работы двигателя, причем этап измерения множества рабочих сигналов содержит измерение тока на выходе двигателя, напряжения, подводимого к двигателю, и числа оборотов вала двигателя в течение выбранного интервала времени (2).

Недостатками этого способа является то, что он реализуется с непосредственным доступом к электродвигателю при проведении диагностики, т.е. не обеспечивает дистанционного диагностирования, недостаточная точность, а также сложность необходимых измерений и ограниченность видов диагностируемых неисправностей.

Технической задачей изобретения является создание эффективного и удобного способа диагностики, а также расширение арсенала способов диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств.

Технический результат состоит в повышении точности диагностирования, обеспечении возможности дистанционного диагностирования (на расстоянии от электродвигателя – в электрощите питания и/или управления), упрощении процедуры диагностирования (не требует отключения электродвигателя и/или снятия нагрузки), обеспечении возможности полной автоматизации процесса диагностики, расширении диагностических возможностей для определения наличия электрических и механических повреждений электродвигателя и связанного с ним механического устройства: межвитковые замыкания обмоток статора, повреждения подшипников, несоосность валов электродвигателя и приводимых электродвигателем устройств, повышенный эксцентриситет ротора (статический и/или динамический), дефекты (обрыв стержней, дефекты литья) ротора, ослабление элементов крепления электродвигателя на фундаменте, дефекты передач, соединенных с электродвигателем, дефекты механической части приводимых электродвигателем устройств (насосов, вентиляторов, компрессоров).

Сущность изобретения состоит в том, что способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств предусматривает, что 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, 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.

Дополнительно определяют частоту вращения электродвигателя и число стержней его ротора. Предпочтительно 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, причем 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 дБ 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 следующих характерных частотах:

f=f₁(k₁(1-s)/p±k₂),

где f – характерные частоты,

f₁ – частота питающей сети,

k₁, k₂ – коэффициенты, определяемые частотой вращения ротора,

s – рабочее скольжение,

p – число пар полюсов;

– наличие повреждений ротора электродвигателя диагностируется на следующих характерных частотах:

– повреждение стержней ротора (дефекты литья) на характерных частотах как боковых лепестках частоты питания:

f=f₁±2k₃,

где k₃ – коэффициент, определяемый скольжением ротора при данном режиме работы электродвигателя,

– эксцентриситет ротора на характерных частотах:

f=f₁((R±n_d)(1-s)/p±k₄),

где R – количество стержней ротора,

n_d – порядок эксцентриситета,

k₄ – коэффициент, определяемый гармониками напряжения питающей сети;

– наличие ослабления крепления электродвигателя на фундаменте диагностируется на следующих характерных частотах:

f=f₁±k₁f_r/2,

где f_r – частота вращения ротора электродвигателя;

– наличие несоосности валов электродвигателя и механической нагрузки диагностируется на следующих характерных частотах:

f=f₁±k₁f_r;

– наличие повреждения элементов подшипников качения диагностируется на характерных частотах, отражающих наличие неисправностей, связанных с дефектами внутреннего и наружного колец, тел качения и сепаратора подшипника:

f=f₁±k₁f_n,

где f_n – характерные частоты при наличии дефектов элементов подшипника; применяемые для диагностики – внешней обоймы, внутренней обоймы, сепаратора, тела качения;

– частота перекатывания тел качения по наружному кольцу

f_nн=(Dв/(Dв+Dн)Nf_r;

– частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу

f_nв=(Dн/(Dв+Dн)Nf_r;

– частота вращения тел качения

f_nш=(Dн/Dш)(Dв/(Dв+Dн))f_r;

– частота сепаратора

f_nc=(Dв/(Dв+Dн))f_r,

где Dв – диаметр внутреннего кольца,

Dн – диаметр наружного кольца,

N – количество тел качения,

Dш – диаметр тел качения;

– наличие повреждения ременной передачи диагностируется на характерной частоте собственных колебаний гладкого ремня:

f_p=3,14f_вDшк/L_p,

где f_p – частота собственных колебаний,

f_в – частота вращения шкива,

Dшк – диаметр шкива,

L_p – длина ремня;

– наличие повреждения приводимого оборудования из группы: насос, вентилятор, компрессор диагностируется на характерной лопаточной частоте:

f_л=f_вZ_л,

где f_л – лопаточная частота,

f_в – частота вращения рабочего колеса,

Z_л – количество лопаток рабочего колеса.

Предпочтительно 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, а также 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.

В целом заявляемый способ основан на спектр-токовом анализе – процедуре записи сигналов потребляемого тока и их последующего специального спектрального анализа для определения наличия электрических и механических неисправностей, с учетом качества приложенного к электродвигателю напряжения. При диагностировании каждый агрегат рассматривается как единая конструкция, состоящая из привода (электродвигатель), редуктора, передачи и механического устройства (насоса, вентилятора и т.п.), закрепленных на фундаменте.

Возможность получения технического результата основана на том, что наличие электрических и механических неисправностей приводит к изменениям магнитного потока в воздушном зазоре электрической машины, что дает возможность выявить гармоники тока, характерные для неисправностей оборудования. Питающее напряжение не является идеально синусоидальным, поэтому в спектрограммах напряжения и тока присутствуют гармоники, обусловленные качеством питающего напряжения, но неисправности электродвигателя и механической нагрузки вызывают соответствующие гармоники только в спектре тока.

Гармоники тока, соответствующие различным видам неисправностей, отличаются друг от друга. Поэтому обнаружение в спектре тока характерных гармоник позволяет однозначно идентифицировать электрические и механические неисправности электродвигателя и приводимого механического устройства. Необходимые измерения выполняются на работающем оборудовании (не требуется его отключение). Проведение измерений возможно как непосредственно на электродвигателе, так и в электрощите его питания.

Регулярное проведение измерений (мониторинг) оборудования позволяет выявлять неисправности на ранней стадии возникновения, отслеживать динамику их развития, определять остаточный ресурс оборудования и планировать рациональные сроки проведения ремонтов.

На фиг.1 изображена принципиальная схема измерительного комплекса для реализации способа, на фиг.2 – частотная характеристика тока нового исправного электродвигателя (нагрузка – насос), на фиг.3 – частотная характеристика тока электродвигателя при наличии межвитковых замыканий в обмотках статора, на фиг.4 – частотная характеристика тока электродвигателя при наличии повреждения стержней ротора, на фиг.5 – частотная характеристика тока электродвигателя при наличии ослабления крепления его на фундаменте, на фиг.6 – частотная характеристика тока электродвигателя при наличии несоосности валов электродвигателя и механического устройства (нагрузки), на фиг.7 – частотная характеристика тока электродвигателя при повреждении сепаратора подшипника, на фиг.8 – частотная характеристика тока электродвигателя при наличии износа передаточного механизма (например, ременной передачи или редуктора), на фиг.9 – пример реальной характеристики (качества) напряжения питания.

Измерительный комплекс для реализации способа содержит следующее оборудование. Портативный компьютер 1, аналогово-цифровой преобразователь 2, датчик тока, например гибкие токоизмерительные клещи «Fluke» (не изображено), подключенный к соединенному с механическим устройством 3 электродвигателю 4, низкочастотный фильтр 5 (кондиционер сигнала). Устройство 3 представляет собой насос или компрессор и т.п. На чертежах фиг.3 – 8, содержащих частотные характеристики, буквой «f» обозначены характерные частоты, соответствующие диагностируемой неисправности. Амплитуды сигналов откладываются по вертикали, частоты – по горизонтали. Расположенный в средней части характеристики пик соответствует частоте питающей сети. На фиг.9 по горизонтали расположена ось времени.

Необходимость наличия указанного фильтра 5 обусловлена тем, что получаемые результаты измерения представляют собой не непрерывную функцию, а выборку значений, полученных с определенным шагом аргумента по времени – . Величину, обратную , называют частотой дискретизации. Половину частоты дискретизации называют частотой Найквиста.

Низкочастотный фильтр должен отфильтровывать (не пропускать) сигналы с частотой, меньшей частоты Найквиста, искажающие диагностическую спектрограмму, т.е. предотвращать возникновение ложных спектральных сигналов.

Диагностирование оборудования производится путем выполнения и последующего анализа данных следующих измерений.

Во всех случаях производится мониторинг и спектральный анализ потребляемого тока работающего электродвигателя.

Для этого на одном из фазных проводников линии питания электродвигателя 4 в течение достаточного интервала времени, предпочтительно 50-100 с, несколько раз производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне частот от 0 до 10 Гц, подключенного к входу фильтра 5.

Эту запись проводят неоднократно, как правило, пятикратно, с разрешением по частоте не менее 0,01-0,02 Гц. В процессе записи выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра 5 низких частот (не пропускающего частоты ниже частоты Найквиста).

Для поведения диагностики преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с диапазоном не менее 14 разрядов, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала и спектры, полученные при пяти измерениях, усредняют с помощью ЭВМ. Затем выполняется сравнение значений амплитуд на частотах, характерных для повреждений, с уровнем сигнала на частоте питающей сети. Спектральный анализ полученного сигнала и сравнение амплитуд производят, преимущественно, в частотной области от минус 100 дБ до 0 дБ путем выявления признаков неисправностей (повреждений) в виде пиков (амплитуды тока) на характерных частотах. В целях снижения эффекта растекания спектра при выполнении спектрального анализа с помощью алгоритма Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) используются оконные функции (см. Сергиенко А.Б. «Цифровая обработка сигналов». – СПб., Питер, 2002. – 608 с.). Диагностика проводится путем обнаружения в спектре тока характерных гармоник, которые позволяют идентифицировать неисправности отдельных узлов.

Для каждого электродвигателя с механическим устройством автоматически рассчитывается свой уникальный набор информативных (характерных) частот. Состав этого набора определяется типом электродвигателя, исполнительным механизмом (механическим устройством), видом используемой передачи, характеристиками подшипников и т.д. В расчетной программе используется обобщенная база данных подшипников качения, в которой хранится необходимая информация по параметрам подшипников различных марок. Для определения характерных частот некоторых неисправностей и их диагностики дополнительно определяют частоту вращения электродвигателя и число стержней его ротора.

Наличие межвитковых замыканий в обмотках статора и повреждения ротора диагностируются по наличию двух 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 передачи, например ременной, 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. При этом расчет характерных частот может быть произведен, например, с помощью следующих эмпирически выявленных соотношений.

Анализ наличия межвитковых замыканий (нарушения изоляции) в обмотках статора (фиг.3) производится путем определения амплитуды на следующих характерных частотах:

f=f₁(k₁(1-s)/p±k₂),

где f – характерные частоты;

f₁ – частота питающей сети;

k₁, k₂ – коэффициенты, определяемые частотой вращения ротора;

s – рабочее скольжение;

p – число пар полюсов.

Анализ наличия повреждений ротора электродвигателя производится путем определения амплитуды на следующих характерных частотах:

– повреждение стержней ротора (фиг.4):

определяются амплитуды сигналов на характерных частотах – боковых лепестках частоты питания:

f=f₁±2k₃,

где k₃ – коэффициент, определяемый скольжением ротора при данном режиме работы электродвигателя;

– эксцентриситет ротора:

определяются амплитуды сигналов на характерных частотах

f=f₁((R±n_d)(1-s)/p±k₄),

где R – количество стержней ротора;

n_d – порядок эксцентриситета;

k₄ – коэффициент, определяемый гармониками напряжения питающей сети.

Присутствие динамического или статического эксцентриситета ротора в электродвигателе можно оценить по амплитуде сигнала на характерных частотах динамического или статического эксцентриситета в спектре частот тока потребления статора.

Анализ наличия ослабления крепления электродвигателя (фиг.5) на фундаменте производится путем определения амплитуды на следующих характерных частотах:

f=f₁±k₁f_r/2,

где f_r – частота вращения ротора электродвигателя.

Анализ наличия несоосности валов электродвигателя и механического устройства, т.е. нагрузки (фиг.6) производится путем определения амплитуды на следующих характерных частотах:

f=f₁±k₁f_r

Анализ наличия повреждения элементов подшипников качения (фиг.7) производится путем определения амплитуды на характерных частотах, отражающих наличие неисправностей, связанных с дефектами внутреннего и наружного колец, тел качения и сепаратора подшипника и проявляется в виде сигналов на характерных частотах, кратных частоте вращения ротора.

f=f₁±k₁f_n,

где f_n – характерные частоты при наличии дефектов элементов подшипника. Это четыре основные частоты, применяемые для диагностики – внешней обоймы, внутренней обоймы, частота сепаратора, частота тела качения.

Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу

f_nн=(Dв/(Dв+Dн)Nf_r.

Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу

f_nв=(Dн/(Dв+Dн)Nf_r.

Частота вращения тел качения

f_nш=(Dн/Dш)(Dв/(Dв+Dн))f_r.

Частота сепаратора

f_nc=(Dв/(Dв+Dн))f_r,

где Dв – диаметр внутреннего кольца;

Dн – диаметр наружного кольца;

N – количество тел качения;

Dш – диаметр тел качения.

Анализ наличия повреждения ременной передачи (фиг.8) производится путем определения амплитуды на характерной частоте собственных колебаний гладкого ремня

f_p=3,14f_вDшк/L_p,

где f_р – частота собственных колебаний;

f_в – частота вращения шкива;

Dшк – диаметр шкива;

L_p – длина ремня.

Анализ наличия повреждения механических лопастных устройств, т.е. приводимого оборудования из группы: насос, вентилятор, компрессор производится путем определения амплитуды на характерной лопаточной частоте.

f_л=f_вZ_л,

где f_л – лопаточная частота;

f_в – частота вращения рабочего колеса;

Z_л – количество лопаток рабочего колеса.

Расчет частот и обнаружение в спектре тока электродвигателя характерных гармоник производится преимущественно автоматически.

На приведенных чертежах фиг.3 – 8 повышение амплитуды при повреждениях на характерных частотах явно видно по обе стороны от частоты питающей сети.

На основании заключений о наличии (отсутствии) повреждений отдельных узлов делается вывод о работоспособности агрегата, как единой конструкции.

Определение степени серьезности повреждений производится по градации «Повреждения отсутствуют» – «Повреждения обнаружены» – «Обнаружены значительные (критичные) повреждения».

Диагностирование неисправностей производится путем сравнения и анализа соответствующих значений амплитуд на характерных частотах, т.е. обнаружение в спектре тока характерных гармоник позволяет определить наличие электрических и механических повреждений электродвигателя и связанного с ним механического устройства.

Оценивается уровень амплитуд на характерных частотах относительно пика основного сигнала. При этом, если амплитуды на характерных частотах ниже амплитуды основного пика на частоте питающей сети на заданную допустимую величину, делают вывод о хорошем техническом состоянии электродвигателя, а в случае, если указанная разница между амплитудами меньше заданной величины, делают вывод о развитии повреждения. Для двигателя в хорошем состоянии сигналы соответствующих повреждений на характерных частотах ниже на заданную допустимую величину, обычно на 50-60 дБ, амплитуды основного пика на частоте сети. С развитием повреждения разница между пиками уменьшается.

Как правило, дополнительно к измерению потребляемого тока производят мониторинг приложенного к электродвигателю 4 напряжения с целью определения причин возникновения выявленных повреждений, которые могут быть обусловлены качеством питающего напряжения (фиг.9). В течение заданного интервала времени производят запись значений напряжения, приложенного к электродвигателю 4. Измерение производится между нулевым рабочим проводником N и каждой фазой с помощью делителей или трансформаторов напряжения (не изображены), подключенных к соответствующим каналам АЦП. Мониторинг напряжения позволяет определить несимметрию, наличие высших гармонических составляющих и импульсов перенапряжений (что возможно при работе с частотными регуляторами скорости вращения) – т.е. тех факторов, которые напрямую влияют на возникновение дефектов и, следовательно, на срок службы и экономичность работы двигателя.

При изменении напряжения изменяется механическая характеристика – зависимость вращающего момента от скольжения. При снижении напряжения уменьшается вращающий момент и частота вращения, т.к. увеличивается его скольжение, причем при неизменной потребляемой мощности увеличивается ток, потребляемый из сети, и происходит интенсивный нагрев обмоток, что сокращает срок службы электродвигателя. Таким образом, результаты мониторинга приложенного напряжения должны учитываться при прогнозировании развития повреждения и определении остаточного ресурса электродвигателя.

При несимметрии напряжений сети в электрических машинах наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети.

Несинусоидальность питающего напряжения приводит к ускоренному старению изоляции, дополнительным потерям мощности двигателя, а также значительному сокращению срока службы подшипников за счет возникновения встречно направленных моментов вращения.

Высшие гармоники напряжения вызывают дополнительные потери активной мощности в электрических машинах, так как сопротивления их элементов зависят от частоты.

Высшие гармоники вызывают паразитные поля и электромагнитные моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД машины, а также коэффициент мощности электродвигателя.

«Высокий уровень гармонических искажений питающего напряжения может вызвать серьезный перегрев электродвигателя с последующим отключением, чрезмерный акустический шум и вибрации, повреждения подшипников (срок службы которых может снизиться до 10% от номинального) и нарушения креплений из-за высокого уровня вибрации». См., например, Уильяме Т., Армстронг К. «ЭМС для систем и установок», М., Издательский Дом «Технологии», 2004 г., 508 с.

Измерения тока и напряжения и их анализ производят с определенной периодичностью, подбираемой эмпирически, и создают базу данных измерений и результатов их анализа, по которой контролируют развитие повреждений по времени и определяют остаточный ресурс оборудования. По каждому из измерений сохраняются полный список частот и их амплитуд, характерных для данного агрегата, характерные частоты и их амплитуды для каждого вида повреждений.

В результате в процессе эксплуатации можно проследить динамику фактического развития отдельных повреждений в графическом виде по обработанным частотным характеристикам и прогнозировать их дальнейшее развитие, а с учетом мониторинга напряжения более точно прогнозировать развитие повреждений, обусловленных качеством питающего электродвигатель напряжения.

Таким образом, создан эффективный и удобный способ диагностики, а также расширен арсенал способов диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств.

При этом повышена точность диагностирования, обеспечена возможность дистанционного диагностирования (на расстоянии от электродвигателя – в электрощите питания и/или управления), упрощена процедура диагностирования (не требует отключения электродвигателя и/или снятия нагрузки), обеспечена возможности полной автоматизации процесса диагностики. Расширены диагностические возможности для определения наличия электрических и механических повреждений электродвигателя и связанного с ним механического устройства, в частности: межвитковые замыкания обмоток статора, повреждения подшипников, несоосность валов электродвигателя и приводимых электродвигателем устройств, повышенный эксцентриситет ротора (статический и/или динамический), дефекты (обрыв стержней, дефекты литья) ротора, ослабление элементов крепления электродвигателя на фундаменте, дефекты передач, соединенных с электродвигателем, дефекты механической части приводимых электродвигателем устройств (насосов, вентиляторов, компрессоров).

Источники информации

1. RU №2213270, 2003.

2. RU №2155328, 2000 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств, 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, 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют частоту вращения электродвигателя и число стержней его ротора.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что 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.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что запись значений тока, потребляемого электродвигателем производят пятикратно, а полученные при измерениях спектры усредняют.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при выполнении спектрального анализа используются оконные функции.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выделяют анализируемые частоты с помощью фильтра низких частот (частот ниже частоты Найквиста).

7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму с помощью АЦП с диапазоном не менее 14 разрядов.

8. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что 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.

9. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что 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.

10. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что 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.

11. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно производят мониторинг приложенного к электродвигателю напряжения в части наличия несимметрии, импульсов перенапряжений и высших гармонических составляющих в качестве признака причин преждевременного выхода из строя оборудования, обусловленных качеством питающего электродвигатель напряжения.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.04.2008

Извещение опубликовано: 27.05.2010 БИ: 15/2010