способ диагностики и оценки остаточного ресурса электроприводов переменного тока

Формула изобретения

Способ диагностики технического состояния силового электрооборудования, включающий запись зависимостей от времени напряжения и тока, потребляемых электродвигателем, выполняемую с помощью датчиков напряжения, обработку сигналов фильтром низких частот с последующей программной обработкой полученных сигналов для диагностики и оценки остаточного ресурса, отличающийся тем, что определяют расхождение амплитуд сигналов токов, напряжений и мощности каждой фазы, рассчитывают коэффициенты несимметрии тока, напряжений, мощности и коэффициенты гармонических колебаний, используя программный фильтр низких частот, отфильтровывают спектр исследуемых частот от общего сигнала, затем определяют уровень влияния качества питающего напряжения в части наличия несимметрии, импульсов перенапряжения и высших гармонических составляющих и при помощи программного обеспечения на основе получаемых данных с учетом текущего задания выходной координаты определяют техническое состояние электропривода и оценивают остаточный ресурс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к диагностике технического состояния силового электрооборудования и может применяться для диагностики электрических приводов, работающих в тяжелых условиях и размещенных в труднодоступных местах.

Известен способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ним механических устройств (патент РФ № 2300116, МПК G01R 31/34), основанный на спектральном анализе потребляемого электродвигателем тока. Недостатком данного способа является то, что в нем не учитывается влияние на спектр сигнала величины и характера нагрузки электропривода, а также влияние показателей качества электроэнергии, особенно при питании электродвигателя от статического силового преобразователя.

Известен способ функциональной диагностики асинхронных двигателей (патент РФ № 2351048), согласно которому контролируются две величины - сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса электродвигателя и отношение полных сопротивлений обмоток для каждой пары обмоток электродвигателя.

Недостатком данного способа является применимость только для отдельных типов повреждений электродвигателя, связанных с возникновением несимметрии сопротивлений обмоток статора, и неприменимость к иным типам повреждений, например к повреждениям обмоток ротора.

Известен способ определения технического состояния (диагностики) электродвигателя, (патент РФ № 2213270), при котором регистрируют и анализируют сигнал, порождаемый вибрацией электродвигателя, при этом также регистрируют сигнал от переменной составляющей суммы фазных токов питания, анализируют форму и амплитуду полученного сигнала и, сравнивая со значениями предыдущих измерений, делают вывод от возможности дальнейшей эксплуатации.

Недостатком этого способа является то, что он требует непосредственного доступа к диагностируемому двигателю, а также не позволяет с достаточной достоверностью выявить конкретный вид повреждения.

Известен способ диагностики и прогнозирования остаточного ресурса взрывозащищенного электропривода насосно-компрессорного оборудования нефтехимических производств (патент РФ № 2431152). Сущность способа заключается в записи в течение заданного интервала времени значений фазных токов и напряжений электродвигателя, их разложение на гармонические составляющие и измерение амплитуды и фазы гармонических составляющих, при этом производится фильтрация гармонических составляющих, поступающих из сети. По совокупности параметров гармонических составляющих с помощью искусственной нейронной сети производится идентификация технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта.

Недостатком данного способа является то, что при определении остаточного ресурса анализируются только гармонические составляющие напряжения, генерируемые только двигателем электропривода, а составляющие, генерируемые сетью питающего напряжения, отфильтровываются и не рассматриваются. Однако значительные искажения питающего напряжения, которые имеют нерегулярный характер, обусловленный изменением режима работы двигателя, непостоянством нагрузки, наличием статических преобразователей, а также характеристиками питающей сети, негативно сказываются на изоляции диагностируемого оборудования, вызывая ее преждевременное старение, что, в свою очередь, может привести к пробою изоляции и выходу из строя оборудования.

Известен способ диагностики и оценки остаточного ресурса электроприводов переменного тока (патент РФ № 2425390), выбранный в качестве прототипа, основанный на записи зависимостей от времени тока и напряжения, потребляемых электродвигателем, выполняемой с помощью датчиков напряжения и тока с последующим пропусканием через фильтр низких частот.

Недостатком указанного способа является то, что он использует фильтр низких частот для преобразования поступающего сигнала.

Технический результат заключается в повышении эффективности обнаружении неисправности на ранней стадии возникновения при помощи программного обеспечения, позволяющего убрать ненужный спектр частот, что приведет к повышению качества обработки полученных данных и более точному определению остаточного ресурса электропривода переменного тока. Также помимо точности системы повышается ее надежность за счет исключения одного функционального узла и переноса его функций в ранее существовавший блок - персональный компьютер.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе диагностики и оценки остаточного ресурса электроприводов переменного тока, в котором путем записи зависимостей от времени напряжения и тока потребляемых электродвигателем, выполняемой с помощью датчиков напряжения и тока с последующим пропусканием через фильтр низких частот, определяется техническое состояние электропривода и оценивается его остаточный ресурс, в предлагаемом способе определяется расхождение амплитуд сигналов токов, напряжений и мощности каждой фазы, рассчитываются коэффициенты несимметрии тока, напряжений, мощности и коэффициенты гармонических колебаний, с помощью программного обеспечения, используемого в качестве фильтра низких и высоких частот, отфильтровывается спектр исследуемых частот от общего сигнала, затем определяется уровень влияния качества питающего напряжения в части наличия несимметрии, импульсов перенапряжения и высших гармонических составляющих и при помощи программного обеспечения на основе получаемых данных, с учетом текущего задания выходной координаты, определяется техническое состояние электропривода и оценивается остаточный ресурс.

Благодаря пропусканию полученных сигналов тока и напряжения через программный фильтр высоких и низких частот повышается качество обработки полученных данных, точность определения остаточного ресурса электропривода переменного тока, а также надежность системы.

Повышение качества обработки полученных данных и точность определения остаточного ресурса достигается за счет фильтрации полученных сигналов тока и напряжения через программный фильтр низких и высоких частот, поскольку амплитуда гармоник зависит не только от степени проявления дефекта, а также от напряжения питания. Если качество сетевого напряжения невысокое, то спектральный состав фазных напряжений сильно отличается от идеального, в нем появляются высокочастотные гармоники. При этом искажения напряжения питания могут носить нерегулярный характер, что, в свою очередь, приводит к ошибочной оценке остаточного ресурса двигателя переменного тока.

Надежность системы достигается за счет исключения одного функционального узла - «фильтр низких частот» и перенося его функции в ранее существовавший блок - «персональный компьютер», где на языке графического программирования осуществляют фильтрацию полученных сигналов тока и напряжения на низких и высоких частотах.

Согласно изобретению в персональном компьютере на языке графического программирования осуществляют фильтрацию полученных сигналов тока и напряжения на низких и высоких частотах, производят вычисление мгновенных мощностей каждой фазы, производят спектральный анализ полученных сигналов напряжения, тока и мощности, рассчитывают коэффициенты несимметрии (тока, напряжений, мощности) и коэффициенты гармоник (тока и мощности), на основе известной величины отдаваемой мощности электропривода с учетом текущего задания выходной координаты вычисляют величину потерь электрической энергии, определяется техническое состояние электропривода и оценивают остаточный ресурс путем сравнения с эталонными сигналами, полученными на заведомо исправном агрегате.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где показана принципиальная схема измерительного комплекса, на основе которой реализуется предлагаемый способ. Измерительный комплекс содержит следующие оборудование. 5 - датчик тока; 6 - датчик напряжения; 7 - сумматор сигнала; 8 - устройство сбора данных; 9 - устройство выборки хранения; 10 - аналого-цифровой преобразователь; 11 - портативный компьютер. Также на фиг.1 изображены: 1 - статический силовой преобразователь; 2 - электрический двигатель; 3 - механический преобразователь; 4 - рабочий орган. Символами на фиг.1 обозначены: P₀ - мощность на входе статического преобразователя, P₁ - мощность питания электродвигателя, P₂ - мощность на входе механического преобразователя, P_n - мощность, поступающая на рабочий орган, [u(t)] - измеряемый сигнал фазных напряжений в фазах A, B, C, [i(t)] - измеряемый сигнал фазных токов в фазах A, B, A, у_з - сигнал задания (мощности, координаты, момента).

Способ диагностики и оценки остаточного ресурса электроприводов переменного тока реализуется следующим образом.

На вход статического силового преобразователя 1 из питающей сети поступает мощность P₀, который осуществляет в соответствии с введенным в него заданием у_з управление координатами скорости, момента и положения электродвигателя 2. С выхода преобразователя 1 сигнал мощности P₁ поступает на вход электродвигателя 2, в котором после преобразования мощность на выходе будет равна P₂. Сигнал мощности P₂ поступает на вход механического преобразователя 3, с выхода которого мощность P _n поступает на рабочий орган 4. Сигналы трехфазного напряжения [u(t)] и трехфазного тока [i(t)] с преобразователя 1 поступают на датчики тока 5 и напряжения 6, аналоговый сигнал с датчиков 5 и 6 поступает в сумматор сигнала 7, также в сумматор 7 от преобразователя 1 поступает сигнал задания у_з. Обработанные сигналы с выхода сумматора 7 поступают на вход устройства сбора данных 8, в состав которого входят устройство выборки хранения 9, необходимое для хранения оперативной информации, и аналогово-цифровой преобразователь 10, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой и передает его на портативный компьютер 11. Сигналы, поступившие на компьютер 11, обрабатываются программным фильтром частоты, после чего вносятся в базу данных и обрабатываются программой, осуществляющей расчет остаточного ресурса электропривода переменного тока.

Возможность получения технического результата основана на том, что любые неисправности электрических машин и механизмов, сопряженных с ними, в конечном итоге приводят к возникновению электромагнитной несимметрии поля в зазоре машины, а, следовательно, к изменению спектрального состава токов и напряжений. Также в качестве критерия для оценки энергетических процессов в реальной машине, обладающей неравномерным полем в воздушном зазоре и, как следствие, имеющей полигармонический состав спектра токов и напряжений, используют сравнение величины потерь мощности на характерных для определенных повреждений частотах.

Преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразователя АЦП, выделяют анализируемые частоты с помощью программного фильтра низких частот на ЭВМ. Также производят анализ качества питающего напряжения в части наличия несимметрии, импульсов перенапряжения и высших гармонических составляющих с целью выявления причин преждевременного выхода из строя оборудования, обусловленных качеством питающего электропривод напряжения. Измерения и анализ производят с определенной периодичностью и создают базу данных измерений и результатов их анализа. В результате сравнения измеренных значений с эталонными и критическими производят контроль развития повреждений и определяют остаточный ресурс электропривода.

Влияние на работоспособность следует оценивать по четырем уровням состояния - отличное, хорошее, удовлетворительное, неудовлетворительное. Результаты обследования заносятся в базу данных, которая предназначена для ввода, хранения, отображения, сортировки и обработки диагностических параметров технологического оборудования. Также база данных обеспечивает возможность анализа данных, осуществление поиска и выборку по различным параметрам, формирование журнала регистрации контроля, вычисление остаточного ресурса оборудования на основе результатов анализа. Величину остаточного ресурса определяют по формуле:

где:

, , - расхождение амплитуд сигналов тока на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети для фаз A, B, C соответственно;

, , - расхождение амплитуд сигналов напряжения на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети для фаз А, В, С соответственно;

K_эп - динамический коэффициент мощности;

K_г - коэффициент гармоник (тока и мощности);

, , - расхождение амплитуд сигналов мощности на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети для фаз A, B, C соответственно;

K_несимU - коэффициент несимметрии напряжения;

K_несимI - коэффициент несимметрии тока;

K_несимP - коэффициент несимметрии мощности;

K _P - коэффициент потери мощности;

k _i - весовой коэффициент, определяемый на основе статистических данных.

Получившееся значение остаточного ресурса сравнивают с предельным значением _пр, определяемым для каждого агрегата на основе статистических баз данных, причем должно выполняться условие _пр. В случае невыполнения данного условия агрегат выводится из работы.

Регулярный мониторинг электропривода позволяет выявлять неисправности на ранней стадии возникновения, отслеживать динамику их развития, определять остаточный ресурс и планировать рациональные сроки проведения ремонтов.

Аппаратная реализация предлагаемого способа может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров.