BR102018016657B1

BR102018016657B1 - Método para determinar um estado de um rolamento, módulo para determinar um estado de um rolamento, veículo e sistema ferroviário

Info

Publication number: BR102018016657B1
Application number: BR102018016657-3A
Authority: BR
Inventors: Davide Barlini Atsa
Original assignee: Alstom Transport Technologies
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2023-03-28
Also published as: CN109425488B; US20190058428A1; PL3444585T3; CN109425488A; ZA201805433B; EP3444585A1; US10910977B2; BR102018016657A2; EP3444585B1

Abstract

MÉTODO PARA DETERMINAR UM ESTADO DE UM ROLAMENTO, MÓDULO PARA DETERMINAR UM ESTADO DE UM ROLAMENTO, VEÍCULO E SISTEMA FERROVIÁRIO. A presente invenção refere-se a um método para determinar um estado de um rolamento de uma máquina elétrica trifásica (3), a máquina elétrica (3) tendo um rotor (19), que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico (5) para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico (5) sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, o método compreende: - determinar uma primeira corrente de fase fornecida á máquina elétrica (3); - determinar uma segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica (3), a segunda corrente de fase sendo diferente da primeira corrente de fase; - determinar a densidade espectral de energia do vetor de Park com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase; - determinar uma amplitude da energia a uma frequência predefinida da densidade espectral de energia, onde a frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor e do esquema de modulação de largura de pulso; - comparar a amplitude da energia na frequência predefinida com um valor de energia predefinido; e - determinar, com base na comparação,(...).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um método para determinar um estado de um rolamento e, notadamente, o consumo de rolamentos.

[0002] Além disso, a presente invenção refere-se a um módulo para determinar um estado de um rolamento.

[0003] Adicionalmente, a presente invenção refere-se a um veículo ferroviário compreendendo um módulo para determinar um estado de um rolamento.

[0004] Finalmente, a presente invenção refere-se a um sistema para determinar um estado de um rolamento.

[0005] Uma falha de um rolamento de uma máquina elétrica geralmente é detectada por diferentes técnicas. Por exemplo, sensores de temperatura, acelerômetros e/ou microfones são usados. Quase todos eles lidam com medições mecânicas.

[0006] Em outras descrições também foram utilizadas medições elétricas, por exemplo, no artigo “Bearing Failures Diagnosis in Three-Phase Induction Motors by Extended Park’s Vetor Approach” de José Silva e outros (IEEE).

[0007] Todas essas técnicas são baseadas no fato de que uma falha específica do rolamento produz uma frequência característica bem conhecida, que depende apenas do tipo de falha, da velocidade do rotor e do tipo de rolamento em si. No entanto, a amplitude desta frequência é muito pequena e é frequentemente coberta pelo ruído ambiente.

[0008] O objetivo da invenção é fornecer um método e um sistema aprimorados para detectar uma falha de rolamento e para detectar a amplitude do consumo de rolamento, que possa também ser utilizado em ambiente com ruído, por exemplo, em um veículo ferroviário.

[0009] De acordo com um aspecto, é fornecido um método para determinar um estado de um rolamento de uma máquina elétrica trifásica, a máquina elétrica tendo um rotor, que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, o método compreende: - determinar uma primeira corrente de fase fornecida à máquina elétrica; - determinar uma segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica, a segunda corrente de fase sendo diferente da primeira corrente de fase; - determinar a densidade espectral de energia do vetor do Park com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase; - determinar uma amplitude da energia em uma frequência predefinida da densidade espectral de energia, onde a frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor e do esquema da modulação da largura de pulso; - comparar a amplitude da energia na frequência predefinida com um valor de energia predefinido; e - determinar, com base na comparação, se ocorreu uma falha do rolamento ou se o rolamento foi degradado.

[0010] Outras modalidades podem referir-se a uma ou mais das seguintes características, que podem ser combinadas em qualquer combinação técnica viável: - a frequência predefinida é determinada com base em um pico principal da densidade espectral de energia do vetor de Park, com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase e na velocidade de rotação do rotor, onde a frequência predefinida está a uma distância de frequência, depende da velocidade de rotação e é de preferência igual à velocidade de rotação, dos picos principais; - o valor de energia predefinido é a energia na frequência predefinida da densidade espectral de energia do vetor de Park com base na primeira corrente de fase e a segunda corrente de fase determinada para a máquina elétrica com um rolamento não danificado; - a primeira corrente de fase e a segunda corrente de fase são determinadas em um primeiro ponto no tempo, onde o valor de energia predefinido é a energia na frequência predefinida da densidade espectral de energia do vetor de Park com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase determinada para a máquina elétrica em um segundo ponto no tempo anterior ao primeiro ponto no tempo, onde, em particular, a diferença entre o primeiro ponto no tempo e o segundo ponto no tempo é de ao menos um dia, em particular ao menos um mês; - a máquina elétrica trifásica é uma máquina de indução ou uma máquina síncrona; - o método adicionalmente compreende: determinar um tempo para manutenção da máquina elétrica com base na comparação; - o método adicionalmente compreende: operar a máquina elétrica a uma velocidade de rotação predeterminada do rotor; e/ou - o método adicionalmente compreende: determinar o esquema da modulação da largura de pulso, em particular com base na velocidade de rotação.

[0011] De acordo com outro aspecto, é fornecido um módulo para determinar um estado de um rolamento de uma máquina elétrica trifásica, a máquina elétrica tendo um rotor, que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, onde o módulo é adaptado para: - determinar uma primeira corrente de fase fornecida à máquina elétrica; - determinar uma segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica, a segunda corrente de fase sendo diferente da primeira corrente de fase; - determinar a densidade espectral de energia do vetor de Park com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase; - determinar uma amplitude da energia em uma frequência predefinida da densidade espectral de energia, onde a frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor e do esquema da modulação de largura de pulso; - comparar a amplitude da energia na frequência predefinida com um valor de energia predefinido; e - determinar, com base na comparação, se ocorreu uma falha do rolamento ou se o rolamento foi degradado.

[0012] Outras modalidades podem referir-se a uma ou mais das seguintes características, que podem ser combinadas em qualquer combinação técnica viável: - a frequência predefinida é determinada com base em um pico principal da densidade espectral de energia do vetor de Park, com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase e na velocidade de rotação do rotor, onde a frequência predefinida está a uma distância de frequência, que depende da velocidade de rotação e é de preferência igual à velocidade de rotação, dos picos principais; - o módulo adicionalmente compreende: determinar o esquema de modulação da largura de pulso, em particular com base na velocidade de rotação; - o módulo é adicionalmente conectado a um primeiro sensor de corrente para medir a primeira corrente de fase e a um segundo sensor de corrente para medir a segunda corrente de fase; e/ou - o módulo é adicionalmente adaptado para receber informação a partir de um controlador sobre o esquema de modulação de largura de pulso aplicado ao inversor ou onde o módulo é adaptado para comandar o controlador para aplicar o esquema de modulação de largura de pulso predeterminado ao inversor.

[0013] De acordo com outro aspecto, é fornecido um veículo, em particular um veículo ferroviário, compreendendo um motor para acionar o veículo e um módulo para determinar o estado de um rolamento de acordo com uma modalidade aqui descrita.

[0014] De acordo com outro aspecto, um sistema é fornecido para determinar um estado de um rolamento de uma máquina elétrica trifásica, a máquina elétrica tendo um rotor, que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, onde o sistema compreende um módulo de detecção de estado de rolamento adaptado para: - determinar uma primeira corrente de fase fornecida à máquina elétrica; - determinar uma segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica, a segunda corrente de fase sendo diferente da primeira corrente de fase; - determinar a densidade espectral de energia do vetor de Park com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase; - determinar uma amplitude da energia em uma frequência predefinida da densidade espectral de energia, onde a frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor e do esquema da modulação de largura de pulso; onde o sistema é adaptado para: - comparar a amplitude da energia na frequência predefinida com um valor de energia predefinido; e - determinar, com base na comparação, se ocorreu uma falha do rolamento ou se o rolamento foi degradado.

[0015] De modo que a maneira pela qual as características citadas acima da presente invenção possam ser entendidas em detalhes, uma descrição mais particular da invenção, resumida acima, pode ser lida por referência a modalidades. Os desenhos em anexo referem-se a modalidades da invenção e são descritos a seguir:

[0016] A Figura 1 mostra esquematicamente a alimentação de energia de uma máquina elétrica com um inversor.

[0017] A Figura 2 mostra o espectro de vibrações de uma máquina elétrica com novo rolamento.

[0018] A Figura 3 mostra o espectro de vibrações de uma máquina elétrica com rolamento consumido.

[0019] A Figura 4 mostra ângulos de comutação exemplificativos de um PWM para uma máquina elétrica.

[0020] A Figura 5 mostra o espectro teórico de uma fase da corrente de alimentação da máquina elétrica, onde o rotor rotaciona a 1250 ciclos por minuto (20,8 Hz).

[0021] A Figura 6 mostra o espectro da abordagem do vetor de Park obtida por fase da corrente de alimentação da máquina elétrica.

[0022] A Figura 7 mostra uma vista ampliada do espectro medido da abordagem do vetor de Park obtida por fase da corrente de alimentação da máquina elétrica com rolamento novo e rolamento usado.

[0023] A Figura 8 mostra esquematicamente um fluxograma de um método de acordo com uma modalidade da invenção.

[0024] A Figura 1 mostra esquematicamente um sistema 1 da alimentação de energia de uma máquina elétrica 3 com um inversor 5. A máquina elétrica 3 é uma máquina elétrica trifásica que é conectada ao inversor 5 através de três linhas 4a, 4b, 4c. Por exemplo, a máquina elétrica 3 é uma máquina de indução. Em outras modalidades, a máquina é uma máquina de ímã permanente ou uma máquina de relutância variável. Por exemplo, a máquina elétrica é usada para dirigir um veículo ferroviário. Assim, a máquina elétrica é operada em diferentes velocidades de rotação.

[0025] O inversor 5 é um inversor trifásico que é conectado a uma fonte de alimentação de corrente contínua (DC) 6 e gera uma corrente AC (corrente alternativa) trifásica. Em uma corrente AC trifásica, cada fase é deslocada em relação às outras fases em um terço do período. As três fases são colocadas através das três linhas 4a, 4b, 4c. O inversor compreende seis conjuntos de díodos e comutadores 8, em particular comutadores de estado sólido 8, por exemplo, comutadores semicondutores. Para cada conjunto, o respectivo diodo e o respectivo comutador são conectados em anti-paralelo.

[0026] O sistema 1 compreende adicionalmente um controlador 7 para controlar o inversor 5. Por exemplo, o controlador 7 controla o fechamento e a abertura dos comutadores 8 para criar a corrente AC para cada uma das fases de acordo com um PWM específico.

[0027] Em uma modalidade, o sistema compreende um sensor de tensão 11 conectado à linha de alimentação DC 6, e ao menos dois sensores de corrente 13, 15, que estão respectivamente conectados a uma das linhas 4a, 4b. Em outras modalidades, os sensores poderiam ser conectados a uma das linhas 4b e 4c ou 4a e 4c. Além disso, opcionalmente, o sistema compreende um sensor 9, que é usado para determinar a velocidade da máquina elétrica 3.

[0028] Os sensores 9, 11, 13 e 15 estão conectados a um módulo de detecção de estado de rolamento 17. Em algumas modalidades, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 determina a velocidade de rotação da máquina elétrica a partir de correntes bifásicas.

[0029] O primeiro sensor de corrente 13 é fornecido para detectar um valor para determinar uma primeira corrente de fase e o segundo sensor de corrente 15 é fornecido para detectar um valor para determinar uma segunda corrente de fase. Por exemplo, o primeiro e o segundo sensor de corrente são, respectivamente, um sensor de efeito Hall ou um transformador de corrente.

[0030] A Figura 2 mostra o espectro de vibrações de uma máquina elétrica com um rolamento não danificado e a Figura 3 mostra o espectro de vibrações de uma máquina elétrica com um rolamento danificado. Um rotor 19 da máquina elétrica 3 rotaciona a 1250 rpm (ciclos por minuto) que corresponde a uma frequência de rotação Frot = 20,8 Hz. Assim, como pode ser visto na Figura 2, quando o rolamento não está danificado, não há pico na frequência de rotação e o múltiplo da frequência de rotação (frequências harmônicas). No entanto, pode haver alguns outros picos. Em contraste, quando o rolamento está danificado, existem, no exemplo, picos no espectro na frequência de rotação Frot e múltiplos inteiros da frequência de rotação. Na Figura 3 estes picos podem ser vistos, por exemplo, em 2 x Frot, 3 x Frot, 4 x Frot e 5 x Frot.

[0031] Quando o consumo de rolamento ocorre, o rotor da máquina elétrica 3 traslada na direção radial de acordo com a taxa do consumo do próprio rolamento. Em outras palavras, a folga de ar entre o rotor 19 e o estator 21 da máquina elétrica 3 varia, em particular, na frequência de rotação. Quando a folga de ar varia, as correntes do estator também são afetadas, à medida que os campos magnético e elétrico também são alterados. Esta mudança nas correntes do estator pode ser medida de acordo com a invenção. Assim, a frequência de rolamento usada / consumida Fdis é criada nas correntes de fase, que podem ser neste exemplo Frot e, preferencialmente, também múltiplos da frequência de rotação.

[0032] Como consequência da estratégia de modulação do inversor, o espectro de corrente de fase da máquina elétrica 3 mostrará que as frequências adicionais (Fadd) da frequência fundamental da frequência de rotação Frot, são injetadas nas correntes de fase com alta amplitude em relação ao ruído do ambiente. Deve-se notar que a frequência fundamental das correntes de fase, no caso de uma máquina de indução, é ligeiramente diferente da frequência de rotação do rotor e depende do deslizamento.

[0033] As frequências adicionais são, no exemplo da Figura 5, a frequência da corrente de alimentação Fsupply, 5 x Fsupply, 7 x Fsupply, 11 x Fsupply e 13 x Fsupply.

[0034] As correntes de fase são combinadas de modo a calcular o vetor de Park. Esta operação produz uma combinação entre as frequências mencionadas acima, isto é, as frequências adicionais e a frequência de rolamento consumida Fdis. Como um resultado, as frequências adicionais são moduladas com a frequência de rolamento consumida Fdis. Em consequência, vários pares de dois picos aparecem nas frequências Fadd - Fdis e Fadd + Fdis. Os dois picos têm amplitudes que dependem da amplitude da frequência adicional Fadd e da amplitude da frequência de rolamento consumida (Fdis). No exemplo mostrado acima, a frequência de rolamento consumida (Fdis) ou a frequência de perturbação corresponde à frequência de rotação Frot.

[0035] De acordo com uma modalidade, uma modulação de largura de pulso é usada para criar as correntes trifásicas. A modulação de largura de pulso (PWM) gera uma pluralidade de pulsos (retangulares) de tensão com um comprimento ou largura variável e sinaliza em resposta à abertura e fechamento dos comutadores 8. Como indutores estão presentes na máquina elétrica 3, por exemplo, nos enrolamentos do estator, a corrente é suavizada para produzir uma corrente senoidal substancial. No entanto, cada corrente de fase não tem uma forma senoidal ideal. Assim, cada corrente de fase apresenta, no espectro de frequências, uma pluralidade de harmônicas, que serão explicados a seguir em relação à Figura 5.

[0036] Para um motor de indução que opera em diferentes velocidades, vários esquemas de PWM ou ângulos de comutação pré-calculados são aplicados para minimizar o conteúdo harmônico e reduzir as perdas harmônicas no motor. De fato, algumas frequências podem perturbar o sistema de sinalização ferroviário ou injetar maiores perdas no motor. Cada PWM ou esquema de ângulos de comutação pré- calculados tem, para as correntes de fase, um espectro predefinido específico de acordo com as frequências que é conveniente reduzir. Normalmente, o espectro depende apenas do PWM aplicado. Em um exemplo, os ângulos de comutação pré- calculados impõem, na tensão de saída do inversor, a simetria do quarto de onda (90°). Em outras palavras, os pulsos de PWM são ativados ou desativados em ângulos de comutação predefinidos, a1, a2, a3, etc. A Figura 4 ilustra os ângulos de comutação de um PWM para uma máquina elétrica.

[0037] Como uma consequência, a análise de Fourier fornecerá apenas componentes senoidais com harmônicas ímpares.

[0038] Com

[0039] Pode-se deduzir que

[0040] Esta é a amplitude da frequência k-múltipla da fundamental (com k igual a 3, 5, 7, 9, etc.).

[0041] Como o sistema pode ter vários graus de liberdade a1, a2, a3, etc. (depende de quantos pulsos pode-se aplicar), poderia ser conveniente impor algumas restrições para eliminar a harmônica (Vk) que produz mais problemas. Por exemplo, em um esquema PWM predefinido, os ângulos de comutação pré-calculados são usados, o que reduz a 5â e a 7â harmônica. Tal esquema de PWM pode ser chamado de Calc3.

[0042] Como um resultado desse esquema de PWM, o conteúdo harmônico da corrente de fase reduziu as frequências harmônicas correspondentes na 5â e 7â, como mostrado na Figura 4 (escala logarítmica). Como os ângulos de comutação pré- calculados reduzem a harmônica em baixas frequências (quanto mais distorcido), altas frequências também são produzidas como consequência (as “frequências adicionais” mencionadas acima). Essas frequências podem ser usadas como frequência de portadora a ser modulada com a perturbação (a perturbação da folga de ar) a fim de medir a amplitude do consumo do rolamento.

[0043] De acordo com a invenção, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 é adaptado para calcular a corrente contínua Id e a corrente de quadratura Iq com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase com a restrição de que, para cada instante, a soma da corrente trifásica é igual a zero. A corrente contínua Id e a corrente de quadratura Iq são ortogonais entre si em um plano complexo e rotacionam com a velocidade do rotor 19. Em outras palavras, a corrente contínua Id e a corrente de quadratura Iq são as correntes de fase da máquina elétrica em um sistema de coordenadas rotativo rotacionando com a velocidade de rotação do rotor 19. Por exemplo, a corrente contínua Id e a corrente de quadratura Iq são calculadas usando uma transformação de quadratura zero direta. A transformação das correntes para a corrente contínua Id e a corrente de quadratura Iq pode incluir uma transformação de Park e uma transformação de Clark. A corrente contínua Id e a corrente de quadratura Iq formam o vetor de Park.

[0044] A Figura 5 mostra o espectro teórico de uma corrente de fase da alimentação para a máquina elétrica, onde um rotor rotaciona a 1250 ciclos por minuto (20,8 Hz). Por exemplo, isto pode ser corrente detectada por um dos sensores 13 ou 15. De acordo com uma modalidade, o espectro é calculado por uma Transformação Rápida de Fourier. Como pode ser visto nos desenhos, o espectro tem vários picos devido à frequência do PWM (Calc3), em particular múltiplos ímpares da frequência de corrente de alimentação Fsupply. No exemplo da Figura 5, a frequência de corrente de alimentação Fsupply tem uma frequência (fundamental) de 63 Hz, que é proporcional à frequência de rotação Frot pelo número de polos do motor. Na Figura 5, a 11â harmônica em 688 Hz = 11 x Fsupply e o 13o harmônica em 814 Hz = 11 x Fsupply tem picos relativamente altos, enquanto a quinta harmônica em 312 Hz = 5 x Fsupply, a sétima harmônica em 438 Hz = 7 x Fsupply são reduzidos pelos ângulos de comutação pré-calculados do exemplo acima do esquema PWM (Calc 3). Se outro esquema de PWM for aplicado, outras harmônicas podem ser os picos mais altos. Essas harmônicas apenas ímpares que têm picos altos são um espectro típico para uma corrente de fase gerada por um PWM no inversor 5, que é, em particular, devido aos ângulos de comutação pré-calculados com 90° de simetria de onda.

[0045] De acordo com uma modalidade, o espectro do vetor de Park é calculado, por exemplo, com base no valor absoluto ou no quadrado do valor absoluto do vetor de Park, em particular | Id + j Iq |2, onde o vetor de Park é Id + jq. Em outras palavras, o valor absoluto ou o quadrado do valor absoluto do vetor de Park é usado para análise espectral.

[0046] Como pode ser visto na Figura 6, que está em escala logarítmica, para o exemplo de uma fonte de alimentação tendo uma frequência fundamental de 63 Hz, a frequência fundamental combina com a harmônica ímpar como segue. A 5â harmônica (312 Hz) + a frequência fundamental (63 Hz) tem a mesma frequência que a 7â harmônica (438) - a frequência fundamental (63 Hz) = 375 Hz, correspondente à 6â harmônica. Além disso, a 11â harmônica (688) e a frequência fundamental (63 Hz) têm a mesma frequência que a 13â harmônica (814 Hz) - a frequência fundamental (63 Hz), correspondente à 12â frequência harmônica em 751 Hz.

[0047] Como pode ser visto, o espectro de energia do módulo ou o quadrado do vetor de Park inclui apenas dois picos principais na faixa de frequência considerada, que são muito maiores do que os picos restantes. Os picos principais têm uma energia muito maior que os picos restantes, por exemplo, ao menos 10 vezes maiores que os picos restantes. A Figura 6 mostra, no espectro, os principais picos a 0 Hz, na 6â harmônica (Flpwm = 375 Hz) e na 12â harmônica (F2pwm = 751 Hz) da frequência fundamental da corrente da fonte de alimentação. Os principais picos são conhecidos de acordo com a velocidade e o esquema PWM aplicado. De acordo com uma modalidade, um esquema PWM é selecionado, o qual tem apenas um número limitado de picos principais na densidade espectral de energia. Um outro critério de seleção pode ser a amplitude do(s) pico(s) principal(ais) e/ou a distância de frequência dos picos principais à frequência fundamental.

[0048] Em algumas modalidades, o controlador 7 é adaptado para informar o módulo de detecção de estado de rolamento 17 sobre o esquema de PWM selecionado. Então, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 determina automaticamente as frequências da frequência de perturbação modulada em torno de um pico principal da densidade espectral de energia.

[0049] Em outras modalidades, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 comanda o controlador 7 para aplicar um esquema de PWM predeterminado, o qual é adequado para a detecção de uma falha do rolamento. Por exemplo, o esquema de PWM é um esquema de PWM normalmente usado para controle de motor. Como explicado acima, se uma frequência específica é aplicada como distúrbio Fdis, por exemplo, devido à vibração mecânica, em particular devido a uma falha do rolamento ou consumo de rolamentos, outras frequências aparecerão na densidade espectral de energia calculada do vetor de Park, ou seja, - um pico na frequência de perturbação Fdis, e - respectivamente, alguns picos de perturbação centrados em torno dos picos principais da densidade espectral de energia do vetor de Park, em particular em F1pwm-Fdis, F1pwm + Fdis, F2pwm-Fdis e F2pwm + Fdis.

[0050] Em outras palavras, os picos principais adicionais do PWM na densidade espectral de energia da corrente de fase podem ser usados para monitorar o estado do rolamento ou uma perturbação.

[0051] A Figura 7 mostra uma vista ampliada da densidade espectral de energia do vetor de Park da máquina elétrica com rolamento novo e consumido. A linha espessa mostra a seção da densidade espectral de energia em torno de um pico principal em F1pwm (375 Hz) onde um rolamento consumido e gerando um ruído na frequência de perturbação Fdis, que corresponde à frequência de rotação Frot do rotor 19. O espectro fino mostra a mesma seção da densidade espectral de energia em torno do pico principal de F1pwm sem uma frequência de perturbação. Assim, pode- se observar que dois picos adicionais com uma distância de frequência a partir do pico maior, que depende da frequência de rotação e é preferencialmente igual à frequência de rotação Frot, são criados em torno da 6â harmônica, quando uma perturbação está presente, que não estão presentes se a máquina elétrica tiver um rolamento não danificado.

[0052] As amplitudes nos picos de perturbação adicionais em F1pwm-Fdis e F1pwm + Fdis dependem da severidade do consumo do rolamento. Assim, os picos adicionais de perturbação em F1pwm-Fdis e F1pwm + Fdis tendem a aumentar ao longo do tempo antes do rolamento da máquina elétrica.

[0053] De acordo com uma modalidade, as amplitudes nos picos de perturbação adicionais são medidas a uma frequência de rotação predeterminada específica Frot da máquina elétrica 3. Por exemplo, no caso da máquina elétrica 3 ser fornecida para acionar um veículo, em particular, um veículo ferroviário, as amplitudes nos picos de perturbação adicionais são medidas a uma velocidade predefinida do veículo. Em algumas modalidades, a velocidade de rotação da máquina elétrica 3 será selecionada dependendo do esquema de PWM usado. Nesses casos, a medição do estado do rolamento será acionada quando o trem atingir a velocidade conveniente para realizar a medição. Além disso, para o esquema de PWM selecionado, a condição é F1pwm + Fdis = F2pwm - Fdis para frequências de rotação específicas da máquina elétrica. Nesse caso, como já detalhado acima, a amplitude de F1pwm + Fdis será somada na amplitude em F2pwm - Fdis, fornecendo mais sensibilidade na medição.

[0054] Em outras palavras, de acordo com algumas modalidades, um esquema de PWM é selecionado, onde a densidade espectral de energia é concentrada em alguns picos e onde o ruído do ambiente não cobre o sinal.

[0055] De acordo com uma modalidade, o módulo de detecção do estado de consumo de rolamento 17 é adaptado para registrar a amplitude nos picos de perturbação adicionais em F1pwm-Fdis e F1pwm + Fdis, em particular com uma estampa de tempo. Em algumas modalidades, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 determina que, se os picos de perturbação adicionais são maiores do que um valor predeterminado, um consumo excessivo de rolamento provavelmente ocorrerá e/ou ocorreu. Por exemplo, se uma falha ou consumo do rolamento provavelmente ocorrer dentro de um período de tempo específico, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 é adaptado para fornecer um alerta.

[0056] Em outra modalidade, o módulo de detecção de estado de rolamento 17 é adaptado para enviar a amplitude nos picos de perturbação adicionais em F1pwm-Fdis e F1pwm + Fdis, em particular com uma estampa de tempo, para um computador em um sítio de manutenção, em particular a um computador central de manutenção. Nesse caso, o computador central de manutenção é adaptado para determinar que, se os picos de perturbação adicionais são maiores do que um valor predeterminado, um consumo excessivo de rolamento provavelmente ocorrerá /ou ocorreu. Por exemplo, se a falha ou consumo do rolamento provavelmente ocorrer dentro de um período de tempo específico, o computador central de manutenção será adaptado para fornecer um alerta. Assim, a manutenção da máquina elétrica pode ser planejada antes que ocorra a falha do rolamento.

[0057] A Figura 8 mostra esquematicamente um fluxograma de um método de acordo com uma modalidade. Em uma primeira etapa 100, a primeira corrente de fase fornecida à máquina elétrica e a segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica são determinadas, por exemplo, medindo as correntes de fase. Em outras modalidades, a velocidade de rotação da máquina elétrica 3 também é medida.

[0058] Na etapa 102; a densidade espectral de energia do vetor de Park é determinada ou calculada, por exemplo, pelo módulo de detecção de estado de rolamento 17 e, em particular, com base na velocidade de rotação da máquina elétrica. Por exemplo, uma transformação de Park, uma transformação de Clark e uma Transformação Rápida de Fourier são usadas para essa finalidade.

[0059] Na etapa 104, uma frequência predefinida da densidade espectral de energia do vetor de Park é selecionada, por exemplo, pelo módulo de detecção de estado de rolamento 17. A frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor 19 e de um pico principal ou máximo predeterminado da densidade espectral de energia do vetor de Park. Por exemplo, como mostrado na Figura 7, o pico em F1pwm é selecionado, ou o pico em F2pwm é selecionado. Em algumas modalidades, o pico selecionado está suficientemente longe da frequência fundamental da corrente de fase e da frequência de rotação do rotor da máquina elétrica 3. Por exemplo, picos principais com uma frequência mais de 4 vezes, em particular, mais de 6 vezes a frequência fundamental Fsupply da corrente de fase são selecionados, em particular, para reduzir um ambiente ruidoso dos picos principais, em particular para um esquema de PWM Calc3. Os picos principais selecionados dependem do esquema de PWM aplicado e são predefinidos dependendo do esquema de PWM aplicado e da frequência fundamental das correntes de fase.

[0060] A frequência predefinida é, por exemplo, a frequência de uma perturbação, em particular à frequência do rotor, modulada na frequência do pico principal predeterminado. Em seguida, um valor de amplitude na frequência predefinida selecionada é lido e, em particular, associado a uma estampa de tempo. Em algumas modalidades, o valor de amplitude, em particular associado com o valor de tempo ou estampa de tempo, é enviado para um computador central de manutenção.

[0061] Então, na etapa 106, a amplitude da energia na frequência predefinida é comparada com um valor de energia predefinido. Por exemplo, a comparação é realizada pelo módulo de detecção de estado de rolamento 17 e/ou pelo computador central de manutenção.

[0062] Em uma modalidade, a energia predefinida pode ser um valor limite. Por exemplo, o valor limite pode ser utilizado para determinar, na etapa 108, que a manutenção da máquina elétrica tem que ser programada se a amplitude da energia na frequência predefinida estiver excedendo o valor limite. Em outras modalidades, a comparação pode ser utilizada para determinar, na etapa 108, se uma falha ocorrerá provavelmente dentro de um período de tempo predeterminado.

[0063] Em outras modalidades, o valor de energia predefinido é a amplitude da densidade espectral de energia na frequência predeterminada de uma máquina elétrica 3 sem uma falha, por exemplo, uma nova máquina elétrica 3. Então, dependendo da relação do valor de amplitude determinado com o valor de energia predefinido, é determinado na etapa 108 se ocorreu uma falha ou ocorrerá provavelmente dentro de um período de tempo predeterminado, por exemplo, no próximo mês.

[0064] De acordo com a invenção, as frequências geradas pela modulação de largura de pulso são usadas como frequência de excitação para detectar uma falha do rolamento e seu consumo. Assim, é possível detectar, sem sensores adicionais, se é uma falha de rolamento e seu uso.

Claims

1. Método para determinar um estado de um rolamento de uma máquina elétrica trifásica (3), a máquina elétrica (3) tendo um rotor (19), que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico (5) para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico (5) sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, o método compreendendo: - determinar uma primeira corrente de fase fornecida à máquina elétrica (3); caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda: - determinar uma segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica (3), a segunda corrente de fase sendo diferente da primeira corrente de fase; - determinar a densidade espectral de energia do vetor de Park da corrente fornecida à máquina elétrica, com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase; - determinar uma amplitude da energia em uma frequência predefinida (F1pwm + Fdis; F1pwm-Fdis, F2pwm + Fdis; F2pwm-Fdis) da densidade espectral de energia, onde a frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor e do esquema de modulação de largura de pulso; - comparar a amplitude da energia na frequência predefinida com um valor de energia predefinido; e - determinar, com base na comparação, se ocorreu uma falha do rolamento ou se o rolamento foi degradado.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a frequência predefinida é determinada com base em um pico principal (F1pwm, F2pwm) da densidade espectral de energia do vetor de Park da corrente fornecida à máquina elétrica, que é baseada na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase, e na velocidade de rotação do rotor (19), em que a frequência predefinida está na densidade espectral de energia a uma distância de frequência, que depende da velocidade de rotação (Frot) e é de preferência igual à velocidade de rotação, a partir do pico principal (F1pwm, F2pwm).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o valor de energia predefinido é a energia determinada para a máquina elétrica com um rolamento não danificado na frequência predefinida da densidade espectral de energia do vetor de Park da corrente fornecida à máquina elétrica com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a primeira corrente de fase e a segunda corrente de fase são determinadas em um primeiro ponto no tempo, onde o valor de energia predefinido é a energia na frequência predefinida da densidade espectral de energia do vetor de Park da corrente fornecida à máquina elétrica com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase determinadas para a máquina elétrica em um segundo ponto no tempo sendo anterior ao primeiro ponto no tempo, em que, em particular, a diferença entre o primeiro ponto no tempo e o segundo ponto no tempo é ao menos um dia, em particular ao menos um mês.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a máquina elétrica trifásica (3) é uma máquina de indução ou uma máquina síncrona.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende: determinar um tempo para manutenção da máquina elétrica (3) com base na comparação.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende: operar a máquina elétrica a uma velocidade de rotação predeterminada do rotor (19).

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende: determinar o esquema de modulação da largura de pulso, em particular, com base na velocidade de rotação.

9. Módulo (17) para determinar um estado de um rolamento de uma máquina elétrica trifásica (3), a máquina elétrica (3) tendo um rotor (19), que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico (5) para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico (5) sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, o módulo sendo adaptado para: - determinar uma primeira corrente de fase fornecida à máquina elétrica (3), caracterizado pelo fato de que o módulo é adicionalmente adaptado para: - determinar uma segunda corrente de fase fornecida à máquina elétrica (3), a segunda corrente de fase sendo diferente da primeira corrente de fase; - determinar a densidade espectral de energia do vetor de Park da corrente fornecida à máquina elétrica, com base na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase; - determinar uma amplitude da energia a uma frequência predefinida (F1pwm + Fdis; F1pwm-Fdis, F2pwm + Fdis; F2pwm-Fdis) da densidade espectral de energia, em que a frequência predefinida depende da velocidade de rotação do rotor e do esquema da modulação de largura de pulso; - comparar a amplitude da energia na frequência predefinida (F1pwm + Fdis; F1pwm-Fdis, F2pwm + Fdis; F2pwm-Fdis) com um valor de energia predefinido; e - determinar, com base na comparação, se ocorreu uma falha do rolamento ou se o rolamento foi degradado.

10. Módulo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a frequência predefinida é determinada com base em um pico principal (F1pwm, F2pwm) da densidade espectral de energia do vetor de Park da corrente fornecida à máquina elétrica, que é baseada na primeira corrente de fase e na segunda corrente de fase, e na velocidade de rotação do rotor (19), e em que a frequência predefinida está na densidade espectral de energia a uma distância de frequência, que depende da velocidade de rotação (Frot) e é de preferência igual à velocidade de rotação, a partir do pico principal (F1pwm, F2pwm).

11. Módulo, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado adicionalmente pelo fato de que é adaptado para determinar o esquema da modulação de largura de pulso, em particular, com base na velocidade de rotação.

12. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o módulo é adicionalmente conectado a um primeiro sensor de corrente para medir a primeira corrente de fase e a um segundo sensor de corrente para medir a segunda corrente de fase.

13. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que o módulo (17) é adicionalmente adaptado para receber informação a partir de um controlador (7) sobre o esquema de modulação de largura de pulso aplicado ao inversor (5) ou em que o módulo (17) é adaptado para comandar o controlador (7) para aplicar o esquema de modulação de largura de pulso predeterminado ao inversor (5).

14. Veículo, em particular veículo ferroviário, caracterizado pelo fato de que compreende um motor para acionar o veículo e um módulo para determinar o estado de um rolamento do tipo definido em qualquer uma das reivindicações 9 a 13.

15. Sistema de alimentação de energia de uma máquina elétrica trifásica (3) que compreende um rolamento, a máquina elétrica (3) tendo também um rotor (19), que é suportado pelo rolamento, a máquina elétrica sendo conectada a um inversor trifásico (5) para fornecer à máquina elétrica energia elétrica, o inversor trifásico (5) sendo controlado para aplicar uma modulação de largura de pulso com um esquema predefinido para criar correntes trifásicas, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende um módulo de detecção de estado de rolamento (17) como definido em qualquer uma das reivindicações 9 a 13.