BR112013029141B1

BR112013029141B1 - método, dispositivo e algoritimo para a monitoração da condição de um sistema eletromecânico

Info

Publication number: BR112013029141B1
Application number: BR112013029141-9A
Authority: BR
Inventors: James Ottewill; Michal Orkisz
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2021-05-25
Also published as: CA2828268A1; US9459088B2; CN103502827B; CA2828268C; AU2012252901B2; BR112013029141A2; EP2523009B1; JP2014516154A; JP5932022B2; WO2012152353A1; ZA201307503B; DK2523009T3; AU2012252901A1; US20140074427A1; CN103502827A; BR112013029141A8; EP2523009A1

Abstract

Método para a monitoração da condição de um sistema eletromecânico, dispositivo para a implementação do método e programa de computador. A presente invenção se refere a um método, um dispositivo e um programa de computador para monitorar a condição de sistemas eletromecânicos em que as máquinas rotativas elétricas são utilizadas e sendo que ao menos um sinal elétrico é medido durante a operação do sistema eletromecânico. O método da invenção compreende as etapas de medir os sinais de corrente e/ou tensão de um sistema eletromecânico, medir uma posição angular de um eixo de rotação de interesse dos sistemas eletromecânicos ou estimar o valor discreto da posição angular de um eixo de rotação de interesse do sistema eletromecânico, sincronizar os sinais de corrente e/ou tensão com o deslocamento angular escalonado do eixo de rotação, dividir os sinais elétricos síncronos em intervalos correspondentes a cada rotação completa do eixo de rotação, calcular a média de um série de intervalos de sinais elétricos síncronos para obter uma sinal elétrico síncrono médio, extrair os dados característicos da magnitude dos valores do sinal elétrico síncrono médio, comparar os dados característicos extraídos da magnitude com um limiar, que é dado como um limiar e (...).

Description

[001] A presente invenção se refere a um método, um dispositivo e a um algoritmo para monitorar a condição de sistemas eletromecânicos em que máquinas rotativas elétricas são utilizadas e sendo que ao menos um sinal elétrico é medido durante a operação do sistema eletromecânico.

Fundamento da invenção

[002] As técnicas de monitoração de condições são regularmente baseadas na medição e subseqüente análise de sinais vibratórios usando transdutores de vibração invólucro montados no gabinete, tais como os acelerômetros. Os principais problemas associados ao uso de transdutores de vibração montados nos gabinetes são relacionados com a sua montagem, na medida em que as vibrações medidas são dependentes do percurso de transmissão a partir da fonte de vibração para o transdutor. Em algumas situações, os detalhes sutis no sinal de vibração podem ser atenuados pelo caminho de transmissão que leva a perdas na indicação, diminuindo a indicação de vibração em relação à condição da máquina. Estes efeitos caminho de transmissão também significam que os transdutores de vibração montados no gabinete são tipicamente permanentemente fixados à estrutura, sendo que pequenas mudanças na posição do transdutor podem resultar em sinais de vibração diferentes sendo registrados. Quando o equipamento está localizado em um ambiente hostil, o desempenho destes transdutores pode degradar ao longo do tempo. Os transdutores de vibração montados no gabinete também são particularmente sensíveis ao ruído ambiental. Apesar dos transdutores de vibração montados no gabinete normalmente não impedirem o funcionamento normal de uma peça de equipamento, em muitos casos, são necessárias disposições especiais para montá-los em uma peça do equipamento. Por exemplo, muitos transdutores de vibração são obrigados a serem montados sobre superfícies planas, junto à fonte de vibração. Em adição, estes transdutores são tipicamente unidirecionais, e os ditos múltiplos transdutores são necessários para obter as informações suficientes para tomar uma decisão confiável em relação à condição de uma peça do equipamento.

[003] Os motores elétricos e geradores elétricos, ou, mais de forma mais genérica, as máquinas elétricas rotativas normalmente formam peças chave dos sistemas eletromecânicos. Nos últimos anos, a análise das correntes que podem ser medidas a partir dos cabos de energia que conectam as máquinas elétricas rotativas na fonte de energia tem se mostrado um método eficaz para a monitoração da condição de sistemas eletromecânicos. Tem sido mostrado que as correntes, que são induzidas em uma máquina elétrica rotativa, sofrem mudanças com as condições de operação, muitas vezes resultando em modulações de amplitude e fase de grandes correntes de alimentação elétrica em corrente alternada (CA). As alterações nas condições operacionais relacionadas com defeitos tais como barras do rotor quebradas ou excentricidade do rotor podem ser relacionadas com a amplitude e freqüência das modulações das correntes de alimentação elétrica. A análise da assinatura da corrente do motor (MCSA) envolve a análise de sinais de corrente medidos no domínio da freqüência, a fim de diagnosticar e indicar a tendência de defeitos em andamento. A MCSA é uma solução atraente, uma vez que é relativamente barata de implementar, e como a máquina elétrica rotativa faz parte do sistema eletromecânico, o método pode ser considerado como não intrusivo. A MCSA tem sido usada principalmente no diagnóstico de falhas de motores elétricos, apesar de também ter sido demonstrado que reage às alterações nas cargas externas, tais como as causadas por defeitos que ocorrem nos componentes mecânicos, tais como rolamentos ou engrenagens.

[004] Normalmente, o espectro de freqüência de um sinal de corrente medido é dominado por meio de uma corrente da alimentação de energia em corrente alternada. O motor elétrico e o sistema mecânico anexado, formando o sistema eletromecânico, provocam modulações da corrente de alimentação elétrica em CA, resultando em faixas laterais que aparecem no espectro de freqüência. Portanto, a corrente de alimentação elétrica CA dominante pode ser interpretada como uma onda portadora. É raro que a fonte de alimentação seja ideal; podem ocorrer modulações de fase e amplitude da corrente de alimentação elétrica em CA, não relacionadas com a condição de operação da máquina. Isto é especialmente verdadeiro em sistemas de acionamento elétrico em que a ação de controle e a modulação de largura de pulso resultará em uma onda portadora da corrente de alimentação elétrica se apresentando como uma forma de onda não estacionária. Do mesmo modo, muitas vezes ocorre o caso em que a carga que atua sobre uma máquina elétrica rotativa pode ser momentânea. A natureza não estacionária da onda portadora da corrente de alimentação elétrica resulta em componentes devido à alimentação de energia aparentar ser distribuída em uma faixa de freqüências. Isto pode aumentar a dificuldade na avaliação da condição de operação de um sistema eletromecânico.

[005] Na patente americana US 54830201, de Linehan e outros, é descrito um método conhecido de lidar com o problema apresentado acima por meio da incorporação de circuitos no sistema de aquisição de dados que alteram a taxa de amostragem dos sinais da corrente medida de acordo com a mudança de freqüência da onda portadora da corrente de alimentação elétrica em CA. Dessa forma, é obtido um conjunto de dados de amostragem contendo apenas as ondas portadoras estacionárias. Por também considerar apenas números inteiros de ondas portadoras, o método garante que, quando convertido para o domínio da freqüência, os componentes em virtude das descontinuidades entre a primeira e última amostra são diminuídos. Dessa forma, é aumentada a facilidade de identificação de componentes no domínio da freqüência, a qual pode ser combinada com defeitos.

[006] Da patente americana US 6993439 B2, de Grosjean, é visto um método conhecido para a conversão de uma forma de onda de corrente medida a partir do domínio do tempo para o domínio espacial. O deslocamento angular do rotor de uma máquina elétrica rotativa é identificado utilizando uma característica em uma forma de onda medida da corrente. Por exemplo, as modulações de amplitude resultantes da comutação do comutador podem ser utilizadas para estimar a posição do rotor de um motor de corrente contínua. A forma de onda da corrente é então normalizada a este deslocamento angular e analisada no domínio da freqüência, permitindo assim que as máquinas elétricas rotativas que não giram em velocidade angular constante sejam analisadas no domínio da freqüência.

[007] O estado da arte descrita acima resulta em métodos de diminuição da variabilidade do espectro de freqüência dos sinais medidos da corrente. No entanto, mesmo quando se considera um sistema eletromecânico operando a uma velocidade angular constante e alimentada por uma fonte de alimentação idealizada, resultando em uma onda portadora de corrente de alimentação elétrica estacionária, as amplitudes das bandas laterais da modulação, causadas pelas condições de operação do sistema eletromecânico, são baixas em relação à onda portadora da corrente de alimentação de energia e suas harmônicas. Isto é particularmente verdadeiro na consideração das falhas que ocorrem no sistema mecânico ao qual a máquina elétrica está conectada. Em adição, a resolução insuficiente dos transdutores utilizados para medir os sinais de corrente pode levar à distorção harmônica. Como resultado, pode ser difícil distinguir os componentes devido à condição de operação do sistema eletromecânico a partir de outros componentes mais dominantes ou a partir dos sinais de ruído devidos ao ruído do transdutor, o ruído fantasma das fontes não constantes ou das vibrações transitórias que ocorrem no ambiente da máquina elétrica rotativa.

Síntese da invenção

[008] A presente invenção fornece um método para a monitoração da condição de um sistema eletromecânico e um dispositivo para implementar o método de acordo com o método da invenção. A presente invenção fornece também um algoritmo para monitorar a condição de sistemas eletromecânicos, o dito algoritmo é passível de ser carregado e executado em uma unidade de processamento de dados de dispositivo de computação e o dito algoritmo realiza, quando está sendo executado pela unidade de processamento de dados do dispositivo de computação, o método de acordo com as reivindicações de 1 a 3.

[009] A invenção apresentada muitas vantagens sobre os métodos existentes de monitoração da condição, tal como os descritos acima. Através do uso, tanto de sinais medidos do deslocamento angular, obtidos a partir de transdutores de deslocamento angular existentes, como, quando estes não estão disponíveis, com base nas as medições da tensão e corrente elétrica do motor, o sistema pode ser considerado como não invasivo. Em adição, a influência dos fatores relacionados com a montagem de transdutores, tais como os efeitos do caminho de transmissão ou a necessidade de acesso aos elementos do sistema eletromecânico ser reduzida.

[0010] Os sinais medidos de tensão e corrente do motor elétrico são sincronizados com o deslocamento angular de um eixo do sistema eletromecânico antes de serem re- amostrados em valores de deslocamento angular discretos, dentro do intervalo entre zero a 2π, que são determinados pelo usuário. Considerando tal valor de deslocamento angular discreto do eixo do sistema eletromecânico, e assumindo que o dito eixo completou mais do que uma rotação completa, este processo anterior resultará em uma série de valores de correntes e/ou tensão do motor elétrico todos sincronizados àquele dito deslocamento angular discreto. A quantidade de valores de corrente e/ou tensão do motor elétrico contida nesta série se refere ao número de rotações completas do eixo do sistema eletromecânico. Ao tomar o valor médio da série de valores de corrente e/ou tensão do motor elétrico sincronizados com o valor de deslocamento angular discreto, pode ser diminuída a influência do ruído e dos componentes periódicos não relacionados com o eixo ao qual os sinais medidos de tensão e corrente foram sincronizados. Através da realização da mesma operação de cálculo da média para cada um dos valores de deslocamento angular discretos considerados do eixo do sistema eletromecânico, pode ser criada uma média síncrona dos sinais elétricos compreendidos da média dos valores de corrente e/ou tensão do motor elétrico que ocorrem em cada valor de deslocamento angular considerado. A média síncrona dos sinais elétricos consiste dos componentes dos sinais medidos de corrente e tensão do motor elétrico, que se repetem periodicamente a cada rotação completa do eixo do sistema eletromecânico. Na medida em que muitas alterações na condição de operação de um sistema mecânico rotativo resultam em alterações nos sinais de corrente e tensão do motor elétrico que se repetem de rotação para rotação, a média síncrona resultante dos sinais elétricos irá incorporar uma grande quantidade de informações para avaliar a condição de uma máquina. A invenção também permite a monitoração precisa da condição dos dispositivos eletromecânicos, mesmo quando o eixo de dita máquina não girar a uma velocidade angular constante.

[0011] A presente invenção também é vantajosa em relação aos métodos existentes descritos anteriormente, uma vez que permite que sejam utilizados transdutores de baixa resolução para medir os valores de corrente e tensão do motor elétrico. Os sinais medidos de tensão e corrente do motor elétrico serão mais ou menos quantificados em função da resolução do transdutor. Os resultados do nível de quantização do transdutor resultam em um sinal digital com resolução limitada sendo registrado. Considere mais uma vez a série de valores de corrente e/ou tensão do motor elétrico que tem sido todos sincronizados a um, o valor de deslocamento angular discreto. Como comentado anteriormente, a quantidade de valores de corrente e/ou tensão do motor elétrico que compreendem a série se relacionará com o número de rotações completas do eixo do sistema eletromecânico. É assumido que os sinais mensuráveis de tensão e corrente do motor elétrico consistem de um sinal subjacente, que contém as informações relativas à condição de operação do sistema eletromecânico, sobreposta com ruído que ocorre naturalmente, que pode ser descrito por uma função de Gauss de média zero. À medida que o número de rotações completas do eixo do sistema eletromecânico tende ao infinito, a proporção dos valores medidos de tensão e/ou corrente do motor registrados em níveis discretos acima do sinal subjacente aos registrados em níveis discretos abaixo do sinal subjacente será igual à proporção das distâncias entre os dois níveis discretos do transdutor e o valor subjacente. Assim, através da realização da operação descrita anteriormente, o valor médio resultante tenderá ao valor subjacente conforme o valor do número de rotações completas tenda ao infinito. Assim, estendendo este resultado a todos os valores de deslocamento angular discretos considerados do eixo do sistema eletromecânico, a média síncrona fornecida dos sinais elétricos tenderá ao sinal subjacente, contendo as informações relativas à condição de operação do sistema eletromecânico, que se repete periodicamente com cada rotação completa do eixo do sistema eletromecânico. Como resultado deste aumento da precisão e da diminuição associada na influência do ruído, a presente invenção é mais sensível às pequenas alterações na condição de operação de um dispositivo eletromecânico do que as invenções de análise de corrente existentes. Breve descrição dos desenhos - a figura 1 é uma imagem de um sistema de compressor eletromecânico juntamente com a vista esquemática do dispositivo que pode ser utilizado na implementação da presente invenção; - a figura 2 é um gráfico da sinal discreto de amplitude da corrente do estator WD, no domínio do tempo (WD apresenta unidades de ampéres [A]); - a figura 3 é um gráfico de um sinal discreto de deslocamento angular 0D e um sinal discreto de deslocamento angular Z-0Descalonado, em radianos em relação ao tempo; - a figura 4 é um gráfico do sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD, em relação ao deslocamento angular, em radianos, que é conseguido através da sincronização do sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD com o sinal discreto de deslocamento angular Z-8D escalonado; - a figura 5 é um gráfico de um sinal discreto da amplitude da corrente re- amostrada YD em relação ao deslocamento angular, em radianos. - a figura 6 é um gráfico do sinal discreto da amplitude da corrente re-amostrada YD em relação ao deslocamento angular, em radianos, com anotações adicionais que detalham o processo de divisão do sinal discreto da amplitude da corrente re-amostrada YD dentro de intervalos M de comprimento igual a N; - a figura 7 é um gráfico da média síncrona dos sinais elétricos Y em relação ao deslocamento angular, em radianos; e - a figura 8 apresenta um diagrama das operações realizadas para monitorar a condição do sistema eletromecânico de acordo com a presente invenção.

Descrição detalhada da invenção

[0012] Com referência à figura 1, é apresentado um exemplo de aplicação da presente invenção e o dispositivo da presente invenção para o diagnóstico da condição de operação de um sistema eletromecânico do compressor. Um motor elétrico assíncrono trifásico 1 é utilizado para acionar uma engrenagem de redução 2 de dois estágios. A saída da engrenagem é conectada através de um eixo 3 a um compressor 4. Montado sobre o eixo 3 se encontra um transdutor de deslocamento angular 5, o qual pode ser utilizado para medir o deslocamento angular do eixo. Um sensor, ou um grupo de sensores, que são aptos para medir as velocidades ou acelerações do eixo 3, não apresentados nos desenhos, podem ser utilizados no lugar do transdutor de deslocamento angular 5. Em aplicações onde é importante acompanhar os deslocamentos angulares, velocidades ou acelerações, como em compressores, é normal instrumentar um sistema com transdutores que convertem as posições angulares tanto em sinais eletrônicos analógicos quanto digitais. O motor elétrico assíncrono trifásico 1, a engrenagem de redução de duas fase 2, o eixo 3, e o compressor 4 e, se presente, o transdutor de deslocamento angular 5, em conjunto, compreendem o sistema eletromecânico 6. Se um transdutor de deslocamento angular 5 ou sensor de fato fizer parte do sistema eletromecânico 6, então, ele é utilizado na aplicação da presente invenção. No entanto, também é possível aplicar a invenção se o dito transdutor do sensor 5 não fizer parte do sistema eletromecânico 6. O dispositivo de alimentação de energia elétrica 7 fornece a corrente alternada de três fases para o motor elétrico assíncrono 1 por meio dos cabos de alimentação de energia 8. O transdutor de deslocamento angular 5 (se presente) é conectado a uma das entradas na unidade de condicionamento de sinal 9. Uma ou mais saídas dos dispositivos de medição de corrente 10, e/ou dispositivos de medição de tensão 11 é(são) conectada(s) com as outras entradas da unidade de condicionamento de sinal 9. Os dispositivos de medição de corrente 10 e os dispositivos de medição de tensão 11 são conectados a cada uma das fases a, b, c do dispositivo de alimentação de energia elétrica 7. A unidade de condicionamento de sinal 9 é conectada a um dispositivo computacional 12, com uma unidade de processamento de dados 13 e o módulo de comunicação 14. Na unidade de processamento de dados 13 são implementados um módulo de armazenamento de dados 15 e um módulo de cálculo da média síncrona 16. Alguns outros módulos que são necessários para o processamento e cálculo de dados, não apresentados no desenho, também são implementados no processador. Em adição, o dispositivo computacional 12 contém as memórias RAM e ROM, que também não são apresentadas no desenho. O dispositivo computacional 12 é conectado a uma unidade de saída 17, na qual os resultados da monitoração da condição são apresentados ao usuário. A unidade de saída 17 pode ser um monitor, uma impressora ou qualquer dispositivo útil para a apresentação dos resultados da invenção.

[0013] O método da invenção é implementado de acordo com as etapas 20 a 32 a seguir, mostrados na figura 8.

Etaoa 20

[0014] Com referência à rede eletromecânica mostrada na figura 1, na etapa 20, os sinais analógicos da corrente Ia, Ib, Ic da corrente alterna que alimenta o enrolamento do estator para ao menos uma dentre as fases do motor elétrico assíncrono trifásico são medidos utilizando um dos dispositivos de medição de corrente 10, e/ou pelo ao menos uma das fases do sinal analógicos de tensão Ua, Ub, Uc que alimentam o motor elétrico assíncrono trifásico 1 é medida usando os dispositivos de medição de tensão 11. Os sinais elétricos analógicos medidos c que assumem as formas de onda analógica são posteriormente alimentados na unidade de condicionamento de sinal 9. Se um transdutor de deslocamento angular 5 for utilizado no sistema eletromecânico 6, então um sinal θ de deslocamento angular do eixo 3 será medido e alimentado na unidade de condicionamento de sinal 9.

Etapa 21

[0015] Na próxima etapa, 21, os sinais elétricos analógicos medidos Ia, Ib, Ic, Ua, Ub, Uc, são convertidos em sinais elétricos discretos IaD, IbD, ICD, UaD, UbD, UCD, respectiva mente. Em adição, se um sinal θ de deslocamento angular for medido na etapa 20, então será alimentado na unidade de condicionamento de sinal 9 e convertido em um sinal discreto 0D de deslocamento angular. A unidade de condicionamento de sinal 9, que geralmente assume a forma de um conversor analógico-digital é fornecido com um conjunto de parâmetros PI constante, que caracterizam o processo de conversão das formas de onda analógicas para os sinais discretos, mais especifica mente a taxa de amostragem Fs e a duração do sinal submetido à conversão TL. A taxa de amostragem Fs, que define o número de amostras colhidas por segundo, pode assumir qualquer valor, mas uma taxa mínima típica é de 1 kHz, e esta é a configuração padrão. A duração do sinal TL define a duração dos sinais elétricos analógicos medidos LD, IbD, ICD, UaD, UbD, UCD, para que a conversão analógico-digital seja aplicada. Na forma de realização do método da invenção, o valor mínimo da duração do sinal TL é de 1 segundo. Considerando o sinal discreto de corrente das fases do motor elétrico assíncrono trifásico 1, a corrente IaD consiste do valor da corrente iak de k amostras consecutivas, que variam da primeira amostra, k = 1, para k = L, na qual Léo número de amostras contidas no sinal. Os outros sinais elétricos discretos IbD, ICD, UaD, UbD, UCD também podem ser descritos de forma análoga. Se um sinal θ de deslocamento angular foi alimentado na unidade de condicionamento de sinal 9, ele será convertido para o sinal discreto 0D de deslocamento angular, que consiste no valor 0k de deslocamento angular das k amostras consecutivas a partir da primeira amostragem, k = 1, à k = L. O processo de conversão é bem conhecido na arte. Os sinais elétricos discretos LD, IÓD, ICD, UaD, UbD, UCD e, se disponível, o sinal discreto 0D de deslocamento angular, são automaticamente transmitidos para o dispositivo computacional 12 via o módulo de comunicação 14 e armazenados no módulo de armazenamento de dados 15 da unidade de processamento de dados 13.

Etapa 22

[0016] Na etapa 22, o dispositivo computacional 12 é alimentado com um conjunto de parâmetros P2 constante que são armazenados no módulo de armazenamento de dados 15 da unidade de processamento de dados 13. O conjunto de parâmetros P2 constante consiste da quantidade desejada de médias Mmput a ser realizada, a quantidade N de pontos de amostragem para cada rotação completa do eixo 3 do sistema eletromecânico 6, um valor de alerta de limiar X e um fator de escalonamento constante Z. Em muitos casos, o fator de escalonamento constante Z descreve um relacionamento entre os deslocamentos angulares de dois veios interconectados. Por exemplo, e com referência à caixa de redução de duas fases 2 da forma de realização de exemplo, através da configuração do fator de escalonamento constante Z para um valor igual à relação da engrenagem entre a engrenagem conectada ao eixo 3, e uma engrenagem engrenada no eixo secundário (lay shaft) da caixa de redução de duas fases 2 (não mostrado na figura 1) é possível utilizar o método da invenção para diagnosticar a condição de operação dos componentes montados no eixo secundário. Na unidade de processamento de dados 13 do dispositivo computacional 12, os sinais elétricos discretos LD, IÒD, ICD, UaD, UbD, UCD são combinados para formar as estimativas das intensidades do sistemas eletromecânicos, como os fasores espaciais de corrente, os fasores espaciais de tensão, o torque eletromagnético desenvolvido do motor elétrico assíncrono trifásico 1 ou um fluxo eletromagnético desenvolvido do motor elétrico assíncrono trifásico 1. Na forma de realização de exemplo da presente invenção, apenas os sinais discretos de corrente LD, IbD, ICD, são combinados para formar um sinal discreto complexo do fasor espacial da corrente do estator ΦDde acordo com a fórmula:

[0017] O valor absoluto do sinal discreto complexo do fasor espacial da corrente do estator ΦD forma um sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD, dado como:

[0018] A figura 2 é um gráfico do sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD, no domínio do tempo. Como conseqüência de ser formado de sinais elétricos discretos IaD, IbD, ICD, UaD, UbD, UCD, o sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD consiste do valor da amplitude da corrente do estator Wk de k amostras consecutivas variando da primeira amostragem, k = 1, à k = L, na qual L é a duração da amostragem. Na forma de realização descrita, WD apresenta as unidades de ampéres, [A]. Os especialistas no estado da arte irão reconhecer que existem diversas intensidades do sistema eletromecânico que podem ser calculadas por meio de sinais elétricos discretos IaD, IbD, ICD, UaD, UbD, UCD e que deve ser compreendido que o sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD, que é utilizado nos passos subseqüentes, pode ser substituído por outras estimativas das intensidades do sistema eletromecânico, sem ser afastar do escopo da invenção, conforme definido nas reivindicações. Se os parâmetros do motor elétrico assíncrono trifásico 1 forem necessários na estimativa de determinadas intensidades do sistema eletromecânico, então estes serão incluídos no conjunto de parâmetros P2 constante que são alimentados no dispositivo computacional 12 e armazenado no módulo de armazenamento de dados 15 da unidade de processamento de dados 13. Retornando à forma de realização de exemplo, em adição aos sinais elétricos discretos IaD, IbD, ICD, UaD, UbD, UCD e, caso esteja disponível, o sinal discreto do deslocamento angular 3D, O sinal discreto da amplitude da corrente WD, calculado na etapa 22, será utilizado nos passos subseqüentes.

Etaoa 23

[0019] Na etapa 23, é verificada a presença de um sinal discreto do deslocamento angular 3D dentro dos dados transmitidos para o módulo de armazenamento de dados 15 da unidade de processamento de dados 13. Se todos os dados necessários, ou seja, o sinal discreto da amplitude da corrente WD e sinal discreto do deslocamento angular 3D estiverem presentes, em seguida, a etapa 25 é realizada. Se o sinal discreto do deslocamento angular 3D estiver ausente entre os dados transmitidos para a unidade de processamento de dados 13, em seguida, na etapa 24 será realizado um processo de cálculo de uma estimativa do deslocamento angular θDEst do rotor da motor elétrico assíncrono trifásico 1.

Etapa 24

[0020] Na etapa 24, na unidade de processamento de dados 13, uma estimativa do deslocamento angular θDEst do rotor do motor elétrico assíncrono trifásico 1 é calculada com base nos sinais elétricos discretos IaD, IbD, ICD,UaD, UbD, UCD. OS especialistas no estado da arte reconhecerão que existem muitas maneiras de estimar a velocidade angular do rotor de uma máquina elétrica rotativa a partir dos sinais elétricos medidos. Diversos métodos para estimar a primeira derivada temporal do ângulo do rotor elétrico de uma máquina elétrica são descritos por Peter Vas em "Controle direto de torque e vetor sem sensores"(Sensoriess vedor and dired torque control}(Editora da Universidade de Oxford, Reino Unido, 1998, ISBN 978-0-19-856465-2). Uma estimativa do deslocamento angular mecânico do rotor da máquina elétrica rotativa é obtida por meio de integração numérica da primeira derivada temporal do ângulo do rotor elétrico da máquina elétrica utilizando métodos conhecidos, e em seguida, multiplicando o sinal resultante pelo número de pares de pólos do motor elétrico assíncrona trifásico 1. Se necessário, a estimativa do deslocamento angular mecânico do rotor da máquina elétrica rotativa é re- amostrado utilizando métodos conhecidos, de modo que a estimativa resultante do deslocamento angular θDEst é sincronizado com o sinal discreto da amplitude da corrente WD. O 0DEst consiste do valor estimado do deslocamento angular θkEst de k amostras consecutivas a partir da primeira amostragem, k = 1, à k = L. Se a etapa 24 for determinada, em seguida, a estimativa do deslocamento angular θDEst será utilizada nas etapas subseqüentes. Como os ditos dados estimados são muito semelhantes a um conjunto de dados medidos equivalente, é conveniente assumir que 0D = θDEst e, por razões de simplificação, apenas o símbolo 0D será usado na descrição das etapas subseqüentes. Um resultado da utilização desta funcionalidade é que a metodologia mantém o seu atributo de ser não invasiva.

Etapa 25

[0021] Na etapa 25, no módulo de calculo de média síncrona 16, o fator de escalonamento constante Z é assumido a partir do conjunto de parâmetros constante P2 que é armazenado no módulo de armazenamento de dados 15. O sinal discreto de deslocamento angular 0D é multiplicado pelo fator de escalonamento constante Z. O resultado da multiplicação do sinal discreto do ângulo de deslocamento 3D pelo fator de escalonamento constante Z é um sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D. O Z-0D consiste do valor estimado de deslocamento angular Z-0k, de k amostras consecutivas a partir da primeira amostragem, k = 1, à k = L. Na figura 3, o sinal discreto de deslocamento angular 3D original é mostrado em um domínio do tempo como uma linha sólida, enquanto que a linha tracejada mostra o sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D, no qual o fator de escalonamento constante Z apresenta um valor que representa a relação saída para entrada da caixa de engrenagens 2.

Etapa 26

[0022] Como tanto o sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D quanto o sinal discreto da amplitude da corrente do estator WD são compostos de valores amostrados nos mesmos pontos no tempo, é possível sincronizar o sinal discreto da amplitude da corrente WD com o sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D. Portanto, é possível mostrar o sinal discreto da amplitude da corrente WD em relação ao deslocamento angular, 0, em radianos, conforme é mostrado na figura 4. Na etapa 26, no módulo de cálculo da média síncrona 16, o sinal discreto da amplitude da corrente WD, que foi sincronizado com o sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-3D, é re- amostrado em posições angulares resultando no vetor de re-amostragem 0R. O vetor re- amostragem 0R consiste dos valores de deslocamento angular 3R,P resultando como:

na qual M é o número de médias a serem realizada, obtido a partir do cálculo:

[0023] Na qual o número de médias a serem realizadas Meo número de pontos de amostragem N para cada rotação completa do eixo 3 do sistema eletromecânico 6 são tomados a partir do conjunto de parâmetros constante P2 que é armazenado no módulo de armazenamento de dados 15. Note que este processo requer que o número desejado de médias a serem realizadas Mmput pelo usuário na etapa 22 seja menor do que o número total de rotações completas do sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D. Se o usuário tiver inserido um número maior do que o número total de rotações completas do sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D então o número de médias a serem realizadas M será limitado ao número total de rotações completas do sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D de acordo com o cálculo (4). A re-amostragem do sinal discreto da amplitude da corrente WD nas posições angulares que resultam no vetor de re-amostragem 0R é conduzida utilizando técnicas conhecidas. O sinal discreto da amplitude da corrente YD re-amostrado resultante consiste dos valores da amplitude da corrente do estator yp re-amostrado em p amostras consecutivas a partir da primeira amostra, p = 1, à p = M-N, na qual M éa quantidade de médias a serem realizadas e n é a quantidade de pontos de amostragem para cada rotação completa. O sinal discreto da amplitude da corrente YD re-amostrado é utilizado nas etapas subseqüentes. Na figura 5 o sinal discreto da amplitude da corrente YD re-amostrado é o resultado de uma nova amostragem do sinal discreto da amplitude da corrente WD em intervalos lineares do sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-0D;

Etapa 27

[0024] Na etapa 27, no módulo de calculo de média síncrona 16, o sinal discreto da amplitude da corrente YD re-amostrado é dividido em M intervalos consecutivos, cada uma contendo N amostras consecutivas, permitindo assim que os valores da amplitude da corrente do estator re-amostrados yp sejam escritos como ym,n, na qual n são as amostras consecutivas a partir den = làn = Nemsãoos intervalos consecutivos que variando de m = 1 à m = M. A figura 6 é um gráfico sinal discreto da amplitude da corrente YD re- amostrado em relação ao deslocamento angular, em radianos, com anotações adicionais que detalham o processo de divisão do sinal discreto de amplitude da corrente YD re- amostrado em M intervalos de duração igual a N.

Etaoa 28

[0025] Na etapa 28, no módulo de cálculo de média síncrona 16, a média síncrona dos sinais elétricos Y é calculada. A média síncrona dos sinais elétricos Y consiste de n valores médios dos sinais elétricos y„ calculados usando:

[0026] Portanto, a média síncrona dos sinais elétricos Y pode ser calculada como:

[0027] A média síncrona dos sinais elétricos Y é amostrada em intervalos lineares de deslocamento angular no intervalo de zero a dois π de acordo com o cálculo:

na qual 0n é o valor discreto do deslocamento angular no ponto de amostragem n. A figura 7 é um gráfico da média síncrona dos sinais elétricos Y em relação ao deslocamento angular, em radianos.

Etaoa 29

[0028] Na etapa 29, no módulo de cálculo da média síncrona 16, uma curtose S da média síncrona dos sinais elétricos Y é calculada de acordo com a fórmula:

[0029] O valor da curtose S da média síncrona dos sinais elétricos Y, resulta em uma medida da magnitude de grandes desvios localizados na média síncrona dos sinais elétricos Y, que podem ser causados por defeitos localizados, tais como a quebra de dente ou corrosão nos dentes da engrenagem. Os especialistas na arte irão apreciar que existem muitas metodologias de processamento de sinal diferentes disponíveis para a extração de informações a partir da média síncrona dos sinais elétricos Y, que variam dentre métricas de domínio do tempo, análises espectrais ou análises tempo-freqüência, que podem ser substituídas para a operação de curtose dada nesta etapa, sem alterar de forma significativa o escopo da presente invenção.

Etaoa 30

[0030] Na etapa 30, no módulo de cálculo da média síncrona 16, o valor de limiar X é tomado a partir do conjunto de parâmetros constantes P2, que é armazenado no módulo de armazenamento de dados 15. Um valor típico para o valor de limiar X é 3,5. Se o valor da curtose S da média síncrona dos sinais elétricos estiver abaixo do valor de limiar X, então a curtose S da média síncrona dos sinais elétricos, bem como a média síncrona dos sinais elétricos Y é indicada ao usuário através da unidade de saída 17 na etapa 32. Se o valor da curtose S da média síncrona dos sinais elétricos estiver acima do valor de limiar X, em seguida, em adição à curtose S da média síncrona dos sinais elétricos e à média síncrona dos sinais elétricos Y, um aviso também será indicado para o usuário através da unidade de saída 17 na etapa 31.

Etapa31

[0031] Na etapa 31, a média síncrona dos sinais elétricos Y, a curtose S e o alerta obtido na etapa 30 são automaticamente fornecidos ao usuário através da unidade de saída 18, utilizando métodos conhecidos.

Etaoa32

[0032] Na etapa 32 a média síncrona dos sinais elétricos Y e a curtose S são automaticamente fornecidas ao usuário através da unidade de saída 18, utilizando métodos conhecidos. Em adição, o método da invenção é reiniciado na etapa 20. Nomenclatura Símbolo Nome a, b, c fases do dispositivo de alimentação de energia elétrica Ia, Ib, Ic sinais analógicos de corrente Ua, Ub, Uc sinais analógicos de tensão Θ sinal de deslocamento angular IaD, IbD, IcD, UaD, UbD, UcD sinais elétricos discretos θD sinal discreto de deslocamento angular P1 parâmetros constantes que caracterizam o processo de conversão de formas de onda analógica para sinais discretos Fs taxa de amostragem Duração do sinal submetido à conversão Ía,k valor da corrente no ponto de amostragem k L Quantidade de amostras contidas no sinal θk valor de deslocamento angular no ponto de amostragem k P2 conjunto de parâmetros constantes alimentados no dispositivo computacional 12 M input quantidade desejada de médias a serem realizadas N quantidade de pontos de amostragem para cada rotação completa do eixo 3 do sistema eletromecânico X valor de alerta de limiar z fator de escalonamento constante ΦD sinal discreto de fasor espacial complexo da corrente do estator WD sinal discreto da amplitude da corrente do estator Wk valor da amplitude da corrente do estator no ponto de amostragem k A Ampéres (unidades de WD) θDEst estimativa do deslocamento angular do rotor da motor elétrico assíncrono trifásico 1 OkEst valor de deslocamento angular estimado no ponto de amostragem k Z- 0D sinal discreto de deslocamento angular escalonado Z-θk, valor de deslocamento angular estimado no ponto de amostragem k 0R vetor de re-amostragem 0R,p valores de deslocamento angular ( que compreendem o vetor de re-amostragem 0R) no ponto de amostragem p M quantidade de medias a serem realizadas YD sinal discreto da amplitude da corrente re-amostrada YP valores da amplitude da corrente do estator re-amostrados no ponto de amostragem p ym,n valores da amplitude da corrente do estator re-amostrados no ponto de amostragem n no intervalo m Y média síncrona dos sinais elétricos yn valores médios dos sinais elétricos de amostragem n s curtose da média síncrona dos sinais elétricos Y

Claims

1. Método para a monitoração da condição de um sistema eletromecânico, caracterizado por compreender as etapas de: - medir os sinais de corrente e/ou tensão de um sistema eletromecânico, - medir uma posição angular de um eixo de rotação de interesse dos sistemas eletromecânicos ou estimar o valor da posição angular discreta de um eixo de rotação de interesse do sistema eletromecânico, - sincronizar os sinais de corrente e/ou tensão para o deslocamento angular escalonado do eixo de rotação, - dividir os sinais elétricos síncronos em intervalos correspondentes a cada rotação completa do eixo de rotação, - calcular a média de uma quantidade de intervalos de sinais elétricos síncronos para obter um sinal elétrico síncrono médio, - extrair os dados característicos da magnitude dos valores do sinal elétrico síncrono médio, - comparar os dados característicos extraídos da magnitude com um limiar, que é dado como um limite, e - indicar um alarme para o usuário quando o limiar é excedido.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o cálculo da média dos M intervalos dos sinais elétricos síncronos correspondem a M rotações completas, a fim de obter uma média síncrona dos sinais elétricos (Y), que consiste de M valores médios dos sinais elétricos y* é feito pela fórmula:

na qual ym,n representa os valores de sinais elétricos síncronos no ponto de amostragem n no intervalo m, o parâmetro N é a quantidade de pontos de amostragem para cada rotação completa do eixo do sistema eletromecânico, M é a quantidade de médias a serem realizadas.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a curtose S da média síncrona dos sinais elétricos representam os dados característicos da magnitude dos valores do sinal elétrico síncrono médio e é calculado de acordo com a fórmula:

4. Dispositivo para a monitoração da condição de um sistema eletromecânico, para a realização do processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por compreender: - meios para medir os sinais de corrente e/ou tensão de um sistema eletromecânico, - meios para medir uma posição angular de um eixo de rotação de interesse dos sistemas eletromecânicos ou meios para estimar o valor da posição angular discreta de um eixo de rotação de interesse do sistema eletromecânico, - meios para sincronizar os sinais de corrente e/ou tensão a um deslocamento angular escalonado do eixo de rotação, - meios para dividir os sinais elétricos síncronos em intervalos correspondentes a cada rotação completa do eixo de rotação, - meios para calcular a média de uma série de intervalos de sinais elétricos síncronos, - meios para extrair dos valores da média dos sinais elétricos síncronos, os dados da característica da magnitude, e comparar os dados característicos extraídos da magnitude com um limiar, que é dado como um limite, - meios para comparar os dados característicos extraídos da magnitude com um limiar, que é dado como um limite, e - meios para indicar um alarme para o usuário quando o limiar é excedido.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os meios para sincronizar os sinais de corrente e/ou tensão a um deslocamento angular escalonado do eixo de rotação, os meios para dividir os sinais elétricos síncronos em intervalos correspondentes a cada rotação completa do eixo de rotação, os meios para calcular a média de uma série de intervalos de sinais elétricos síncronos, os meios para extrair a partir dos valores da média dos sinais elétricos síncronos, os dados característicos da magnitude, e a comparação dos dados característicos extraídos da magnitude com um limiar, que é dado como um limite, são implementados em um módulo de cálculo de média síncrona (16) de um dispositivo computacional (12).

6. Algoritmo para a monitoração da condição de um sistema eletromecânico, o dito algoritmo sendo passível de ser carregado e executado em uma unidade de processamento de dados (13) de um dispositivo computacional (12), e o dito algoritmo sendo caracterizado por realizar, quando está sendo executado pela unidade de processamento de dados do dispositivo computacional, o método conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3.