ES2317727A1 - Predictive detector of faults in rotary machines (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Detector predictivo de faltas en máquinas eléctricas rotativas.Predictive detector of machine faults Rotating electric
El sistema objeto de la presente invención permite conocer el estado de salud de una máquina eléctrica en tiempo real, mediante la medida de la corriente de estátor y la detección de deterioros que pueden desembocar en un futuro mal funcionamiento de éste. La detección del fallo se realiza analizando patrones espectrales característicos del fallo que se presentan en la corriente de estátor mediante un banco digital de filtros sintonizables. El método seguido para la detección permite establecer la aparición del fallo antes de que éste pueda adquirir dimensiones catastróficas para el funcionamiento de la máquina eléctrica.The system object of the present invention allows to know the state of health of an electric machine in real time, by measuring the stator current and the deterioration detection that can lead to a bad future operation of this one. Failure detection is performed by analyzing characteristic spectral patterns of the failure presented in the stator current through a digital filter bank tunable The method followed for detection allows establish the appearance of the failure before it can acquire catastrophic dimensions for machine operation electric
El sistema cuenta con un sensor de efecto Hall, acondicionamiento de señal, un banco de filtros digitales sintonizables y elementos de interfaz hombre-máquina y máquina-máquina que le permiten interactuar con operarios y/u otros sistemas.The system has a Hall effect sensor, signal conditioning, a bank of digital filters tunable and man-machine interface elements and machine-machine that allow you to interact with Operators and / or other systems.
La presente invención tiene antecedentes cuyo desarrollo en las siguientes áreas han contribuido a la invención propuesta:The present invention has a background whose development in the following areas have contributed to the invention proposal:
1.- Teoría de detección de anomalías en el
funcionamiento de máquinas eléctricas rotativas. La teoría de
detección de anomalías viene descrita ampliamente en el libro
"PARAMETER ESTIMATION, CONDITION MONITORING, AND DIAGNOSIS OF
ELECTRICAL MACHINES" (editorial CLARENDON PRESS, 1993) cuyo autor
es PETER VAS. Las técnicas de medida de los parámetros se basan en
medidas tanto invasivas como no invasivas empleando filtrados en
tiempo diferido. Una referencia más reciente se encuentra en
"Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical
Motors-A Review" (Energy Conversion, IEEE
Transactions on Volume 20, Issue 4, Dec. 2005
Page(s):
719-729) de Nandi, S.;
Toliyat, H.A.; Li, X.1.- Theory of anomaly detection in the operation of rotating electric machines. The anomaly detection theory is widely described in the book "PARAMETER ESTIMATION, CONDITION MONITORING, AND DIAGNOSIS OF ELECTRICAL MACHINES" (editorial CLARENDON PRESS, 1993) whose author is PETER VAS. Parameter measurement techniques are based on both invasive and non-invasive measurements using delayed time filtration. A more recent reference is found in "Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Motors-A Review" (Energy Conversion, IEEE Transactions on Volume 20, Issue 4, Dec. 2005 Page (s):
719-729) of Nandi, S .; Toliyat, HA; Li, X.
2.- Técnicas de detección y análisis de armónicos. El campo de análisis de armónicos es vasto y se ramifica en función de la aplicación. En el tema de motores, se encuentra recogido en "Detection of rotor slot and other eccentricity related harmonics in a three phase induction motor with different rotor cages", (IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 16, Issue 3, Sept. 2001 Page(s): 253-26) de Nandi, S.; Ahmed, S.; Toliyat, H.A.2.- Detection and analysis techniques of harmonics The harmonic analysis field is vast and branches depending on the application. On the topic of engines, you will find collected in "Detection of rotor slot and other eccentricity related harmonics in a three phase induction motor with different rotor cages ", (IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 16, Issue 3, Sept. 2001 Page (s): 253-26) of Nandi, S .; Ahmed, S .; Toliyat, H.A.
3.- Procesadores Digitales de Señal (Digital Signal Processors - DSP). El desarrollo de estas técnicas depende enormemente de la aplicación a la que se destine el DSP. En este caso se han aplicado las técnicas de análisis de señal empleando algoritmos de FFT (Fault Diagnosis as a Housekeeping Function for Motor Drives Applications using TMS320F240 DSP'' (publicado por Texas Instrument DSPS Fest'99, Aug. 4-6, 1999) T. Gopalarathnam, S. Nandi, H.A. Toliyat.3.- Digital Signal Processors (Digital Signal Processors - DSP). The development of these techniques depends greatly from the application to which the DSP is intended. In this case the signal analysis techniques were applied using FFT algorithms (Fault Diagnosis as a Housekeeping Function for Motor Drives Applications using TMS320F240 DSP '' (published by Texas Instrument DSPS Fest'99, Aug. 4-6, 1999) T. Gopalarathnam, S. Nandi, H.A. Toliyat
La invención propuesta se basa, en cambio, en el empleo de filtros sintonizables, dando mejores resultados en términos de coste de cálculo y de tiempo.The proposed invention is based, instead, on the use of tunable filters, giving better results in terms of cost of calculation and time.
La aparición de faltas o fallos eléctricos y/o mecánicos en una máquina eléctrica rotativa producen la parada de éstas, deteniendo la actividad que desarrolla la máquina en el momento del fallo. Esta parada puede sobrevenir en situaciones comprometidas que se traducen en la pérdida de un producto no terminado, en la parada de un vehículo en mitad de un trayecto, la interrupción de una generación de potencia y, en el caso general, la detención de la actividad que desarrolla la máquina eléctrica en el momento en el que se produce la actividad. En estas situaciones se requiere actualmente la reparación o sustitución de la máquina defectuosa en el instante del fallo y en el lugar del fallo.The appearance of electrical faults or failures and / or mechanics in a rotating electric machine produce the stop of these, stopping the activity that develops the machine in the moment of failure. This stop may occur in situations committed that result in the loss of a product not finished, at the stop of a vehicle in the middle of a journey, the interruption of a power generation and, in the general case, the arrest of the activity developed by the electric machine in the moment in which the activity occurs. In this situations Repair or replacement of the machine is currently required defective at the time of failure and at the place of failure.
Con la presente invención, la máquina es monitorizada y su comportamiento es analizado. Puesto que los síntomas de un fallo aparecen con antelación al fallo, es posible detectar esos precursores y de ese modo, preparar la reparación o sustitución de la máquina en el momento y en el lugar más conveniente. La aparición de los precursores siempre sucede con suficiente antelación al fallo catastrófico. Esto posibilita evitar situaciones críticas para el proceso en términos pérdidas de un producto, o parada del vehículo en mitad de un trayecto o parada de la central de generación eléctrica.With the present invention, the machine is monitored and its behavior is analyzed. Since the Symptoms of a fault appear before the fault, it is possible detect those precursors and thereby prepare the repair or machine replacement at the time and place more convenient. The appearance of precursors always happens with well in advance of catastrophic failure. This makes it possible to avoid critical situations for the process in terms of losses of a product, or stop of the vehicle in the middle of a journey or stop of The power generation plant.
En la presente invención, los precursores de un fallo de la máquina de interés se presentan como patrones espectrales característicos en la corriente de estátor. Los precursores espectrales aparecen, como mínimo, decenas de minutos antes de la situación de fallo catastrófico. El procedimiento de detección consiste en el paso de un flujo de muestras digitalizadas de la señal de corriente de estátor a través de un banco de filtros digitales sintonizados para cada patrón espectral relevante. Se declara un fallo cuando el filtro específico muestra un valor de amplitud significativo.In the present invention, the precursors of a machine failure of interest are presented as patterns characteristic spectral in the stator current. The spectral precursors appear at least tens of minutes before the catastrophic failure situation. The procedure of detection consists of the passage of a flow of digitized samples of the stator current signal through a filter bank digital tuned for each relevant spectral pattern. Be declares a failure when the specific filter shows a value of significant amplitude
La detección se realiza partiendo de la medida de la corriente de alimentación de la máquina. Esta corriente se lee mediante un sensor de corriente (efecto Hall,...). La lectura se filtra para evitar aliasing, se digitaliza y el flujo de muestras digitales se introduce en un banco de filtros sintonizables. Las muestras obtenidas se someten a este banco de filtros para determinar las características espectrales que establecen el estado de salud del motor. Debido a que la medida se realiza sobre la corriente de estátor, se evitan instrumentos invasivos que puedan alterar el funcionamiento del aparato y permite que la monitorización se realice sin necesidad de detener el motor.Detection is carried out based on the measurement of the machine supply current. This current is Read using a current sensor (Hall effect, ...). The reading It is filtered to avoid aliasing, it is digitized and the sample flow Digital is introduced into a bank of tunable filters. The obtained samples are submitted to this filter bank to determine the spectral characteristics that establish the state of motor health. Because the measurement is made on the stator current, invasive instruments that can alter the operation of the device and allows the Monitoring is performed without stopping the engine.
Figura 1: Sistema para la determinación de la frecuencia fundamental de la corriente circulante por el motor.Figure 1: System for determining the fundamental frequency of the current flowing through the motor.
Figura 2: Sistema para la determinación de los parámetros SO.Figure 2: System for the determination of SO parameters.
Figura 3: Sistema para la determinación de los parámetros Si.Figure 3: System for the determination of parameters Yes.
Figura 4: Sistema para la detección predictiva de faltas en máquinas.Figure 4: System for predictive detection of faults in machines.
En las máquinas eléctricas rotativas las averías más graves están asociadas a pérdidas de la simetría de rotación del conjunto; por ejemplo, fallos eléctricos en el bobinado, fractura de barras rotóricas en máquinas de inducción o malfuncionamiento de los rodamientos del eje. Esas pérdidas de simetría producen campos magnéticos alternativos de eje fijo localizados en la zona donde se encuentra el fallo. Para el análisis de los efectos que ese campo produce sobre otras variables de la máquina como las corrientes de alimentación o el par, es necesario descomponerlos en armónicos de campo giratorio cuyas fuerzas electromotrices sobre los devanados de la máquina serán estudiadas.In rotary electric machines breakdowns more serious are associated with loss of rotation symmetry of the whole; for example, electrical failures in the winding, fracture of rotary bars in induction machines or malfunction of the shaft bearings. Those losses of symmetry produce alternative magnetic fields of fixed axis located in the area where the fault is located. For him analysis of the effects that this field produces on other variables of the machine such as feed currents or torque, is it is necessary to decompose them in harmonics of rotating field whose electromotive forces on the machine windings will be studied.
Esta descomposición se puede realizar a partir del teorema de Leblanc que indica la forma de convertir un campo magnético alternativo de eje fijo en una pareja de campos magnéticos giratorios: "Cualquier armónico de un campo magnético alternativo, de eje fijo, creado por una corriente de pulsación angular se puede descomponer en dos campos giratorios, de sentidos de giro opuestos, amplitud la mitad de la amplitud del campo original y velocidad angular de giro idéntica a la pulsación de la corriente" [1].This decomposition can be done from of Leblanc's theorem that indicates how to convert a field Alternative magnetic fixed axis in a pair of magnetic fields rotating: "Any harmonic of a magnetic field alternative, fixed axis, created by a pulsating current angular can be broken down into two rotating fields of senses of opposite rotation, amplitude half the amplitude of the field original and angular rotation speed identical to the pulsation of the current "[1].
Las consecuencias de este teorema son, además, importantes desde el punto de vista de diseño de las máquinas eléctricas rotativas. Los devanados que crean el campo en las máquinas polifásicas de corriente alterna se sitúan espaciados uniformemente a lo largo de la máquina, y las corrientes que circulan por ellos están desfasadas en el tiempo también de forma constante. El resultado de esta distribución da la suma de todos los campos de secuencia de giro inversa, correspondientes a cada bobina individual de los devanados es nula, mientras que los de secuencia positiva son los que generan el campo positivo de la máquina. Por este motivo, en una máquina sana e idealmente construida no deberían aparecer armónicos de campo de giro inverso. En una máquina con asimetrías, en cambio, aparecerán dos series infinitas de armónicos espaciales producidos por la avería: la primera gira en sentido de giro directo, y la segunda gira en sentido de giro indirecto, consecuencia esta, que puede ser detectada en el espectro de corrientes de alimentación del motor.The consequences of this theorem are also important from the point of view of machine design Rotating electric The windings that create the field in the polyphase AC machines are spaced apart evenly along the machine, and the currents that circulating through them are outdated in time also so constant. The result of this distribution gives the sum of all the reverse spin sequence fields, corresponding to each Individual winding coil is null, while those of positive sequence are those that generate the positive field of the machine. For this reason, in a healthy machine and ideally built should not appear harmonics of reverse turning field. In a machine with asymmetries, however, two series will appear infinite spatial harmonics produced by the breakdown: the first turn in the direction of direct turn, and the second turn in indirect direction of rotation, this consequence, which can be detected in the spectrum of feed currents of the engine.
Los conductores averiados o en mal estado dan lugar a dos campos magnéticos rotativos de frecuencias \pmsf, donde s es el deslizamiento del motor y f la frecuencia de línea. Esto da lugar al siguiente espectro en el flujo del entre-hierro:Broken or damaged drivers give place to two rotating magnetic fields of frequencies \ pmsf, where s is the motor slip and f the line frequency. This results in the following spectrum in the flow of air gap:
dondewhere
b_{f} = frecuencias detectables de barras rotas. b f = detectable frequencies of broken bars.
k= índice de armónico.k = harmonic index.
p= número de pares de polos fundamentales del motor.p = number of pairs of fundamental poles of the engine.
s= velocidad de deslizamiento.s = sliding speed.
Las amplitudes de estos armónicos dependen de los parámetros del rotor a los que colectivamente se les refiere como: "número de Reynolds magnético en jaula" o "factor de bondad del motor". Este factor es dado por:The amplitudes of these harmonics depend on the rotor parameters referred to collectively as: "Magnetic Reynolds number in cage" or "factor of goodness of the engine. "This factor is given by:
dondewhere
R_{r} = Resistencia de la barra. R r = Bar resistance.
\muo = 4\pi10^{-7}µo = 4 \ pi10-7
b = pendiente del hueco.b = slope of the hole.
L = altura del conjunto.L = height of the set.
d = longitud del hueco.d = length of the hole.
Debido a la estructura de un bobinado normal; el espectro de la corriente contendrá armónicosDue to the structure of a normal winding; he current spectrum will contain harmonics
Únicamente para los valores impares de:Only for odd values of:
La componente (1-2s)f de la corriente de línea interactúa con el flujo fundamental del entrehierro para producir un rizado de velocidad en 2sf. Este fenómeno da lugar a una secuencia de componentes adicionales en la corriente en frecuencias dadas por:The component (1-2s) f of line current interacts with the fundamental flow of air gap to produce a speed curl in 2sf. This phenomenon gives rise to a sequence of additional components in the current at frequencies given by:
f_{b} = (1 \pm 2ks)f,f_ {b} = (1 \p.m 2ks) f,
donde k=1,2,3,...where k = 1,2,3, ...
Con k=1, las bandas laterales de frecuencias (1 \pm 2s)f de la fundamental son las empleadas en la detección de fallos.With k = 1, the side frequency bands (1 ± 2s) f of the fundamental are those employed in the fault detection.
La severidad del fallo que se esté produciendo vendrá relacionada con la aparición y potencia de los armónicos en las posiciones determinadas por las ecuaciones anteriores.The severity of the failure that is occurring will be related to the appearance and power of harmonics in the positions determined by the previous equations.
Una vez sentadas las bases para realizar una detección de fallos en un motor a partir del espectro de la corriente de estátor, es imprescindible el análisis de esta señal en tiempo real, es decir, con el motor en funcionamiento. El procedimiento a seguir se describe en las siguientes etapas:Once the bases are laid to make a fault detection in an engine from the spectrum of the stator current, the analysis of this signal is essential in real time, that is, with the engine running. He Procedure to follow is described in the following stages:
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Etapa 1Stage one
La corriente objeto de análisis puede obtenerse mediante una pinza amperimétrica o un sensor integrado de efecto Hall. Esta señal leída se convierte a señal digital a una frecuencia de muestreo determinada. Llamemos Fin a la frecuencia máxima de la corriente de alimentación del motor estudiado. Según el análisis realizado en el apartado 2, el estado del motor vendrá reflejado por los diferentes armónicos que aparecerán en el espectro de la corriente. La frecuencia de muestreo, por el teorema de Nyquist, para poder convertir a digital la información necesaria debe ser superior a 2\cdotFin con una resolución de conversión superior a 8 bits. Con menos de 8 bits también es posible solucionar el problema pero se reducirá la sensibilidad. La señal de entrada se muestreará con una resolución en frecuencia de 1Hz. Asimismo será necesario aplicar un filtrado anti-aliasing a la entrada analógica antes de digitalizar para evitar el plegado sobre la banda de interés de las componentes espectrales situadas por encima de la frecuencia de muestreo. Una vez que se obtiene la muestra digital (mediante un convertidor analógico a digital) la muestra se almacena en una memoria. Las secuencias de muestras se pasan a través de un banco de filtros digitales sintonizables. Las muestras pasan por dos bancos de filtros digitales distintos (descritos en las etapas 2 y 3) que resuelven las características espectrales determinantes del estado de salud del motor en términos de un valor de amplitud en la señal de salida de tales bancos.The current under analysis can be obtained by means of a clamp meter or an integrated effect sensor Hall. This read signal is converted to a digital signal at a Sample rate determined. Let's call the frequency end Maximum of the current of feeding of the studied engine. According the analysis performed in section 2, the state of the engine will come reflected by the different harmonics that will appear in the current spectrum. The sampling frequency, by the theorem Nyquist, to convert the necessary information to digital must be greater than 2 \ cdotFin with a conversion resolution greater than 8 bits. With less than 8 bits it is also possible to solve the problem but the sensitivity will be reduced. Input signal It will be sampled with a frequency resolution of 1Hz. Likewise it will be necessary to apply an anti-aliasing filter to the analog input before scanning to avoid folding on the band of interest of the spectral components located above the sampling frequency. Once you get the digital sample (using an analog to digital converter) the Sample is stored in a memory. Sample sequences are they pass through a bank of tunable digital filters. The samples pass through two different digital filter banks (described in stages 2 and 3) that resolve the characteristics spectral determinants of motor health status in terms of an amplitude value in the output signal of such banks.
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Etapa 2Stage 2
El primer objetivo de esta etapa es la de localizar el armónico principal para después localizar los armónicos de interés para conocer el estado del motor. Para ello, se realiza un filtrado de la señal muestreada. La síntesis del filtro se realizará con un filtro elíptico ya que permite funciones de transferencia reducidas y no se necesita una buena linealidad en fase puesto que únicamente se desea encontrar la frecuencia del armónico principal. El orden del filtro es N=2, el ancho de banda es de 5Hz, la atenuación de la banda de rechazo es superior a 10dB y la zona entre banda de paso y banda de rechazo es de 5Hz. Con estos valores se asegura una sensibilidad adecuada para el propósito del detector descrito, si bien, otros valores de diseño del filtro se pueden utilizar. Para cada frecuencia en la que pueda situarse el tono fundamental se diseñará un filtro de semejantes características. Los coeficientes de estos filtros se almacenarán en una memoria para su uso, si bien pueden calcularse sobre la marcha.The first objective of this stage is that of locate the main harmonic and then locate the harmonics of interest to know the state of the engine. For it, the sampled signal is filtered. The synthesis of filter will be done with an elliptical filter since it allows functions reduced transfer and good linearity is not needed in phase since you only want to find the frequency of the main harmonic The order of the filter is N = 2, the bandwidth is 5Hz, the rejection band attenuation is greater than 10dB and The zone between pass band and rejection band is 5Hz. With these values ensures adequate sensitivity for the purpose of the described detector, although other filter design values are They can use. For each frequency in which the fundamental tone a similar filter will be designed features. The coefficients of these filters will be stored in a memory for use, although they can be calculated on the March.
Con estos filtros, se filtrará la señal de corriente digitalizada para cada una de las posibles frecuencias. A la salida de cada uno de los filtros se calculará la potencia total de la señal filtrada. El máximo de todas estas potencias se corresponderá con el tono fundamental (armónico de primer orden). La frecuencia central del filtro para la que se obtiene este máximo es la frecuencia encontrada del tono fundamental, denominada Ffund. En la ecuación siguiente se muestra la función de transferencia de los filtros en los que los coeficientes a(i) y b(i) dependen de las características del filtro deseado (frecuencia central, atenuaciones,...).With these filters, the signal will be filtered digitized current for each of the possible frequencies. TO the output of each of the filters will calculate the total power of the filtered signal. The maximum of all these powers is will correspond to the fundamental tone (first order harmonic). The center frequency of the filter for which this maximum is obtained is the found frequency of the fundamental tone, called Ffund. The following equation shows the transfer function of the filters in which the coefficients a (i) and b (i) depend on the characteristics of the desired filter (frequency central, attenuations, ...).
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Etapa 3Stage 3
Los parámetros SO relacionan al armónico fundamental con los armónicos situados junto a éste (armónicos SO), justo delante y detrás. Para ello se realiza un análisis espectral del entorno cercano a la frecuencia del armónico principal. En los sistemas reales, los armónicos que rodean a la frecuencia fundamental aparecen en un entorno inferior a 2,5 Hz de distancia. En esta etapa, se aplica a la señal muestreada en la etapa 2 del proceso un banco de filtros elípticos de orden 2, pero los parámetros de los filtros serán diferentes. La resolución en frecuencia que se busque será de 0,05Hz, el ancho de banda del filtro será de 0,1Hz, la región entre paso y rechazo de banda será de 0,1 Hz y la atenuación de la banda de rechazo, de 50dB.SO parameters relate to harmonic fundamental with the harmonics located next to it (SO harmonics), right in front and behind. For this a spectral analysis is performed from the environment close to the frequency of the main harmonic. In the real systems, the harmonics surrounding the frequency fundamental appear in an environment less than 2.5 Hz distance. At this stage, it is applied to the signal sampled in stage 2 of the process a bank of elliptical filters of order 2, but the Filter parameters will be different. The resolution in frequency sought will be 0.05Hz, the bandwidth of the filter will be 0.1Hz, the region between pass and band rejection will be 0.1 Hz and the rejection band attenuation of 50dB.
Los coeficientes de los filtros, están previamente almacenados en memoria o pueden calcularse en tiempo de ejecución. La señal de entrada se filtrará por cada uno de los filtros a las frecuencias comprendidas entre la frecuencia central obtenida en la etapa anterior y el margen de 2,5Hz comentado con anterioridad. A cada una de las salidas, se le calculará la potencia total. De todos los valores de potencia, la frecuencia correspondiente a la potencia máxima corresponderá a la frecuencia del tono fundamental. A partir de esta frecuencia se buscará el primer par de armónicos situados simétricamente respecto del tono fundamental. La distancia existente entre estos armónicos y el tono fundamental se denominará "d", medida en Hz. Combinando frecuencia del tono fundamental y d, se calcularán las frecuencias a la que se encuentran el resto de armónicos que describen el estado de salud del motor.The coefficients of the filters are previously stored in memory or can be calculated in time of execution. The input signal will be filtered by each of the filters at frequencies between the center frequency obtained in the previous stage and the 2.5Hz margin commented with anteriority. For each of the outputs, the total power. Of all the power values, the frequency corresponding to the maximum power will correspond to the frequency of the fundamental tone. From this frequency the first pair of harmonics located symmetrically with respect to the tone fundamental. The distance between these harmonics and the tone fundamental will be called "d", measured in Hz. Combining fundamental tone frequency and d, frequencies will be calculated to which are the rest of harmonics that describe the motor health status.
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Etapa 4Stage 4
Los armónicos Si tienen su posición en el espectro en las frecuencias definidas por la expresión:Harmonics If they have their position in the spectrum at the frequencies defined by the expression:
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Para poder analizar la señal en estos armónicos es necesario realizar el muestreo de forma que se obtenga toda la información muestral hasta la frecuencia que alcance el último de los armónicos, que se consigue aplicando nuevamente el criterio de Nyquist, tomando como frecuencia de muestreo una frecuencia superior al múltiplo "k" de la frecuencia máxima que pueda en cualquier momento alcanzar el tono fundamenta más un pequeño margen para incluir en la banda el tono S_k, siendo "k" el número del último armónico que se desea estudiar.In order to analyze the signal in these harmonics sampling is necessary so that all the sample information up to the frequency reached by the last of harmonics, which is achieved by reapplying the criteria of Nyquist, taking as a sampling frequency a higher frequency to the multiple "k" of the maximum frequency you can at any moment to reach the tone bases more a small margin for include in the band the tone S_k, being "k" the number of the last harmonic that you want to study.
Para una frecuencia fundamental que pueda alcanzar, en funcionamiento, el valor de 130Hz, puede elegirse una frecuencia de muestreo de 1023Hz, dando margen para que toda la información espectral necesaria se encuentre dentro de la señal muestreada. Al igual que en los otros casos, la resolución de muestreo puede reducirse a 8 bits, aunque otros valores son realizables con resultados positivos. La resolución espectral se fija a un valor de 0,05Hz.For a fundamental frequency that can reach, in operation, the value of 130Hz, you can choose a 1023Hz sampling rate, giving room for all the necessary spectral information is within the signal sampled As in the other cases, the resolution of sampling can be reduced to 8 bits, although other values are achievable with positive results. The spectral resolution is fixed at a value of 0.05Hz.
Para obtener la información necesaria de los armónicos Si, se filtra la señal de entrada con filtros elípticos centrados en las frecuencias fSi, siendo "i" el índice del armónico i-ésimo. Puesto que la posición de los armónicos es conocida, puede obtenerse directamente su potencia filtrando la señal con los filtros citados. Cada uno de esos filtros se diseña como filtros elípticos de orden 2 con un ancho de banda de 0,2Hz, región entre las bandas de paso y rechazo de 0,2Hz y una atenuación en la banda de rechazo de 50dB. Los coeficientes de los filtros para cada frecuencia pueden estar almacenados en memoria o calcularse sobre la marcha con las expresiones correspondientes.To obtain the necessary information from harmonics Yes, the input signal is filtered with elliptical filters centered on the frequencies fSi, being "i" the index of I-th harmonic. Since the position of the harmonics is known, its power can be obtained directly by filtering the signal with the cited filters. Each of those filters is designed as elliptical filters of order 2 with a bandwidth of 0.2Hz, region between 0.2Hz pass and rejection bands and attenuation in the 50dB rejection band. The coefficients of the filters for each frequency can be stored in memory or calculated on the fly with the corresponding expressions.
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Etapa 5Stage 5
El estado de la salud del motor puede así describirse una vez conocidos los valores de amplitud de los armónicos Si, la distancia entre los armónicos SO al tono fundamental y la amplitud de cada uno de los armónicos referida al fundamental.The state of motor health can thus describe once the amplitude values of the harmonics Yes, the distance between the harmonics SO to the tone fundamental and the amplitude of each of the harmonics referred to fundamental.
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En una realización preferente de la invención (figura 4), el sistema cuenta con sensor de efecto Hall, un filtro anti-aliasing, un convertidor analógico-a-digital, un banco de filtros digitales sintonizables, un teclado o botonera y un display. Se añade un canal de comunicaciones digitales que permite la interacción con otros sistemas desde los que se puede monitorizar y controlar el detector predictivo de faltas en máquinas eléctricas. Además de estos bloques fundamentales, el sistema requiere de una fuente de alimentación de unos 12V y un regulador de tensión para poder alimentar los diferentes dispositivos electrónicos activos que lo componen.In a preferred embodiment of the invention (figure 4), the system has a Hall effect sensor, a filter anti-aliasing, a converter analog-to-digital, a bank of tunable digital filters, a keyboard or keypad and a display. A digital communications channel is added that allows the interaction with other systems from which you can monitor and control the predictive detector of faults in electric machines. In addition to these fundamental blocks, the system requires a power supply of about 12V and a voltage regulator for be able to power the different active electronic devices that it's made of.
El regulador de tensión toma una tensión que puede oscilar entre los 7V y los 15V de una fuente de tensión de continua (batería de plomo, batería de litio, batería de NiCd o transformador ac/dc) y la regula para obtener una tensión estable de %V sobre la referencia. Los condensadores que tiene a la entrada y salida pueden tomarse de un valor del orden de los 100uF. El interruptor puesto en la borna positiva de la fuente de tensión permite encender y apagar el sistema.The voltage regulator takes a voltage that it can range between 7V and 15V of a voltage source of continuous (lead acid battery, lithium battery, NiCd battery or AC / DC transformer) and regulates it to obtain a stable voltage of % V on the reference. The capacitors you have at the input and Output can be taken from a value of the order of 100uF. He switch placed on the positive terminal of the voltage source allows to turn on and off the system.
El motor, en el ejemplo expuesto, toma la energía de la red eléctrica (220V, 50Hz). Poniendo en serie el sensor de efecto Hall se obtiene una lectura, en forma de tensión proporcional, de la corriente que circula por el estátor de la máquina eléctrica.The engine, in the example given, takes the mains power (220V, 50Hz). Serializing the Hall effect sensor you get a reading, in the form of voltage proportional, of the current flowing through the stator of the electric machine.
La lectura de tensión se filtra mediante un filtro antialiasing para evitar que los espurios de alta frecuencia se plieguen sobre la señal de interés cuando se realice el muestreo inherente en la conversión analógico-a-digital. El filtro anti-aliasing puede realizarse de forma pasiva con una resistencia y un condensador (ver figura 4) o bien empleando cualquier otra estructura pasiva o activa (Sallen-Key, MBF, SC,...) que realice la operación de filtrado paso-bajo, eliminando las componentes espectrales indeseadas.The voltage reading is filtered by a antialiasing filter to prevent high frequency spurious fold over the signal of interest when sampling inherent in the conversion analog-to-digital The filter anti-aliasing can be performed passively with a resistor and a capacitor (see figure 4) or using any other passive or active structure (Sallen-Key, MBF, SC, ...) to perform the operation Low-pass filtering, removing components unwanted spectral
La transmisión de las muestras convertidas a digital se pueden transmitir al banco de filtros digitales empleando un bus de comunicación digital tanto serie (I2C, SPI, USB, RS232, ...) como paralelo (STREAM, ...), dependiendo de la capacidad de comunicación digital del convertidor analógico a digital.The transmission of the converted samples to digital can be transmitted to the digital filter bank using a digital serial communication bus (I2C, SPI, USB, RS232, ...) as parallel (STREAM, ...), depending on the digital communication capability of the analog converter to digital.
La operación de barrido de filtros se realiza en el banco de filtros digitales sintonizables, que puede realizarse físicamente con elementos discretos, mediante circuitos integrados de propósito específico (ASIC's), mediante matrices de puertas lógicas programables por campo (FPGA's) o con el empleo de procesadores de señal digital (DSP's). Este dispositivo se alimentará, al igual que los diferentes elementos activos (sensor de efecto Hall, convertidores analógico-a-digital, ...) a la tensión generada por el regulador de tensión.The filter sweep operation is performed in the tunable digital filter bank, which can be realized physically with discrete elements, through integrated circuits specific purpose (ASIC's), through door matrices Programmable logic by field (FPGA's) or with the use of digital signal processors (DSP's). This device is will feed, like the different active elements (sensor Hall effect converters analog-to-digital, ...) to the voltage generated by the voltage regulator.
En el prototipo de la invención se ha utilizado la tecnología del procesador digital de señal para la realización del banco de filtros digitales sintonizables. Si se optara por una realización totalmente hardware bastaría con especificar las funciones de transferencia de los filtros y los autómatas lógicos que desarrollaran los diagramas de flujo de las figuras 1 a 3 para una FPGA.In the prototype of the invention it has been used digital signal processor technology for realization of the tunable digital filter bank. If you choose one fully hardware realization would suffice to specify the filter transfer functions and logic controllers that will develop the flowcharts of figures 1 to 3 to an FPGA.
Para poder actuar sobre el dispositivo a fin de realizar reinicios de operación u otro tipo de actividad relacionada con la detección predictiva de faltas en el motor (orden de impresión de resultados, orden de inicio de operación, orden de fin de operación,...) se incorpora un teclado o botonera. La comunicación de este teclado o botonera será digital con formato serie o paralelo según el modelo y marca del teclado o botonera.In order to act on the device in order to perform reboots of operation or other activity related to the predictive detection of engine failures (print order of results, start order of operation, order of end of operation, ...) a keyboard or keypad is incorporated. The communication of this keyboard or keypad will be digital with format series or parallel depending on the model and brand of the keyboard or keypad
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La representación de la información acerca del estado y resultados de la actividad relacionada con la detección predictiva de faltas en el motor se realiza mediante un display. Al igual que en el caso de la botonera o teclado, la comunicación de este teclado o botonera será digital con formato serie o paralelo según el modelo y marca del display.The representation of information about status and results of detection related activity Predictive of engine failures is done through a display. To the as in the case of the keypad or keyboard, the communication of This keyboard or keypad will be digital with serial or parallel format according to the model and brand of the display.
Las tareas relacionadas con el teclado/botonera y con el display pueden suplirse con una computadora externa que se comunique con el banco de filtros mediante un protocolo de comunicaciones serie MODBUS, soportado por ambos sistemas.The tasks related to the keyboard / keypad and with the display they can be supplied with an external computer that contact the filter bank using a protocol MODBUS serial communications, supported by both systems.
Claims (2)
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| ES200600949A ES2317727B1 (en) | 2006-04-03 | 2006-04-03 | PREDICTIVE DETECTOR OF FAULTS IN ROTATING ELECTRIC MACHINES. |
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|---|---|---|---|
| ES200600949A ES2317727B1 (en) | 2006-04-03 | 2006-04-03 | PREDICTIVE DETECTOR OF FAULTS IN ROTATING ELECTRIC MACHINES. |
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|---|---|---|---|
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US6295510B1 (en) * | 1998-07-17 | 2001-09-25 | Reliance Electric Technologies, Llc | Modular machinery data collection and analysis system |
| US6611771B1 (en) * | 2000-10-04 | 2003-08-26 | Eaton Corporation | Method and apparatus to detect a stator turn fault in an AC motor |
| WO2004109250A1 (en) * | 2003-06-05 | 2004-12-16 | Metso Paper Inc. | Machine and/or process monitoring |
-
2006
- 2006-04-03 ES ES200600949A patent/ES2317727B1/en active Active
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| WO2004109250A1 (en) * | 2003-06-05 | 2004-12-16 | Metso Paper Inc. | Machine and/or process monitoring |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2317727B1 (en) | 2010-02-03 |
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