PL219114B1 - Sposób i układ do wykrywania uszkodzeń mechanicznych w silnikach indukcyjnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do wykrywania uszkodzeń w silnikach indukcyjnych poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością dzięki zastosowaniu sinusoidalnego napięcia odniesienia.

Znany jest sposób i układ do wykrywania uszkodzeń w silnikach indukcyjnych oparty na analizie odkształceń prądu zasilającego silnik. W omawianym sposobie wyznacza się sygnał proporcjonalny do wartości chwilowej prądu zasilającego stojan badanego silnika. Sygnał ten doprowadzany jest do urządzenia, w którym poddawany jest on obróbce informatycznej, w ramach której wyznacza się widmo częstotliwościowe prądu zasilającego silnik. Z uzyskanego widma wyodrębniane są następnie składowe o częstotliwościach charakterystycznych dla różnego typu uszkodzeń występujących w silnikach indukcyjnych. Opisany sposób wykorzystywany jest przede wszystkim do wykrywania uszkodzeń uzwojeń stojana oraz wirnika, prętów klatki wirnika oraz niecentryczności wału. W przypadku tego typu uszkodzeń zależności określające składowe częstotliwościowe w prądzie zasilającym silnik, informujące o uszkodzeniu są znane, a ich amplitudy w stosunku do amplitudy składowej podstawowej prądu stojana są stosunkowo duże. Opisany sposób jest natomiast mało skuteczny przy wykrywaniu uszkodzeń łożysk tocznych występujących w silnikach indukcyjnych gdyż amplitudy składowych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk są z reguły bardzo małe. Ponadto układ przeznaczony do wyznaczania częstotliwości charakterystycznych z prądu stojana wykorzystywany w tej metodzie charakteryzują się małą czułością gdyż zakres pomiarowy tego układu musi być dopasowany do wartości maksymalnej składowej podstawowej prądu zasilającego silnik. Rozwiązania tego typu mogą być efektywne jedynie w przypadku dużych uszkodzeń, powodujących powstanie składowych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk o stosunkowo wysokich amplitudach w odniesieniu do amplitudy składowej podstawowej prądu stojana. W przypadku początkowych faz rozwoju uszkodzeń amplitudy składowych charakterystycznych, wynikających z odkształceń prądu zasilającego maszynę są bardzo małe, zatem nie jest możliwa poprawna diagnoza stanu technicznego łożyska.

Znany jest również sposób i układ do wykrywania uszkodzeń łożysk w silnikach indukcyjnych poprzez analizę widmową mocy chwilowej zasilania silnika. W metodzie tej wytwarza się sygnały proporcjonalne do wartości chwilowych prądu i napięcia zasilających badany silnik. Sygnały te doprowadzone są do urządzenia, w którym poddawane są obróbce informatycznej, w ramach której wyznacza się przebieg mocy chwilowej pobieranej przez silnik oraz widmo częstotliwościowe tej mocy. Z uzyskanego widma wyodrębniane są następnie składowe o częstotliwościach charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach indukcyjnych. W opisanym rozwiązaniu amplitudy składowych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk, obecne w widmie mocy chwilowej są niewielkie w odniesieniu do składowej podstawowej. Mała czułość wykorzystywanych układów pomiarowych uniemożliwia poprawną detekcję i jednoznaczną identyfikację składowych charakterystycznych, obecnych w widmie mocy chwilowej. W konsekwencji dokonanie poprawnej oceny stanu technicznego łożysk jest bardzo utrudnione. Fakt ten oznacza również, iż znany i opisany sposób i układ pomiarowy nie znajdują zastosowania w przypadku diagnostyki w początkowej fazie uszkodzeń łożysk tocznych silników indukcyjnych.

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie wykrywania i identyfikacji uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach indukcyjnych poprzez analizę widmową prądu stojana silnika i wyodrębnienie składowych charakterystycznych o małych amplitudach z dużą czułością dzięki zastosowaniu sinusoidalnego napięcia odniesienia.

Sposób wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością, w którym wyznacza się przebieg wartości chwilowych prądu zasilającego badany silnik oraz różnicy tego prądu i jego składowej podstawowej odtwarzanej na podstawie uprzednio zarejestrowanego przebiegu prądu stojana, a także wyznacza się widmo częstotliwościowe tego sygnału różnicowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że podczas badania silnik jest obciążony stałym momentem a warunki jego pracy w poszczególnych etapach pomiaru są niezmienne i w takich warunkach rejestruje się przebieg prądu stojana łącznie z jego składowymi charakterystycznymi wynikającymi z występowania uszkodzeń w silniku. Następnie poprzez obróbkę zarejestrowanego sygnału wytwarza się sygnał proporcjonalny do składowej podstawowej zarejestrowanego prądu silnika. Sygnał odpowiadający harmonicznej podstawowej odtwarza się w fazie zgodnej z prądem silnika w drugim etapie pomiaru, w którym wytwarza się sygnał różnicowy odpowiadający przebiegowi wartości chwilowych prądu stojana pozbawionemu składowej podstawowej. Dla takiego sygnału różnicowego

PL 219 114 B1 wyznacza się następnie widmo częstotliwościowe, w którym składowe charakterystyczne wynikające z uszkodzeń w silniku mają amplitudy o znacznych wartościach w stosunku do amplitudy sygnału różnicowego, dzięki czemu można jednoznacznie wykryć i zidentyfikować uszkodzenia występujące w badanym silniku.

Układ do wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością, zawierający układ różnicowy, układ pomiarowo-rejestracyjny z możliwością odtworzenia wyznaczonego przebiegu, przetwornik prądu oraz układ synchronizujący fazę odtwarzanego przebiegu z fazą bieżącą prądu stojana charakteryzuje się tym, że badany silnik indukcyjny zasilany jest poprzez przetwornik prądu, którego wyjście sygnałowe połączone jest z wejściem nieodwracającym układu różnicowego oraz z wejściem układu synchronizującego. Wyjście układu różnicowego połączone jest z wejściem pomiarowym układu pomiarowo-rejestracyjnego przy czym wejście synchronizujące tego układu połączone jest z wyjściem układu synchronizującego. Wyjście układu pomiarowo-rejestracyjnego połączone jest natomiast z wejściem odwracającym układu różnicowego.

Dzięki zastosowaniu w układzie według wynalazku odtwarzania składowej podstawowej wyznaczonej z uprzednio zarejestrowanego przebiegu prądu stojana i synchronizowaniu jej z bieżącym przebiegiem prądu zasilającego silnik można wytworzyć sygnał różnicowy proporcjonalny do prądu stojana pozbawionego składowej podstawowej. W takim sygnale różnicowym poszukiwane składowe charakterystyczne wynikające z uszkodzeń w badanym silniku mają znacznie większe amplitudy w stosunku do amplitudy sygnału różnicowego niż w prądzie zasilającym silnik dzięki czemu można jednoznacznie wykryć i zidentyfikować uszkodzenia występujące w badanym silniku.

Wynalazek jest szczegółowo opisany na przykładzie jego wykonania i zobrazowany na rysunku przedstawiającym uproszczony schemat blokowy układu pomiarowego.

Jak pokazano na rysunku, układ do wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością zawiera silnik badany M zasilany poprzez przetwornik prądu PI, którego wyjście sygnałowe połączone jest z wejściem nieodwracającym „+” układu różnicowego UR oraz wejściem układu synchronizującego US. Wyjście układu różnicowego UR połączone jest z wejściem pomiarowym układu pomiarowo-rejestracyjnego UPR, zaś wejście synchronizujące tego układu połączone jest z wyjściem układu synchronizującego US. Sygnał wytwarzany na wyjściu układu pomiarowo-rejestracyjnego UPR dostarczany jest natomiast na wejście odwracające „-”układu różnicowego UR.

Opisany w przykładzie wykonania układ działa następująco. W pierwszym etapie układ pomiarowo-rejestrujący UPR zapamiętuje przebieg sygnału podanego na wejście tego układu i proporcjonalnego do prądu stojana silnika. Sygnał ten przechodzi przez wejście nieodwracające „+” układu różnicowego UR, którego wejście odwracające, jest podłączone do wyjścia układu pomiaroworejestracyjnego UPR. Na tym etapie pomiaru wyjście układu pomiarowo-rejestracyjnego UPR znajduje się na potencjale masy układu pomiarowego, w wyniku czego układ różnicowy przenosi sygnał z wejścia nieodwracającego praktycznie bez zmian na wejście układu pomiarowo-rejestracyjnego UPR, który pracuje z niewielką czułością. Stosunek składowych charakterystycznych znajdujących się w prądzie, a niosących informację diagnostyczną względem prądu stojana silnika, związanego z jego zasilaniem może być bardzo mały, co pogarsza czułość pomiaru. Prąd zasilający badany silnik może być odkształcony, jednak dominuje w nim harmoniczna podstawowa prądu o częstotliwości sieciowej. W wyniku przekształceń w układzie pomiarowo-rejestracyjnym UPR uzyskuje się prąd proporcjonalny do przebiegu harmonicznej podstawowej o częstotliwości sieciowej prądu stojana badanego silnika. W kolejnym etapie układ synchronizacji US, działający na przykład w oparciu o analizę przejścia sygnału przez zero, określa chwilę rozpoczęcia rejestracji prądu na wyjściu układu różnicowego UR, do którego wejść na tym etapie pomiaru są podłączone dopasowane fazowo sygnały proporcjonalne do prądu stojana silnika (do wejścia nieodwracającego „+”) oraz do harmonicznej podstawowej prądu stojana (do wejścia nieodwracającego „-„). Sygnał proporcjonalny do składowej podstawowej prądu stojana wytwarzany jest na wyjściu układu pomiarowo-rejestracyjnego UPR, na podstawie przebiegu prądu zarejestrowanego w poprzednim etapie pomiaru. Dzięki temu na wejście układu pomiaroworejestracyjnego UPR, z wyjścia układu różnicowego UR jest dostarczany sygnał, w którym zostaje wyeliminowana składowa prądu proporcjonalna do harmonicznej podstawowej prądu zasilania badanego silnika i możliwe jest zwiększenie do wartości dopuszczalnej czułości układu pomiarowo rejestrującego, umożliwiając w ten sposób wyznaczenie z większą czułością charakterystycznych częstotliwości pojawiających się w prądzie stojana silnika, na skutek uszkodzenia tego silnika.

Claims (2)

1. Sposób wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością, w którym wyznacza się wartości chwilowe prądu zasilającego badany silnik oraz harmonicznej podstawowej tego prądu, a także wytwarza się sygnał proporcjonalny do różnicy wartości chwilowych prądu stojana i jego harmonicznej podstawowej oraz wyznacza się widmo częstotliwościowe tego sygnału różnicowego, znamienny tym, że wytwarza się sygnał proporcjonalny do prądu stojana badanego silnika oraz wytwarza się sygnał proporcjonalny do składowej podstawowej prądu stojana silnika, a następnie wytwarza się sygnał różnicowy proporcjonalny do różnicy wartości prądów stojana i jego harmonicznej podstawowej, w którym to prądzie różnicowym wyodrębnia się składowe charakterystyczne wynikające z uszkodzeń w badanym silniku.

2. Układ do wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością, zawierający układ różnicowy, układ pomiarowo-rejestracyjny, układ synchronizujący oraz przetwornik prądu, znamienny tym, że silnik badany (M) zasilany jest poprzez przetwornik prądu (PI), którego wyjście sygnałowe połączone jest do wejścia nieodwracającego (+) układu różnicowego (UR) oraz wejścia układu synchronizującego (US), przy czym wyjścia układu różnicowego (UR) oraz układu synchronizującego (US) połączone są z odpowiednimi wejściami układu pomiarowo-rejestracyjnego (UPR), zaś sygnał wyjściowy z tego układu dostarczany jest na wejście odwracające (-) układu różnicowego (UR).