PL220252B1

PL220252B1 - Sposób i układ do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego

Info

Publication number: PL220252B1
Application number: PL391575A
Authority: PL
Inventors: Ariel Dzwonkowski
Original assignee: Politechnika Gdańska
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2015-09-30
Also published as: PL391575A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego.

W silniku indukcyjnym mogą wystąpić uszkodzenia elementów układu elektromagnetycznego, np. uzwojeń stojana, wirnika, czy obwodu magnetycznego lub uszkodzenia elementów mechanicznych, takich jak łożyska wirnika. W diagnostyce silników indukcyjnych stosowane są metody oparte na różnych podstawach fizycznych. Należą do nich pomiary wibracji, temperatury, zjawisk akustycznych, prądu czy strumienia magnetycznego. Najczęściej stosowane sposoby i urządzenia do diagnostyki łożysk wykorzystują metody wibracyjne. Przy braku bezpośredniego dostępu do silnika nie mogą być jednak stosowane. W takich przypadkach diagnostyka możliwa jest w oparciu o pomiar i analizę wielkości zasilających silnik.

Znane są różne sposoby diagnostyki łożysk oparte na pomiarze i analizie odkształceń prądu zasilającego silnik indukcyjny. Odkształcenia, które pojawiają się w widmie prądu, mają postać dodatkowych harmonicznych widma, powstających wskutek modulacji przebiegów sygnałami o częstotliwościach charakterystycznych dla danego typu uszkodzenia. Metody te wykorzystywane są przede wszystkim do wykrywania uszkodzeń uzwojeń stojana oraz wirnika, prętów klatki wirnika, niewspółosiowości wałów. W przypadku tego typu uszkodzeń przeprowadzenie analizy widmowej nie stanowi trudności, gdyż zależności określające składowe częstotliwościowe sygnałów, informujące o uszkodzeniu są znane, natomiast amplitudy składowych charakterystycznych w stosunku do amplitudy składowej podstawowej są stosunkowo duże.

Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku uszkodzeń łożysk silnika indukcyjnego. Przyjmuje się, że wibracje od uszkodzonego łożyska przenoszą się na wirnik, powodując oscylacje szczeliny powietrznej, a tym samym modulują prąd w uzwojeniu stojana. Amplitudy składowych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk w odniesieniu do amplitudy składowej podstawowej są bardzo małe. Fakt ten stwarza duże problemy z pomiarem i analizą tych składowych.

Znany jest sposób przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk silnika indukcyjnego poprzez pomiar i analizę prądu zasilającego silnik. Sposób ten polega na pomiarze prędkości kątowej silnika, częstotliwości napięcia sieci zasilającej i krzywej prądu. Na podstawie tych danych wyznaczane są częstotliwości charakterystyczne dla uszkodzeń łożysk silników indukcyjnych. Jednocześnie wykonywany jest pomiar i analiza widmowa prądu zasilającego silnik indukcyjny. Sposób taki opisany jest w publikacji: L. Frosini, E. Bassi, A. Fazzi, Ch. Gazzaniga: Use of the stator current for condition monitoring of bearings in induction motors. Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines, IEEE 2008. W publikacji tej opisany jest statyczny, częstotliwościowy sposób detekcji uszkodzeń łożysk w silnikach indukcyjnych.

Znany jest również sposób przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk silnika indukcyjnego przez pomiar wartości chwilowych prądu i napięcia zasilającego silnik indukcyjny oraz analizę tych parametrów. Sposób ten opisany został w publikacji: A. Ibrahim, M. El Badaoui, F. Guillet, F. Bonnardot: A New Bearing Fault Detection Method in Induction Machines Based on Instantaneous Power Factor, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 12, December 2008. W publikacji tej opisana jest wibracyjna metoda diagnostyki łożysk oraz statyczny częstotliwościowy sposób detekcji uszkodzeń łożysk w silniku indukcyjnym na podstawie pomiaru i analizy prądu zasilającego silnik indukcyjny oraz sposób, polegający na diagnostyce łożysk opartej na mocy chwilowej z wykorzystaniem wyznaczonego współczynnika mocy.

Znane rozwiązania diagnostyki łożysk wymagają dużej ilości obliczeń pośrednich, co skutkuje zmniejszeniem efektywności działania algorytmów obliczeniowych oraz utrudnia identyfikację składowych charakterystycznych dla różnych typów uszkodzeń łożysk tocznych, zmniejszając tym samym precyzję oceny stanu technicznego łożyska. Ponadto określenie amplitud składowych o częstotliwościach charakterystycznych dla różnych typów uszkodzeń łożysk jest mało precyzyjne.

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie opracowania sposobu i układu do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego pozbawionego powyższych niedogodności.

Cel ten został osiągnięty w taki sposób, że parametry niezbędne do obliczeń częstotliwości harmonicznych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk tocznych w silniku indukcyjnym, określa się na podstawie tego samego widma, które wykorzystuje się do obliczenia częstotliwości sieci i prędkości obrotowej wirnika, zaś widmo mocy chwilowej otrzymuje się poprzez pobranie prądu

PL 220 252 B1 z jednej z faz prądu zasilającego silnik indukcyjny i kondycjonowanie sygnału prądu, przy czym podczas procesu kondycjonowania zamienia się sygnał prądu na napięcie w układzie przetwornika prądowo-napięciowego oraz pobranie napięcia z jednej z faz napięcia zasilającego silnik indukcyjny i kondycjonowanie sygnału napięcia, przy czym proces kondycjonowania sygnału napięcia prowadzi się po przetworzeniu napięcia na mniejszą wartość za pomocą przetwornika napięcia, a po zakończeniu kondycjonowania sygnałów zmienia się postać sygnałów z analogowej na cyfrową przy użyciu przetwornika analogowo-cyfrowego i wykonuje się mnożenie wartości chwilowych prądu oraz napięcia, a następnie poprzez obliczenie transformaty Fouriera z iloczynu wartości chwilowych prądu i napięcia oraz filtracji z wykorzystaniem transformaty falkowej otrzymuje się widmo mocy chwilowej, po czym częstotliwości harmoniczne charakterystyczne dla uszkodzeń łożysk tocznych w silniku indukcyjnym oblicza się na podstawie informacji pobranych z bazy danych łożysk tocznych oraz na podstawie obliczeń częstotliwości napięcia sieci zasilającej oraz prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego.

Istota układu do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego, polega na tym, że układ składa się z przetwornika prądowo-napięciowego, którego wyjście połączone jest z wejściem analogowym karty akwizycji sygnałów pomiarowych, na wejściu której znajduje się filtr antyaliasingowy, której wyjście połączone jest z komputerem, na którym znajduje się zespół obliczania iloczynu wartości chwilowych prądu i napięcia, zespół obliczenia transformaty Fouriera, połączony z zespołem filtracji opartej na transformacie falkowej i zespołem obliczenia częstotliwości napięcia sieci zasilającej i z zespołem obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego oraz z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń, przy czym wyjście zespołu obliczania częstotliwości napięcia sieci zasilającej oraz wyjście zespołu obliczenia prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego, doprowadzone są do wejścia zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń, przy czym do zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń dołączona jest baza danych łożysk, zaś wyjście zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń połączone jest z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku można szybko postawić diagnozę uszkodzeń łożysk tocznych silnika indukcyjnego bez montażu jakichkolwiek czujników na silniku badanym, a także wykorzystać ten sam układ pomiarowy do identyfikacji innych rodzajów uszkodzeń silnika indukcyjnego.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego, zaś fig. 2 - widmo mocy chwilowej dla silnika z uszkodzonym łożyskiem z zaznaczonymi częstotliwościami charakterystycznymi dla uszkodzenia bieżni zewnętrznej łożysk tocznych.

W celu przeprowadzenia badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego prowadzi się badania mocy chwilowej, uzyskanej poprzez przemnożenie wartości chwilowych prądu i napięcia zasilającego silnik indukcyjny. Sygnał prądu pobierany jest z jednej z faz zasilających maszynę indukcyjną M i następnie doprowadzany jest do przetwornika prądowo-napięciowego PIU. Sygnał napięcia pobierany jest z tej samej fazy co sygnał prądu i następnie doprowadzany jest do przetwornika napięciowego PU. Sygnały prądu i napięcia doprowadza się do wejść analogowych karty akwizycji sygnałów pomiarowych. Za pomocą filtra antyaliasingowego FA zrealizowanego na karcie akwizycji redukuje się składowe o częstotliwościach zbyt wysokich w stosunku do częstotliwości próbkowania następującego dalej przetwornika analogowo-cyfrowego A/C. Przetworniki analogowo-cyfrowe A/C, znajdujące się na karcie akwizycji danych pomiarowych zmieniają postać sygnału z analogowej na cyfrową, po czym opracowane oprogramowanie, znajdujące się na komputerze K, dokonuje operacji mnożenia wartości chwilowych prądu i napięcia w zespole mnożenia prądu i napięcia UM oraz obliczenia widma sygnału metodą szybkiej transformaty Fouriera w zespole obliczenia transformaty Fouriera FFT. Zespół obliczenia transformaty Fouriera FFT połączony jest z zespołem obliczenia częstotliwości napięcia sieci zasilającej ZCN i z zespołem obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego ZPK oraz zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń

PL 220 252 B1

ZAS i zespołem obliczania transformaty falkowej ZTF. Wyjście zespołu obliczania częstotliwości napięcia sieci zasilającej ZCN oraz wyjście zespołu obliczenia prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego ZPK, doprowadzone są do wejścia zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń ZCŁ. Do zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń ZCŁ dołączona jest baza danych ZD łożysk tocznych. Wyjście zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń ZCŁ połączone jest z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma prądu o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń ZAS. W rezultacie, na podstawie uzyskanego widma określa się w znany sposób częstotliwość napięcia sieci zasilającej i prędkość kątową wirnika silnika indukcyjnego. Parametry te są wprowadzane do znanych wzorów, określających na podstawie wymiarów geometrycznych łożyska tocznego częstotliwości wibracji silnika, pojawiających się przy określonych typach uszkodzeń. Przykładowo wibracja pojawiająca się przy uszkodzeniu bieżni zewnętrznej ma częstotliwość zgodną z zależnością:

η t B_d \ = ó · 777 · 1 - ~£~ · cos3

60 V P, J

N_h ^~_Q-N_b gdzie:

/_0Lrt - częstotliwość przetaczania elementów tocznych po zewnętrznym pierścieniu, n - prędkość kątowa [obr./min],

- liczba kLlek lLb rolek,

- średnica kulki lub rolki,

- średnica podziałowa łożyska,

Θ - kąt naporu.

Na podstawie obliczonych częstotliwości charakterystycznych dla łożyska kulkowego oblicza się częstotliwości składowych harmonicznych w widmie mocy chwilowej, pojawiających się przy określonych uszkodzeniach łożysk. W celu dokonania diagnozy dokonuje się porównania amplitud tak określonych składowych z wartościami progowymi określonymi na podstawie pomiarów dla silnika indukcyjnego bez uszkodzeń. Przykładowe widmo mocy chwilowej uzyskane dla silnika indukcyjnego z uszkodzonym łożyskiem tocznym pokazane jest na fig. 2, na którym zaznaczone zostały składowe, pojawiające się w silniku z uszkodzonym łożyskiem.

Układ do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego, pokazany na fig. 1, składa się z badanej maszyny indukcyjnej M i z przetwornika prądowo-napięciowego PIU oraz z przetwornika napięcia PU, których wyjście połączone jest z wejściami analogowymi układu akwizycji sygnałów pomiarowych. Układy antyaliasingowe oraz wzmacniacze sygnału zrealizowane zostały na kartach pomiarowych. Do badań wykorzystano kartę pomiarową, umożliwiającą jednoczesne próbkowanie sygnałów w każdym z kanałów. Sygnał z wyjścia układu antyaliasingowego podawany jest bezpośrednio na przetwornik analogowo-cyfrowy A/C, również zrealizowany na karcie pomiarowej. Sygnał z karty pomiarowej przesyłany jest bezpośrednio do komputera K, na którym znajduje się zespół obliczenia iloczynu wartości chwilowych prądu i napięcia UM, zespół transformaty Fouriera FFT, połączony z zespołem obliczenia częstotliwości napięcia sieci zasilającej ZCN i z zespołem obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego ZPK oraz zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń ZAS i zespół analizy falkowej ZTF. Wyjście zespołu obliczania częstotliwości napięcia sieci zasilającej ZCN oraz wyjście zespołu obliczenia prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego ZPK doprowadzone są do wejścia zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń ZCŁ. Do zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń ZCŁ dołączona jest baza danych łożysk ZD, zaś wyjście tego zespołu połączone jest z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń ZAS.

Korzystnym rezultatem wynalazku jest to, że do obliczeń częstotliwości charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk tocznych wykorzystuje się informacje z tego samego widma, które jest dalej wykorzystywane do poszukiwania składowych diagnostycznych. W efekcie zapewnia się zgodność częstotliwości obliczonych teoretycznie i pojawiających się w widmie mocy chwilowej uzyskanym w wyniku pomiarów.

Claims

1. Sposób przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego, polegający na analizie widmowej mocy chwilowej i określeniu częstotliwości charakterystycznych dla rodzaju uszkodzeń, znamienny tym, że parametry niezbędne do obliczeń częstotliwości harmonicznych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk tocznych w silniku indukcyjnym, określa się na podstawie tego samego widma, które wykorzystuje się do obliczenia częstotliwości sieci i prędkości obrotowej wirnika, zaś widmo mocy chwilowej otrzymuje się poprzez pobranie prądu z jednej z faz prądu zasilającego silnik indukcyjny i kondycjonowanie sygnału prądu, przy czym podczas procesu kondycjonowania zamienia się sygnał prądu na napięcie w układzie przetwornika prądowo-napięciowego oraz pobranie napięcia z jednej z faz napięcia zasilającego silnik indukcyjny i kondycjonowanie sygnału napięcia, przy czym proces kondycjonowania sygnału napięcia prowadzi się po przetworzeniu napięcia na mniejszą wartość za pomocą przetwornika napięcia, a po zakończeniu kondycjonowania sygnałów zmienia się postać sygnałów z analogowej na cyfrową przy użyciu przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C) i wykonuje się mnożenie wartości chwilowych prądu oraz napięcia, a następnie poprzez obliczenie transformaty Fouriera z iloczynu wartości chwilowych prądu i napięcia oraz filtracji z wykorzystaniem transformaty falkowej otrzymuje się widmo mocy chwilowej, po czym częstotliwości harmoniczne charakterystyczne dla uszkodzeń łożysk tocznych w silniku indukcyjnym oblicza się na podstawie informacji pobranych z bazy danych łożysk tocznych oraz na podstawie obliczeń częstotliwości napięcia sieci zasilającej oraz prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego.

2. Układ do przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego, znamienny tym, że składa się z przetwornika prądowo-napięciowego (PIU), którego wyjście połączone jest z wejściem analogowym karty akwizycji sygnałów pomiarowych, na wejściu której znajduje się filtr antyaliasingowy (FA), której wyjście połączone jest z komputerem (K), na którym znajduje się zespół obliczania iloczynu wartości chwilowych prądu i napięcia (UM), zespół obliczenia transformaty Fouriera (FFT), połączony z zespołem filtracji opartej na transformacie falkowej (ZTF) i zespołem obliczenia częstotliwości napięcia sieci zasilającej (ZCN) i z zespołem obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego (ZPK) oraz z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń (ZAS), przy czym wyjście zespołu obliczania częstotliwości napięcia sieci zasilającej (ZCN) oraz wyjście zespołu obliczenia prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego (ZPK), doprowadzone są do wejścia zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń (ZCŁ), przy czym do zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń (ZCŁ) dołączona jest baza danych (ZD) łożysk, zaś wyjście zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń (ZCŁ) połączone jest z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma mocy chwilowej o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń (ZAS).