RU2431152C2 - Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems - Google Patents
Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems Download PDFInfo
- Publication number
- RU2431152C2 RU2431152C2 RU2009143292/28A RU2009143292A RU2431152C2 RU 2431152 C2 RU2431152 C2 RU 2431152C2 RU 2009143292/28 A RU2009143292/28 A RU 2009143292/28A RU 2009143292 A RU2009143292 A RU 2009143292A RU 2431152 C2 RU2431152 C2 RU 2431152C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- harmonic components
- voltages
- time interval
- currents
- phase
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Tests Of Circuit Breakers, Generators, And Electric Motors (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области диагностики механизмов и систем с электрическим приводом, в частности во взрывозащищенном исполнении, на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых электродвигателем.The invention relates to the field of diagnostics of mechanisms and systems with an electric drive, in particular in an explosion-proof version, based on an analysis of the parameters of the harmonic components of currents and voltages generated by an electric motor.
Состояние промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах во многом зависит от технического состояния механизмов и систем с электрическим приводом. Ввиду высокой опасности используемых в технологических циклах предприятий химических веществ отказ механизмов и систем с электрическим приводом может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождаемых значительным экономическим и экологическим ущербом.The state of industrial safety at explosion and fire hazardous and chemically hazardous production facilities largely depends on the technical condition of mechanisms and systems with electric drive. Due to the high danger of chemicals used in the technological cycles of enterprises, the failure of mechanisms and systems with an electric drive can lead to emergency situations accompanied by significant economic and environmental damage.
Известен способ определения технического состояния роторных механизмов, при котором электрический сигнал, пропорциональный вибрации, преобразуют в спектр (патент RU 2278365 «Способ диагностики роторных механизмов», опубл. 20.06.2006).A known method for determining the technical condition of rotor mechanisms, in which an electrical signal proportional to vibration, is converted into a spectrum (patent RU 2278365 "Method for the diagnosis of rotor mechanisms", publ. 06/20/2006).
Недостатками этого способа является невысокая достоверность результата, сложность необходимых измерений, ограниченность видов диагностируемых неисправностей, ограниченность применения в помещениях с взрывоопасной средой.The disadvantages of this method is the low reliability of the result, the complexity of the necessary measurements, the limited types of diagnosed malfunctions, limited use in rooms with explosive atmospheres.
Известны способы диагностики механизмов с электрическим приводом, в которых состояние механизма оценивают с помощью спектра потребляемого электродвигателем тока.Known methods for diagnosing mechanisms with an electric drive, in which the state of the mechanism is estimated using the spectrum of the current consumed by the electric motor.
В патенте RU 2269759 «Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем», опубл. 10.02.2006, измеряют спектр частот амплитудной модуляции электрического тока, потребляемого исполнительным электрическим двигателем. При этом на каждой частоте амплитудной модуляции измеряют глубину амплитудной модуляции тока. По измеренной частоте амплитудной модуляции определяют дефектный агрегат механизма или системы, вызывающий появление переменной нагрузки на электродвигатель, а по измеренной глубине амплитудной модуляции определяют величину этого дефекта.In patent RU 2269759 "Method for the diagnosis of mechanisms and systems with an electric motor", publ. 02/10/2006, measure the frequency spectrum of the amplitude modulation of the electric current consumed by the Executive electric motor. Moreover, at each frequency of the amplitude modulation, the depth of the amplitude modulation of the current is measured. The defective unit of the mechanism or system that causes the appearance of a variable load on the electric motor is determined from the measured frequency of the amplitude modulation, and the magnitude of this defect is determined from the measured depth of the amplitude modulation.
Недостатками этого способа являются невысокая достоверность результата, обусловленная тем, что не учитывает помехи, поступающие из сети, и не осуществляет анализ питающего напряжения электродвигателя.The disadvantages of this method are the low reliability of the result, due to the fact that it does not take into account the interference coming from the network and does not analyze the supply voltage of the electric motor.
В патенте RU 2300116 «Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств», опубл. 27.05.2007 (прототип), производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой, выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети, если амплитуды на характерных частотах ниже амплитуды основного пика на частоте питающей сети на заданную величину, делают вывод о хорошем техническом состоянии электродвигателя, а в случае, если указанная разница между амплитудами меньше заданной величины, делают вывод о развитии повреждения.In patent RU 2300116 "Method for the diagnosis of AC electric motors and related mechanical devices", publ. 05/27/2007 (prototype), the phase current values consumed by the electric motor are recorded using a current sensor with a linear amplitude-frequency characteristic, the analyzed characteristic frequencies are isolated using a low-pass filter, the resulting signal is converted from analog to digital, and then spectral is produced analysis of the received signal and comparison of the amplitudes at characteristic frequencies with the signal level at the frequency of the mains if the amplitudes at characteristic frequencies are lower than the amplitudes of the main peak at frequencies supply a predetermined amount, conclude good condition of the motor, and if said difference between the amplitudes is less than a predetermined value, conclude damage development.
Недостатками этого способа являются сложность оценки результатов, поскольку любая амплитудно-модулируемая частота f учитывается в спектре дважды, т.е. в виде |f1-f] и в виде |f1+f|. Такой двойной учет модулируемой частоты обуславливает недостаточную точность диагностирования и отсутствие возможности увеличения числа анализируемых гармоник частоты f.The disadvantages of this method are the difficulty in evaluating the results, since any amplitude-modulated frequency f is taken into account in the spectrum twice, i.e. in the form | f 1 -f] and in the form | f 1 + f |. Such a double accounting of the modulated frequency leads to insufficient diagnostic accuracy and the inability to increase the number of analyzed harmonics of frequency f.
Технической задачей данного изобретения является создание более достоверного, удобного, надежного и безопасного способа диагностики механизмов и систем с электрическим приводом.The technical task of this invention is the creation of a more reliable, convenient, reliable and safe method for diagnosing mechanisms and systems with electric drive.
Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики механизмов и систем с электрическим приводом, включающем запись значений фазных токов и напряжений электродвигателя в течение заданного интервала времени и с заданной периодичностью, разложение их на гармонические составляющие с помощью быстрого преобразования Фурье и измерение амплитуды и фазы гармонических составляющих, фильтрацию гармонических составляющих, преобразование полученного сигнала из аналоговой в цифровую форму, идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта по совокупности параметров гармонических составляющих фазных токов и напряжений, генерируемых электродвигателем, и динамики их изменения, согласно изобретению используют искусственную нейронную сеть, которая идентифицирует техническое состояние объекта с применением коэффициентов искажения кривой тока и кривой напряжения для каждого интервала времени с выдачей результата - кода возможного дефекта, анализирует и прогнозирует техническое состояние объекта с применением интегрального параметра поврежденности за весь исследуемый период времени и выдает результат возможного значения параметра поврежденности будущего измерения через тот же интервал времени. При этом для обучения искусственной нейронной сети применяют теорию планирования эксперимента, а для более точной оценки технического состояния механизмов и систем с электрическим приводом используют синусоидальные составляющие напряжений и токов, не являющиеся кратной основной частоте - интергармоники, которые позволяют проследить явные изменения целочисленных гармоник. Для отделения гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, от гармонических составляющих, генерируемых двигателем электропривода, измеряют углы сдвига по фазе φui(k) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов I(k) и напряжений U(k) если угол сдвига меньше (+90°) или больше (-90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается. Кроме того, интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма и системы с электрическим приводом определяют индивидуально, в зависимости от параметров потока отказов каждого типа элементов оборудования, времени и условий эксплуатации по формуле:The problem is solved in that in a method for diagnosing mechanisms and systems with an electric drive, including recording the values of phase currents and electric motor voltages for a given time interval and at a given frequency, decomposing them into harmonic components using a fast Fourier transform and measuring the amplitude and phase of harmonic components, filtering harmonic components, converting the received signal from analog to digital, identifying the technical condition and progn According to the invention, an artificial neural network is used that identifies the technical condition of the object using distortion coefficients of the current curve and voltage curve for each time interval, from the set of parameters of the trouble-free operation of the diagnosed object by the set of parameters of the harmonic components of the phase currents and voltages generated by the electric motor by issuing a result - a code of a possible defect, analyzes and predicts the technical condition of the object using we take the integral damage parameter for the entire studied period of time and gives the result of the possible value of the damage parameter of the future measurement after the same time interval. At the same time, the theory of experimental design is used to train an artificial neural network, and for a more accurate assessment of the technical state of mechanisms and systems with an electric drive, sinusoidal components of voltages and currents that are not a multiple of the fundamental frequency are used - interharmonics, which allow us to trace obvious changes in integer harmonics. To separate the harmonic components of the phase currents and voltages coming from the network from the harmonic components generated by the electric motor, measure the phase angles φ ui (k) between the corresponding harmonic components of the phase currents I (k) and the stresses U (k) if the shear angle less (+ 90 °) or more (-90 °), then this harmonic component comes from the network and is excluded from the analysis. In addition, the time interval for recording the values of phase currents and voltages for each mechanism and system with an electric drive is determined individually, depending on the failure flow parameters of each type of equipment items, time and operating conditions according to the formula:
Tk=T0Qk,T k = T 0 Q k ,
где Т0 - средняя наработка на отказ элементов оборудования;where T 0 - the mean time between failures of equipment items;
Qk - вероятность отказов за период контроля работоспособности.Q k - the probability of failures for the period of monitoring performance.
Кроме того, интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма и системы с электрическим приводом определяют по теореме Котельникова, вследствие чего интервал между двумя отсчетными точками определяют по формуле:In addition, the time interval for recording the values of phase currents and voltages for each mechanism and system with an electric drive is determined by the Kotelnikov theorem, as a result of which the interval between two reference points is determined by the formula:
При этом интервал времени, в течение которого производят запись значений, составляет от 0,02 секунды до 1,00 секунд.In this case, the time interval during which the values are recorded is from 0.02 seconds to 1.00 seconds.
Для разложения фазных токов и напряжений электродвигателя на гармонические составляющие используют метод дискретного преобразования Фурье. Для обеспечения требуемой чувствительности используют аналого-цифровой преобразователь с разрядностью не ниже 16.To decompose phase currents and electric motor voltages into harmonic components, the discrete Fourier transform method is used. To ensure the required sensitivity, an analog-to-digital converter with a bit capacity of at least 16 is used.
Для достижения данного результата в течение заданного интервала времени производят запись значений фазных токов и напряжений электродвигателя, затем производят их разложение на гармонические составляющие и измерение амплитуды и фазы гармонических составляющих, производят фильтрацию гармонических составляющих, поступающих из сети. По совокупности параметров гармонических составляющих производят идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта.To achieve this result, during a given time interval, the values of the phase currents and voltages of the electric motor are recorded, then they are decomposed into harmonic components and the amplitude and phase of the harmonic components are measured, and harmonic components filtered from the network are filtered. Based on the totality of the parameters of the harmonic components, the technical state is identified and the resource of trouble-free operation of the diagnosed object is predicted.
Спектральный способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом позволяет определить следующие виды повреждений: ухудшение состояния изоляции обмоток, изменение сопротивления проводов обмоток, дисбаланс ротора электродвигателя и вала машинного агрегата, неисправность подшипников, межвитковые короткие замыкания обмотки статора, межфазные короткие замыкания обмотки статора, однофазные замыкание фазы на корпус, обрыв фазы на выводах обмотки статора, обрыв стержней обмотки ротора, несоосность валов электродвигателя и машинного агрегата, эксцентриситет ротора, ослабление элементов крепления на фундаменте, дефект исполнительного органа машинного агрегата (рабочего колеса).The spectral method for diagnosing mechanisms and systems with an electric drive allows you to determine the following types of damage: deterioration of the insulation of the windings, a change in the resistance of the wires of the windings, an imbalance in the rotor of the electric motor and the shaft of the machine unit, bearing failure, interturn short circuits of the stator winding, interphase short circuits of the stator winding, single-phase short circuit phase to the housing, phase failure at the terminals of the stator winding, breakage of the rods of the rotor winding, misalignment of the motor shafts and the machine of another unit, rotor eccentricity, weakening of the fastening elements on the foundation, defect of the executive body of the machine unit (impeller).
На фиг.1 представлена структурная схема измерительного комплекса.Figure 1 presents the structural diagram of the measuring complex.
На фиг.2 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя центробежного насоса в исправном состоянии.Figure 2 presents the harmonic composition of the currents and voltages of the electric motor of a centrifugal pump in good condition.
На фиг.3 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя при витковом замыкании в фазе С обмотки статора.Figure 3 shows the harmonic composition of the currents and voltages of the electric motor when the coil is closed in phase C of the stator winding.
На фиг.4 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя при межфазном замыкании фаз А и В в обмотке статора.Figure 4 shows the harmonic composition of the currents and voltages of the electric motor with the interphase closure of phases A and B in the stator winding.
На фиг.5 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя центробежного насоса при повреждении рабочего колеса.Figure 5 presents the harmonic composition of the currents and voltages of the electric motor of a centrifugal pump when the impeller is damaged.
На фиг.6 представлен гармонический состав токов и напряжений электродвигателя центробежного насоса при дисбалансе вала насоса.Figure 6 presents the harmonic composition of the currents and voltages of the electric motor of a centrifugal pump with an imbalance of the pump shaft.
На фиг.7 представлена динамика изменения спектров гармонических составляющих токов двигателя центробежного насоса, полученных при разложении на целочисленные гармоники.Figure 7 presents the dynamics of changes in the spectra of the harmonic components of the currents of the motor of a centrifugal pump, obtained by decomposition into integer harmonics.
На фиг.8 представлена динамика изменения спектров гармонических составляющих токов двигателя центробежного насоса, полученных с учетом интергармоник.On Fig presents the dynamics of changes in the spectra of the harmonic components of the currents of the motor of a centrifugal pump, obtained taking into account interharmonics.
Измерительный комплекс (фиг.1) содержит: блок управления электродвигателем 1, машинный агрегат с электрическим приводом 2, датчики тока и напряжения 3, аналого-цифровой преобразователь 4, персональный компьютер со специализированным программным обеспечением 5. В качестве 3 и 4 может применяться измеритель показателей качества электрической энергии (Ресурс-UF2(M), AR5).The measuring complex (figure 1) contains: an electric
Данный способ позволяет производить диагностику на работающем оборудовании, а также вести удаленный контроль, что особенно важно при диагностике механизмов и систем с электрическим приводом во взрывозащищенном исполнении. Обнаружение дефектов на работающем оборудовании на ранней стадии их развития не только предупреждает внезапную остановку производства в результате аварии, но и значительно снижает расходы на ремонт оборудования и увеличивает срок его службы.This method allows diagnostics on operating equipment, as well as remote monitoring, which is especially important in the diagnosis of mechanisms and systems with electric drive in explosion-proof design. Detection of defects on working equipment at an early stage of their development not only prevents a sudden stop of production as a result of an accident, but also significantly reduces the cost of repairing equipment and increases its service life.
Физический принцип спектрального способа диагностики механизмов и систем с электрическим приводом на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых электродвигателем, основан на том, что в симметричной трехфазной обмотке статора электрической машины образуется гармоника порядкаThe physical principle of the spectral method for diagnosing mechanisms and systems with an electric drive based on an analysis of the parameters of the harmonic components of currents and voltages generated by an electric motor is based on the fact that a harmonic of the order is formed in a symmetric three-phase stator winding of an electric machine
где k=0, 1, 2, 3, ….where k = 0, 1, 2, 3, ....
Магнитодвижущая сила (МДС) каждой отдельной фазы обмотки статора представляет собой сумму неподвижных в пространстве и пульсирующих во времени всех гармонических составляющих, результирующая МДС машины для каждой гармонической составляющей в отдельности является суммой соответствующих гармонических составляющих всех трех фаз.The magnetomotive force (MDS) of each individual phase of the stator winding is the sum of all harmonic components that are stationary in space and pulsating in time, the resulting MDS of the machine for each harmonic component separately is the sum of the corresponding harmonic components of all three phases.
При возникновении электрических неисправностей (ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов обмоток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания) нарушаются электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и ротора и, как следствие этого, определенным образом нарушается симметрия МДС третьей гармоники в фазных обмотках. В этих случаях МДС третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему и их сумма не равняется нулю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая МДС с частотой 3f1 (f1 - частота сети), индуктирующая в обмотке статора ЭДС с частотой 3f1, а в обмотке ротора - с частотой 3f1sIn the event of electrical failures (deterioration of the insulation state, changes in the resistance of the wires of the windings, coil faults, interphase faults, and single-phase faults), the electrical and magnetic symmetries of the stator and rotor windings are violated and, as a result, the symmetry of the third harmonic MDS in phase windings is broken. In these cases, the MDS of the third harmonics in the three phases of the stator already represent an asymmetric system and their sum does not equal zero. As a result of this, the resulting MDF with a frequency of 3f 1 (f 1 is the network frequency) appears in the air gap of the machine, inducing an EMF in the stator winding with a frequency of 3f 1 , and in the rotor winding with a frequency of 3f 1 s
где Ev=3 (ст) - ЭДС третьей гармоники обмотки статора, В;where E v = 3 (st) - EMF of the third harmonic of the stator winding, V;
Ev=3 (рот) - ЭДС третьей гармоники обмотки ротора, В;E v = 3 (mouth) - EMF of the third harmonic of the rotor winding, V;
w1 - число витков обмотки статора;w 1 - the number of turns of the stator winding;
w2 - число витков обмотки ротора;w 2 - the number of turns of the rotor winding;
Коб v=3 - обмоточный коэффициент;To about v = 3 - winding coefficient;
s - скольжение;s is the slip;
f1 - частота сети, Гц;f 1 - network frequency, Hz;
Фv=3 - магнитный поток третьей гармоники, Вб.Ф v = 3 - magnetic flux of the third harmonic, Wb.
Возникновение межвитковых и межфазных замыканий в фазных обмотках приводит к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники и, как следствие, к увеличению ЭДС (фиг.3, 4).The occurrence of inter-turn and inter-phase faults in phase windings leads to a certain increase in the values of the third harmonic in undamaged phases, since an increase in current in a short-circuited circuit enhances the asymmetry of currents in phases. This leads to an increase in the resulting flux from the currents of the third harmonic and, as a consequence, to an increase in the EMF (Figs. 3, 4).
Несимметричная система токов обмотки ротора с частотой f1s (при дисбалансе, при повреждениях подшипников и т.д.) может быть разложена на составляющие прямой и обратной последовательностей. При этом ток прямой последовательности создает поле, которое вращается в сторону вращения ротора синхронно с полем статора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, обратную вращению ротора, с частотой вращения n2=-n1s относительно ротора. Частота вращения обратного поля относительно статора складывается из частот вращения ротора относительно статора n и данного поля относительно ротора n2,An asymmetric system of rotor winding currents with a frequency of f 1 s (with imbalance, with damaged bearings, etc.) can be decomposed into components of the forward and reverse sequences. In this case, the direct sequence current creates a field that rotates in the direction of rotation of the rotor synchronously with the stator field. The magnetic field of the currents of the reverse sequence rotates in the direction opposite to the rotation of the rotor, with a rotation frequency n 2 = -n 1 s relative to the rotor. The frequency of rotation of the reverse field relative to the stator is the sum of the frequencies of rotation of the rotor relative to the stator n and this field relative to the rotor n 2 ,
Обратное поле ротора индуктирует в обмотке статора ЭДС с частотой (1-2s)f1, вызывающие в ней токи такой же частоты.The reverse field of the rotor induces in the stator winding EMF with a frequency of (1-2s) f 1 , causing currents of the same frequency in it.
Такое представление может быть распространено и на высшие гармоники в фазных величинах. Так как магнитный поток v-го порядка гармоник статора вращается с частотойSuch a representation can also be extended to higher harmonics in phase quantities. Since the v-order magnetic flux of the stator harmonics rotates with a frequency
то частота тока, индуктированного в роторе этим потоком,then the frequency of the current induced in the rotor by this stream,
При этом поток v-й гармоники МДС ротора вращается относительно ротора с частотойIn this case, the v-th harmonic flux of the rotor MDS rotates relative to the rotor with a frequency
Частота вращения потока гармоники ротора в пространствеThe frequency of rotation of the harmonic flow of the rotor in space
По отношению к обратновращающемуся полю, машина может рассматриваться как обращенный асинхронный двигатель, питаемый со стороны ротора. Таким образом, в статорной обмотке протекают токи, вызванные напряжением сети, и токи, вызванные напряжением, индуктированным обратным полем ротора. Так как частоты этих токов отличаются друг от друга незначительно, в результате сложения их магнитных полей возникает пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих. При повреждениях на роторе (дисбаланс, повреждения подшипников) пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих увеличивается (фиг.5, 6).With respect to the reverse rotating field, the machine can be considered as a reversed induction motor, fed from the rotor side. Thus, currents caused by the mains voltage and currents caused by the voltage induced by the reverse field of the rotor flow in the stator winding. Since the frequencies of these currents differ slightly from each other, as a result of the addition of their magnetic fields, ripple (beating) of a low frequency of the phase current and its harmonic components occurs. When damage to the rotor (imbalance, damage to the bearings) ripple (runout) of the low frequency of the phase current and its harmonic components increases (Fig.5, 6).
Таким образом, техническое состояние механизмов и систем с электрическим приводом определяют по значениям третьей, пятой, седьмой и девятой гармонических составляющих токов и напряжений, т.е. гармоник, наиболее подверженных влиянию повреждений.Thus, the technical condition of mechanisms and systems with an electric drive is determined by the values of the third, fifth, seventh and ninth harmonic components of currents and voltages, i.e. harmonics most affected by damage.
Рассмотрим отличие данного способа от способов, описанных выше.Consider the difference between this method and the methods described above.
Для идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безаварийной работы диагностируемого объекта по совокупности параметров генерируемых двигателем электропривода гармонических составляющих токов и напряжений используют искусственную нейронную сеть. Для обучения искусственной нейронной сети применяют теорию планирования эксперимента, позволяющую значительно уменьшить число опытов. Планирование эксперимента для получения линейной модели основано на варьировании факторов (видов повреждений) на двух уровнях. В этом случае, используя полный факторный эксперимент, число опытов, необходимых для реализации всех возможных сочетаний уровней факторов, определяют по формуле:To identify the technical condition and predict the resource of trouble-free operation of the diagnosed object by the set of parameters generated by the electric motor engine, the harmonic components of currents and voltages use an artificial neural network. To train an artificial neural network, the theory of experimental design is used, which can significantly reduce the number of experiments. The design of the experiment to obtain a linear model is based on the variation of factors (types of damage) at two levels. In this case, using a full factorial experiment, the number of experiments necessary to implement all possible combinations of factor levels is determined by the formula:
где k - число факторов;where k is the number of factors;
2 - число уровней.2 - the number of levels.
Из формулы видно, что при увеличении числа факторов количество опытов возрастает значительно. Снижение числа опытов достигается за счет использования дробной реплики р дробного факторного эксперимента:The formula shows that with an increase in the number of factors, the number of experiments increases significantly. The reduction in the number of experiments is achieved through the use of a fractional replica p of a fractional factorial experiment:
При количестве опытов Nд определяют коэффициенты уравнения регрессии, а затем применяют полный факторный эксперимент и рассчитывают значения выходных функций при всех возможных сочетаниях уровней факторов.With the number of experiments N d , the coefficients of the regression equation are determined, and then a full factorial experiment is applied and the values of the output functions are calculated for all possible combinations of factor levels.
Для идентификации технического состояния диагностируемого объекта используют коэффициенты искажения кривой тока KI(k) и кривой напряжения KU(k), их значения анализирует нейронная сеть, которая выдает результат - код возможного дефекта D и сравнивает его с данными диагностического словаря:To identify the technical condition of the diagnosed object, distortion coefficients of the current curve K I (k) and voltage curve K U (k) are used , their values are analyzed by the neural network, which gives the result - a code of a possible defect D and compares it with the data of the diagnostic dictionary:
где wn - весовые коэффициенты нейронной сети.where w n are the weights of the neural network.
Аналогичное выражение получается для коэффициентов искажения кривых напряжения KU(k).A similar expression is obtained for the distortion coefficients of the voltage curves K U (k) .
Для прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации диагностируемого объекта используют интегральный параметр поврежденности P(t), характеризующий степень искажения синусоидальности кривой тока совокупностью высших гармоник:To predict the safe operation resource of the diagnosed object, the integral damage parameter P (t) is used , which characterizes the degree of distortion of the sinusoidality of the current curve by the combination of higher harmonics:
где I(1) - амплитудное значение тока первой гармоники;where I (1) is the amplitude value of the current of the first harmonic;
I(k) - амплитудное значение тока k-ой гармоники.I (k) is the amplitude value of the current of the kth harmonic.
Параметр поврежденности P(t) определяют для каждого интервала времени, совокупность значений параметров за весь исследуемый период времени анализируют нейронной сетью. Сеть выдает результат возможного значения параметра поврежденности P(t) будущего измерения через тот же интервал времени:The damage parameter P (t) is determined for each time interval; the set of parameter values for the entire studied time period is analyzed by a neural network. The network gives the result of the possible value of the damage parameter P (t) of the future measurement after the same time interval:
Таким образом, определяют не дату выхода из строя машинного агрегата, а значение параметра поврежденности P(t) в следующий период времени. При каждом следующем измерении «новый» спектр токов добавляют к предыдущему, создавая базу данных динамики изменения спектра гармоник токов за весь рассмотренный период. На основе анализа динамики изменения параметр поврежденности P(t) нейронной сетью осуществляют прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации объекта диагностирования.Thus, they determine not the date of failure of the machine unit, but the value of the damage parameter P (t) in the next period of time. With each subsequent measurement, a "new" spectrum of currents is added to the previous one, creating a database of dynamics of changes in the spectrum of current harmonics for the entire considered period. Based on the analysis of the dynamics of change, the damage parameter P (t) by the neural network predicts the resource of safe operation of the diagnostic object.
Для более точной оценки технического состояния механизмов и систем с электрическим приводом используют синусоидальные составляющие напряжений и токов, не являющиеся кратной основной частоте - интергармоники, которые позволяют проследить явные изменения целочисленных гармоник. Необходимо отметить, что если в сигнале присутствует гармоника с частотой, не рассматриваемой на усредненном интервале, то данная гармоника вызывает периодические увеличения и понижения амплитуд остальных гармоник. Причина этого состоит в перераспределении энергии промежуточных гармоник между целочисленными гармониками (фиг.7, 8). На целочисленных спектрах частотная закономерность проявляется слабо. При исследовании с учетом интергармоник четко прослеживаются изменения по 3, 5, 7, 9 гармоникам.For a more accurate assessment of the technical condition of mechanisms and systems with an electric drive, sinusoidal components of voltages and currents that are not a multiple of the fundamental frequency are used - interharmonics, which allow us to trace obvious changes in integer harmonics. It should be noted that if a harmonic with a frequency that is not considered in the average interval is present in the signal, this harmonic causes periodic increases and decreases in the amplitudes of the remaining harmonics. The reason for this is the redistribution of the energy of the intermediate harmonics between integer harmonics (Figs. 7, 8). On integer spectra, the frequency pattern is weakly manifested. In the study, taking into account interharmonics, changes in 3, 5, 7, 9 harmonics are clearly traced.
Для отделения гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, от гармонических составляющих, генерируемых двигателем электропривода, измеряют углы сдвига по фазе φui(k) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов I(k) и напряжений U(k), Если угол сдвига меньше (+90°) или больше (-90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается (см. РД 153-34.0-15.502 - 2002 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии»).To separate the harmonic components of the phase currents and voltages coming from the network from the harmonic components generated by the electric motor, measure the phase angle φ ui (k) between the corresponding harmonic components of the phase currents I (k) and voltages U (k) , If the angle less than the shift (+ 90 °) or more (-90 °), then this harmonic component comes from the network and is excluded from the analysis (see RD 153-34.0-15.502 - 2002 “Methodological instructions for monitoring and analyzing the quality of electric energy in power supply systems total n values. Part 2: Analysis of the electrical energy quality ").
В предлагаемом способе предусмотрены два метода определения интервал времени записи значений фазных токов и напряжений.The proposed method provides two methods for determining the time interval for recording the values of phase currents and voltages.
При первом методе интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма или системы с электрическим приводом определяют индивидуально, в зависимости от параметров потока отказов каждого типа элементов оборудования, времени и условий эксплуатации, по формуле:In the first method, the time interval for recording the values of phase currents and voltages for each mechanism or system with an electric drive is determined individually, depending on the failure flow parameters of each type of equipment items, time and operating conditions, according to the formula:
где Т0 - средняя наработка на отказ элементов оборудования;where T 0 - the mean time between failures of equipment items;
Qk - вероятность отказов за период контроля работоспособности.Q k - the probability of failures for the period of monitoring performance.
При втором методе интервал времени записи значений фазных токов и напряжений для каждого механизма и системы с электрическим приводом определяется по теореме Котельникова. Если параметр повреждаемости механизма представлен в виде аналогового сигнала P(t), который имеет ограниченный спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой более удвоенной максимальной частоты спектра Fmax In the second method, the time interval for recording the values of phase currents and voltages for each mechanism and system with an electric drive is determined by the Kotelnikov theorem. If the damage parameter of the mechanism is presented in the form of an analog signal P (t), which has a limited spectrum, then it can be uniquely and losslessly restored from its discrete samples taken with a frequency of more than twice the maximum frequency of the spectrum F max
Интервал между двумя отсчетными точками определяют по формулеThe interval between two reference points is determined by the formula
Сигнал P(t), ограниченный по спектру максимальной частотой, можно представить рядомThe signal P (t), limited by the maximum frequency spectrum, can be represented as
где P(nΔt) - выборки функции P(t) в моменты времени t;where P (nΔt) are samples of the function P (t) at times t;
ωmax - угловая максимальная частота.ω max - maximum angular frequency.
При определении параметров гармоник токов и напряжений используют прямоугольное измерительное окно - интервал времени Tw, в течение которого производят запись значений. Некорректное определение частоты процессов может заметно повлиять на точность определения действующих значений сигналов и параметров, характеризующих несинусоидальность и несимметрию процессов. Результирующие погрешности при определении действующих значений и спектров переменных зависят не только от точности определения текущей частоты первой гармоники сигналов, но и от частоты дискретизации переменных, от ширины окна обработки сигналов, от начальной фазы переменной в окне обработки. ГОСТ 13109-97When determining the parameters of harmonics of currents and voltages, a rectangular measuring window is used - the time interval T w , during which values are recorded. Incorrect determination of the frequency of processes can significantly affect the accuracy of determining the effective values of signals and parameters characterizing nonsinusoidality and asymmetry of processes. The resulting errors in determining the effective values and spectra of variables depend not only on the accuracy of determining the current frequency of the first harmonic of the signals, but also on the sampling frequency of the variables, on the width of the signal processing window, on the initial phase of the variable in the processing window. GOST 13109-97
для нестабильных режимов рекомендует применять окна Tw=(0,08-0,32) с. Однако этот ГОСТ и следующие ему методики измерений ориентированы только на целочисленные гармоники. Согласно РД 153-34.0-15.502-2002 анализ действующих значений гармоник тока проводится на интервале времени 20 секунд. Гармоники рассчитаны с применением двух прямоугольных скользящих окон 0,02 с и 0,2 с, смещающихся через период промышленной частоты. При малом окне 0,02 с значения целочисленных гармоник (кроме основной) в два и более раза превышают их расчетные значения, определенные при окне 0,2 с. Причина этого состоит в том, что в амплитуде целочисленных гармоник при Tw=0,02 с отражена энергия, приходящаяся на ненаблюдаемые в данном случае промежуточные гармоники. В предлагаемом способе диагностики для корректного анализа действующих значений переменных применяют измерительное окно, отвечающее периоду искомых частот для исследуемых моментов времени Tw от 0,02 с до 1 с на период частоты от 1 Гц до 500 Гц.for unstable modes recommends using windows T w = (0.08-0.32) s. However, this GOST and the following measurement procedures are focused only on integer harmonics. According to RD 153-34.0-15.502-2002, the analysis of the current values of the current harmonics is carried out on a time interval of 20 seconds. Harmonics are calculated using two rectangular sliding windows of 0.02 s and 0.2 s, shifted through the period of industrial frequency. With a small window of 0.02 s, the values of integer harmonics (except the main one) are two or more times higher than their calculated values determined with a window of 0.2 s. The reason for this is that the amplitude of the integer harmonics at T w = 0.02 s reflects the energy attributable to the intermediate harmonics that are not observed in this case. In the proposed diagnostic method, for the correct analysis of the effective values of the variables, a measurement window is used that corresponds to the period of the desired frequencies for the studied time instants T w from 0.02 s to 1 s for a frequency period from 1 Hz to 500 Hz.
Для разложения фазных токов и напряжений электродвигателя на гармонические составляющие используют методы быстрого и дискретного преобразования Фурье. Обратной величиной для Tw является основная частота преобразования Фурье - fF. Дискретное преобразование Фурье применяют к реальному сигналу в рамках определенного временного окна: сигнал, возникающий вне данного временного окна, не обрабатывается, однако считается, что его форма идентична форме сигнала, существующего в пределах временного окна. Таким способом реальный сигнал заменяют виртуальным сигналом, который является периодическим, с периодом, равным ширине временного окна. В результате обработки исследуемый несинусоидальный сигнал представляют величинами, с помощью которых осуществляется дальнейший анализ информации.To decompose phase currents and electric motor voltages into harmonic components, methods of fast and discrete Fourier transform are used. The inverse of T w is the fundamental frequency of the Fourier transform — f F. The discrete Fourier transform is applied to a real signal within a specific time window: a signal that occurs outside a given time window is not processed, however, it is assumed that its shape is identical to the waveform existing within a time window. In this way, the real signal is replaced with a virtual signal, which is periodic, with a period equal to the width of the time window. As a result of processing, the investigated non-sinusoidal signal is represented by the quantities with which further information analysis is carried out.
Для обеспечения требуемой чувствительности к изменениям параметров гармонических составляющих используют аналого-цифровой преобразователь с разрядностью не ниже 16. Высокая разрядность аналого-цифрового преобразователя позволяет исследовать изменения параметров гармонических составляющих при малых значениях токов, например, при токах холостого хода и при токах двигателей машинных агрегатов, близких к режиму холостого хода, выявить зарождающиеся дефекты.To ensure the required sensitivity to changes in the parameters of harmonic components, an analog-to-digital converter with a bit capacity of at least 16 is used. The high bit capacity of an analog-to-digital converter allows you to study changes in the parameters of harmonic components at low currents, for example, at no-load currents and at motor currents of machine units, close to idle, identify incipient defects.
Claims (9)
Тк=T0Qk,
где Т0 - средняя наработка на отказ элементов оборудования;
Qk - вероятность отказов за период контроля работоспособности.5. The method according to claim 1, characterized in that the time interval for recording the values of phase currents and voltages for each mechanism and system with an electric drive is determined individually, depending on the failure flow parameters of each type of equipment items, time and operating conditions according to the formula:
T k = T 0 Q k ,
where T 0 - the mean time between failures of equipment items;
Q k - the probability of failures for the period of monitoring performance.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009143292/28A RU2431152C2 (en) | 2009-11-23 | 2009-11-23 | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009143292/28A RU2431152C2 (en) | 2009-11-23 | 2009-11-23 | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009143292A RU2009143292A (en) | 2011-05-27 |
| RU2431152C2 true RU2431152C2 (en) | 2011-10-10 |
Family
ID=44734588
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009143292/28A RU2431152C2 (en) | 2009-11-23 | 2009-11-23 | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2431152C2 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2532762C1 (en) * | 2013-07-29 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" | Method to diagnose and assess residual resource of ac electric drives |
| RU2546993C1 (en) * | 2013-10-16 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет" | Method to diagnose technical condition of electric drive by evaluation of dynamics of its electrical parameters |
| RU2578630C2 (en) * | 2014-04-23 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет" | Method of self-setting of electric drive control system |
| RU2655948C1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский индустриальный университет" (ТИУ) | Device for registration, identification of overloads and estimation of residual resource of insulation of submersible electric motors |
| RU2704567C1 (en) * | 2018-10-19 | 2019-10-29 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets |
| RU2713575C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-02-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Method of monitoring condition of sliding contact connection of pantograph with contact wire during movement of electric rolling stock of railways |
| RU201601U1 (en) * | 2020-10-08 | 2020-12-23 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Кловер Групп" | DEVICE FOR REGISTRATION AND STORAGE OF DATA ON CURRENT CONSUMPED BY THE ELECTRIC MOTOR LOCOMOTIVE |
| RU2795372C2 (en) * | 2021-09-13 | 2023-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Череповецкий государственный университет» | Method for assessing the technical condition of the electric drive |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2495444C1 (en) * | 2012-04-23 | 2013-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Condition diagnosis method for asynchronous motor |
-
2009
- 2009-11-23 RU RU2009143292/28A patent/RU2431152C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| САМОРОДОВ А.В. Диагностика и прогнозирование остаточного ресурса взрывозащищенного электропривода насосно-компрессорного оборудования нефтехимических производств. - Салават, 2008, www.bashexpert.ru/konkurs/2008/two/ proekt3.pdf. * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2532762C1 (en) * | 2013-07-29 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" | Method to diagnose and assess residual resource of ac electric drives |
| RU2546993C1 (en) * | 2013-10-16 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет" | Method to diagnose technical condition of electric drive by evaluation of dynamics of its electrical parameters |
| RU2578630C2 (en) * | 2014-04-23 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет" | Method of self-setting of electric drive control system |
| RU2655948C1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский индустриальный университет" (ТИУ) | Device for registration, identification of overloads and estimation of residual resource of insulation of submersible electric motors |
| RU2704567C1 (en) * | 2018-10-19 | 2019-10-29 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets |
| RU2713575C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-02-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Method of monitoring condition of sliding contact connection of pantograph with contact wire during movement of electric rolling stock of railways |
| RU201601U1 (en) * | 2020-10-08 | 2020-12-23 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Кловер Групп" | DEVICE FOR REGISTRATION AND STORAGE OF DATA ON CURRENT CONSUMPED BY THE ELECTRIC MOTOR LOCOMOTIVE |
| RU2795372C2 (en) * | 2021-09-13 | 2023-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Череповецкий государственный университет» | Method for assessing the technical condition of the electric drive |
| RU2799985C1 (en) * | 2023-02-20 | 2023-07-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" | Method for monitoring the state of electrical machines by signature analysis of the current signal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009143292A (en) | 2011-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2431152C2 (en) | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems | |
| Pineda-Sanchez et al. | Application of the Teager–Kaiser energy operator to the fault diagnosis of induction motors | |
| DK2565658T3 (en) | Fault detection based on current signature analysis of a generator | |
| Irhoumah et al. | Detection of the stator winding inter-turn faults in asynchronous and synchronous machines through the correlation between harmonics of the voltage of two magnetic flux sensors | |
| EP2790028B1 (en) | Broken rotor bar detection based on current signature analysis of an electric machine | |
| CN113748326B (en) | Method for estimating bearing fault severity for induction motor | |
| US7042229B2 (en) | System and method for on line monitoring of insulation condition for DC machines | |
| Cabanas et al. | Unambiguous detection of broken bars in asynchronous motors by means of a flux measurement-based procedure | |
| Cusido et al. | Wavelet and PDD as fault detection techniques | |
| Climente-Alarcon et al. | Particle filter-based estimation of instantaneous frequency for the diagnosis of electrical asymmetries in induction machines | |
| Corne et al. | Comparing MCSA with vibration analysis in order to detect bearing faults—A case study | |
| Pons-Llinares et al. | Electric machines diagnosis techniques via transient current analysis | |
| RU2339049C1 (en) | Diagnostic method of alternating current motor and associated mechanical appliances | |
| RU2425390C1 (en) | Method to diagnose and assess residual resource of ac electric drives | |
| Ahamed et al. | Novel diagnosis technique of mass unbalance in rotor of induction motor by the analysis of motor starting current at no load through wavelet transform | |
| Pietrzak et al. | Stator phase current STFT analysis for the PMSM stator winding fault diagnosis | |
| RU2532762C1 (en) | Method to diagnose and assess residual resource of ac electric drives | |
| RU2730109C1 (en) | Vibration monitoring method of brush-collector units of direct-current motors | |
| Stankovic et al. | Enhanced algorithm for motor rotor broken bar detection | |
| Treetrong | Fault detection and diagnosis of induction motors based on higher-order spectrum | |
| Khelfi et al. | Diagnosis of dynamic eccentricity fault in inverter-fed induction machine using three phase stator currents intersection signal | |
| RU2213270C2 (en) | Method of checking condition of oil producing electric submersible units | |
| King et al. | Rotor fault detection in induction motors using the fast orthogonal search algorithm | |
| Lu et al. | An adaptive noise-cancellation method for detecting generalized roughness bearing faults under dynamic load conditions | |
| RU2826152C1 (en) | Method of diagnosing technical condition of electric motors in real time |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20130614 |
|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20130614 Effective date: 20151116 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20130614 Effective date: 20161206 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181124 |