PL205031B1

PL205031B1 - Sposób i układ do przeprowadzania badań diagnostycznych silnika indukcyjnego, zwłaszcza jego łożysk tocznych

Info

Publication number: PL205031B1
Application number: PL364252A
Authority: PL
Inventors: Leon Swędrowski
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2010-03-31
Also published as: PL364252A1

Description

Opis wynalazku

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

Powstanie różnych uszkodzeń w silniku indukcyjnym jest źródłem odkształcenia prądu zasilającego. Poddając przebieg prądu analizie widmowej obserwuje się szereg składowych, które związane są z określonymi typami uszkodzeń. Typowe wady wykrywane tym sposobem to uszkodzenia uzwojeń stojana i wirnika, a także brak współosiowości wałów. W przypadku uszkodzeń uzwojeń silnika dokonanie analizy widmowej nie sprawia trudności, gdyż znane są zależności określające składowe częstotliwościowe, które informują o istnieniu uszkodzenia.

Inaczej ma się sprawa w przypadku uszkodzeń mechanicznych, jak na przykład defektu łożyska. Amplitudy składowych informujących o tego typu uszkodzeniu w stosunku do amplitudy składowej podstawowej są bardzo małe, szczególnie w początkowej fazie rozwoju uszkodzenia, co stwarza problemy z pomiarem tych składowych.

Znany jest sposób diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego poprzez pomiar i analizę widmową prądu zasilającego. Sposób ten charakteryzuje się pomiarem prędkości kątowej silnika i częstotliwości napięcia sieci zasilającej za pomocą dodatkowych urządzeń pomiarowych. Z uzyskanych pomiarów oblicza się częstotliwości charakterystyczne dla określonych uszkodzeń łożyska. Niezależnie od tego pobierana jest próbka czasowa krzywej prądu, którą następnie poddaje się analizie widmowej. Sposób ten opisany jest w publikacji: B. Yazici, G. B. Kliman: An Adaptive Statistical Time - Frequency Method for Detection of Broken Bars and Bearing Fauls In Motors Using Stator Current. IEEE Transaction On Industry Applications, Vol. 35, No. 2, March/April 1999. W publikacji tej opisany jest statyczny czasowo-częstotliwościowy sposób detekcji uszkodzonych prętów klatki oraz łożysk w silnikach indukcyjnych.

Sposób przeprowadzania badań diagnostycznych uszkodzeń silnika indukcyjnego, zwłaszcza jego łożysk tocznych, polegający na analizie widmowej prądu i określeniu częstotliwości charakterystycznych dla rodzaju uszkodzeń, znamienny tym, że parametry niezbędne do obliczeń częstotliwości harmonicznych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk w silniku, określa się na podstawie tego samego widma prądu, które wykorzystuje się do obliczenia częstotliwości sieci i prędkości obrotowej wirnika. Widmo prądu otrzymuje się poprzez pobranie prądu z jednej faz prądu zasilającego silnik indukcyjny i kondycjonowanie sygnału prądu. Proces kondycjonowania sygnału prądu prowadzi się po przetworzeniu prądu na mniejszą wartość za pomocą przetwornika prądu.

Podczas procesu kondycjonowania zamienia się sygnał prądu na napięcie w układzie przetwornika prądowo-napięciowego, po czym redukuje się wartość podstawowej harmonicznej w krzywej prądu przy pomocy filtra zaporowego, którego częstotliwością zaporową steruje się za pomocą bloku logiki sterującej w ten sposób, aby uzyskać najmniejszą wartość sygnału za filtrem zaporowy. Sygnał prądu wzmacnia się przy użyciu wzmacniacza napięciowego. Następnie redukuje się częstotliwości zbyt wysokie w stosunku do częstotliwości próbkowania następującego dalej przetwornika analogowocyfrowego za pomocą filtra antyaliasingowego.

Po zakończeniu kondycjonowania sygnału zmienia się postać sygnału z analogowej na cyfrową przy użyciu przetwornika analogowo-cyfrowego i otrzymuje się widmo prądu poprzez obliczenie transformaty Fouriera. 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.

Układ do przeprowadzania badań diagnostycznych uszkodzeń silnika indukcyjnego, zwłaszcza jego łożysk tocznych charakteryzuje się tym, że składa się z przetwornika prądu, który połączony jest z przetwornikiem prą dowo-napię ciowym, którego wyj ś cie połączone jest z filtrem zaporowym.

Wyjście filtra zaporowego połączone jest z wejściem bloku logiki sterującej oraz z wejściem wzmacniacza napięciowego, przy czym wyjście bloku logiki sterującej połączone jest z wejściem sterującym filtra zaporowego.

Wyjście wzmacniacza napięciowego połączone jest z wejściem filtra antyaliasingowego, którego wyjście połączone jest z zespołem obliczenia transformaty Fouriera poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy.

Zespół obliczenia transformaty Fouriera połączony jest z zespołem obliczenia częstotliwości napięcia sieci zasilającej, z zespołem obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego oraz zespołem wyznaczania amplitud składowych widma prądu o częstotliwościach oczekiwanych dla

PL 205 031 B1 uszkodzeń. 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. Do zespołu obliczenia częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń dołączony jest komputer z bazą danych łożysk, zaś wyjście tego zespołu połączone jest z zespołem wyznaczania amplitud składowych widma prądu o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń, którego wyjście połączone jest z zespołem diagnostycznym.

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

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

Wynalazek objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu, a fig. 2 - przykładowe widmo prądu z zaznaczonymi częstotliwościami charakterystycznymi dla uszkodzeń łożysk tocznych.

P r z y k ł a d

W celu przeprowadzania badań diagnostycznych łożysk tocznych silnika indukcyjnego M prowadzi się badania prądu silnika pobranego z jednej z faz.

Badany prąd jest przetwarzany na mniejszą wartość za pomocą przetwornika prądu PP. Następnie sygnał prądowy doprowadzany jest do przetwornika prądowo-napięciowego PIU. Dalej filtr zaporowy FZ redukuje wartość podstawowej harmonicznej w krzywej prądu. Daje to możliwość wzmocnienia we wzmacniaczu napięciowym WN pozostałej części sygnału, a dzięki temu uzyskuje się powiększenie tych składowych diagnostycznych w sygnale, które mogą mieć małą amplitudę. Częstotliwość zaporowa filtra zaporowego FZ jest sterowana przez blok logiki sterującej BLS.

Algorytm sterowania opiera się na pomiarze wartości średniej sygnału za filtrem zaporowym FZ i takim doborze częstotliwości zaporowej, aby uzyskać najmniejszą wartość sygnału za filtrem zaporowym FZ.

Uzyskuje się w ten sposób zrównanie częstotliwości zaporowej filtra zaporowego FZ z aktualną wartością częstotliwości napięcia sieci zasilającej. Sygnał prądu wzmacnia się przy użyciu wzmacniacza napięciowego WN. Następnie za pomocą filtra antyaliasingowego RA redukuje się częstotliwości zbyt wysokie w stosunku do częstotliwości próbkowania następującego dalej przetwornika analogowocyfrowego AC.

Karta przetwornika analogowo-cyfrowego AC w komputerze K zmienia postać sygnału z analogowej na cyfrową, po czym utworzone oprogramowanie dokonuje 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, z zespołem obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego ZPK oraz zespołem wyznaczania amplitud składowych widma prądu o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń ZAS.

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 dołączony jest komputer K z bazą danych łożysk kulkowych. 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, którego wyjście połączone jest z zespołem diagnostycznym ZD.

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.

PL 205 031 B1

Przykładowo wibracja pojawiająca się przy uszkodzeniu kulki ma częstotliwość zgodną z zależnością:

J^ro1 =

RPM P_d

60 B_d , Pd² 2 ——cos α b2 .

gdzie:

Jrol - częstotliwość wibracji od uszkodzonej kulki

RPM - prędkość obrotowa w obrotach na minutę

Bd - średnica kulki

Pd - średnica podziałowa łożyska α - ką t naporu

Na podstawie obliczonych częstotliwości charakterystycznych dla łożyska kulkowego oblicza się częstotliwości składowych harmonicznych w widmie prądu, pojawiających się przy określonych uszkodzeniach łożysk.

W celu dokonania diagnozy dokonuje się porównania amplitud tak okreś lonych skł adowych z wartościami progowymi określonymi na podstawie pomiarów dla silnika indukcyjnego bez uszkodzeń. Przykładowe widmo prądu uzyskane dla silnika indukcyjnego z uszkodzonym łożyskiem kulkowym pokazane jest na rysunku fig. 2, na którym krzyżykami zaznaczone zostały składowe, które pojawiają się w silniku bez uszkodzeń, a strzałkami składowe spowodowane przez uszkodzone łożysko kulkowe.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób przeprowadzania badań diagnostycznych uszkodzeń silnika indukcyjnego, zwłaszcza jego łożysk tocznych, polegający na analizie widmowej prądu 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 prądu, które wykorzystuje się do obliczenia częstotliwości sieci i prę dkoś ci obrotowej wirnika, zaś widmo prądu otrzymuje się poprzez pobranie prą du z jednej faz prądu zasilającego silnik indukcyjny (M) i kondycjonowanie sygnału prądu, przy czym proces kondycjonowania sygnału prądu prowadzi się po przetworzeniu prądu na mniejszą wartość za pomocą przetwornika prądu (PP), zaś podczas procesu kondycjonowania zamienia się sygnał prądu na napięcie w układzie przetwornika prądowo-napięciowego (PIU), po czym redukuje się wartość podstawowej harmonicznej w krzywej prądu przy pomocy filtra zaporowego (FZ), którego częstotliwością zaporową steruje się za pomocą bloku logiki sterującej (BLS) w ten sposób, aby uzyska najmniejszą wartość sygnału za filtrem zaporowym (FZ), po czym sygnał prądu wzmacnia się przy użyciu wzmacniacza napięciowego (WN) i redukuje się częstotliwości zbyt wysokie w stosunku do częstotliwości próbkowania następującego dalej przetwornika analogowo-cyfrowego (AC) za pomocą filtra antyaliasingowego (FA), a po zakończeniu kondycjonowania sygnału zmienia się postać sygnału z analogowej na cyfrową przy użyciu przetwornika analogowo-cyfrowego (AC) i otrzymuje się widmo prądu poprzez obliczenie transformaty Fouriera, po czym częstotliwości harmoniczne charakterystyczne dla uszkodzeń łożysk tocznych w silniku indukcyjnym (M) 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 (M).
2. Układ do badań diagnostycznych uszkodzeń silnika indukcyjnego, zwłaszcza jego łożysk tocznych, znamienny tym, że składa się z przetwornika prądu (PP), który połączony jest z przetwornikiem prądowo-napięciowym (PIH), którego wyjście połączone jest z filtrem zaporowym (FZ), którego wyjście połączone jest z wejściem bloku logiki sterującej (BLS) oraz z wejściem wzmacniacza napięciowego (WN), przy czym wyjście bloku logiki sterującej (BLS) połączone jest z wejściem sterującym filtra zaporowego (FZ), a wyjście wzmacniacza napięciowego (WN) połączone jest z wejściem filtra antyaliasingowego (FA), którego wyjście połączone jest z zespołem obliczenia transformaty Fouriera (FFT) poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (AC), zaś zespół obliczenia transformaty Fouriera (FFT) połączony jest z zespołem obliczenia częstotliwości napięcia sieci zasilającej (ZCN), z zespołem

PL 205 031 B1 obliczania prędkości kątowej wirnika silnika indukcyjnego (ZPK) oraz zespołem wyznaczania amplitud składowych widma prądu 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) dołączony jest komputer (K) z bazą danych łożysk, zaś 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), którego wyjście połączone jest z zespołem diagnostycznym (ZD).