PL228213B1

PL228213B1 - Method and the system for detecting defects in induction motor, preferably of bearings

Info

Publication number: PL228213B1
Application number: PL414898A
Authority: PL
Inventors: Michał Ziółko; Marek Wołoszyk; Tomasz Ciszewski
Original assignee: Politechnika Gdańska
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2018-02-28
Also published as: PL414898A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym zwłaszcza łożysk poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością dzięki zastosowaniu źródła prądowego o regulowanej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu fazowym.The subject of the invention is a method and system for detecting failures in an induction motor, especially bearings, by analyzing the stator current with increased sensitivity due to the use of a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift.

Do tej pory określony został sposób i układ do wykrywania uszkodzeń w silnikach indukcyjnych oparty na analizie odkształceń prądu zasilającego silnik. W opisywanym sposobie wyznacza się sygnał proporcjonalny do wartości chwilowej prądu zasilającego stojan badanego silnika. Sygnał ten doprowadzany jest do urządzenia, w którym poddawany jest obróbce informatycznej, w ramach której wyznacza się widmo częstotliwościowe prądu zasilającego silnik. Z otrzymanego widma wyodrębniane są składowe o częstotliwościach charakterystycznych dla różnego typu uszkodzeń, które występują w silnikach indukcyjnych. Przedstawiony 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. W przypadku uszkodzeń łożysk tocznych w silniku indukcyjnym opisany sposób jest nieefektywny, ze względu na bardzo małe amplitudy składowych charakterystycznych dla uszkodzonego łożyska. Ponadto układ przeznaczony do wyznaczania częstotliwości charakterystycznych z prądu stojana wykorzystywany w tej metodzie charakteryzują się małą czułością gdyż jego zakres pomiarowy musi być dopasowany do wartości maksymalnej składowej podstawowej prądu zasilającego silnik. Rozwiązania tego typu mogą być skuteczne 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.So far, a method and system for detecting faults in induction motors based on the analysis of the distortion of the current supplying the motor has been defined. In the described method, a signal proportional to the instantaneous value of the current supplying the stator of the tested motor is determined. This signal is fed to the device, where it is processed by computer, which determines the frequency spectrum of the current supplying the motor. The components with frequencies characteristic for various types of damage that occur in induction motors are separated from the spectrum obtained. The presented method is used primarily to detect damage to the stator and rotor windings, rotor cage bars and shaft eccentricity. In the case of this type of damage, the dependencies determining the frequency components in the current supplying the motor, informing about the failure, are known, and their amplitudes in relation to the amplitude of the fundamental component of the stator current are relatively large. In the case of damage to rolling bearings in an induction motor, the described method is ineffective due to the very small amplitudes of the components characteristic of the damaged bearing. Moreover, the circuit designed to determine the characteristic frequencies from the stator current used in this method is characterized by low sensitivity because its measuring range must be adjusted to the maximum value of the fundamental component of the current supplying the motor. Solutions of this type can be effective only in the case of large failures, resulting in the formation of components characteristic for bearing failures with relatively high amplitudes in relation to the amplitude of the fundamental component of the stator current. In the case of the initial stages of the development of damage, the amplitudes of the characteristic components resulting from the deformation of the current supplying the machine are very small, therefore it is not possible to correctly diagnose the technical condition of the bearing.

Znany jest także sposób i układ do wykrywania uszkodzeń łożysk w silnikach indukcyjnych poprzez analizę widmową mocy chwilowej zasilania silnika. W tej metodzie 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 rezultacie osiągnięcie poprawnej oceny stanu technicznego łożysk jest bardzo utrudnione. Oznacza to również, że znany i opisany sposób i układ pomiarowy nie znajdują zastosowania w przypadku diagnostyki w początkowej fazie uszkodzeń łożysk tocznych silników indukcyjnych.A method and a system for detecting bearing failures in induction motors by spectral analysis of the instantaneous motor power supply is also known. This method produces signals proportional to the instantaneous values of current and voltage supplying the tested motor. These signals are fed to the device where they are subjected to computer processing, which determines the course of the instantaneous power consumed by the motor and the frequency spectrum of this power. From the spectrum obtained, the components with frequencies characteristic for failures of rolling bearings in induction motors are then separated. In the described solution, the amplitudes of components characteristic for bearing failures present in the instantaneous power spectrum are small in relation to the fundamental component. The low sensitivity of the measuring systems used prevents the correct detection and unambiguous identification of the characteristic components present in the instantaneous power spectrum. As a result, achieving the correct assessment of the technical condition of the bearings is very difficult. It also means that the known and described method and measuring system are not applicable in the initial phase of diagnostics of damage to rolling bearings of induction motors.

Wynalazek rozwiązuje problem 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 źródła prądowego o regulowanej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu fazowym.The invention solves the problem of detecting and identifying damage to rolling bearings in induction motors through the spectral analysis of the motor's stator current and isolating the characteristic components with small amplitudes with high sensitivity thanks to the use of a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift.

Sposób wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym zwłaszcza łożysk poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością, w którym wyznacza się wartości chwilowe prądu zasilającego badany silnik oraz prądu wytworzonego przez źródło prądowe o regulowanej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu fazowym, a także wytwarza się sygnał proporcjonalny do różnicy wartości chwilowych prądów stojana i regulowanego źródła prądowego oraz wyznacza się widmo częstotliwościowe tego sygnału różnicowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że podczas badania silnik jest obciążony stałym momentem w wyniku czego prąd płynący przez silnik cechuje się stałą amplitudą i przesunięciem fazowym, zatem regulowane źródło prądowe, regulowane w taki sposób, aby dopasować przesunięcie fazowe i amplitudę przepływającego przezeń prądu do prądu stojana badanego silnika. Po dopasowaniu fazowym i amplitudowym obu prądów wyznaczana jest różnica ich wartości chwilowych z dużą czułością dobraną do wartości maksymalnej sygnału różnicowego. Dla różnicy prądów stojana i regulowanego źródła prądowego wyznacza się następnie widmo częstotliwościowe, w którym składowe charakterystyczne wynikające z uszkodzeń w silniku mają amplitudy o znacznych wartościach w stosunku doA method of detecting damage in an induction motor, especially bearings, by analyzing the stator current with increased sensitivity, in which the instantaneous values of the current supplying the tested motor and the current produced by a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift are determined, and a signal proportional to the difference in value is generated. of the instantaneous stator currents and the regulated current source and the determination of the frequency spectrum of this differential signal according to the invention is characterized in that during the test the motor is loaded with a constant torque, as a result of which the current flowing through the motor has a constant amplitude and phase shift, thus a regulated current source, regulated in such a way as to adjust the phase shift and the amplitude of the current flowing through it to the stator current of the motor under test. After the phase and amplitude adjustment of both currents, the difference of their instantaneous values is determined with high sensitivity adjusted to the maximum value of the differential signal. For the difference of the stator currents and the regulated current source, the frequency spectrum is then determined, in which the characteristic components resulting from damage in the motor have amplitudes with significant values in relation to

PL 228 213 B1 amplitudy sygnału różnicowego, dzięki czemu możliwe jest wykrycie i identyfikacja uszkodzenia występującego w badanym silniku.Due to the amplitude of the differential signal, it is possible to detect and identify the damage occurring in the tested engine.

Układ do wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym zwłaszcza łożysk poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością, zawierający źródło prądowe o regulowanej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu fazowym, układ różnicowy, układ pomiarowo-rejestrujący, układ regulujący oraz dwa przetworniki prądu według wynalazku charakteryzuje się tym, że układ regulujący dostosowuje parametry źródła w celu kompensacji składowej podstawowej prądu silnika, przy czym wyjścia przetworników prądu połączone są z dwoma wejściami układu różnicowego, zaś wyjście tego układu połączone jest z wejściem układu pomiarowo-rejestracyjnego i układu regulującego. Układ regulujący dokonuje analizy sygnału różnicowego oraz poprzez wyjścia połączone z wejściami regulowanego źródła prądowego, reguluje częstotliwość, przesunięcie fazowe i amplitudę prądu odniesienia tak, aby uzyskać możliwie najmniejszą wartość na wyjściu z układu. Po osiągnięciu dopasowania układ pomiarowo-rejestrujący zapisuje pomiary w celu dalszej analizy sygnału dającej w rezultacie diagnozę stanu łożyska.A system for detecting failures in an induction motor, especially bearings, by analyzing the stator current with increased sensitivity, comprising a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift, a differential circuit, a measuring and recording circuit, a regulating circuit and two current converters according to the invention, is characterized in that The regulating circuit adjusts the source parameters to compensate for the fundamental component of the motor current, the outputs of the current transducers being connected to the two inputs of the differential circuit, and the output of this circuit connected to the input of the measurement and registration circuit and the regulating circuit. The regulating circuit analyzes the differential signal and, through the outputs connected to the inputs of the regulated current source, regulates the frequency, phase shift and amplitude of the reference current so as to obtain the lowest possible value at the output from the circuit. After the match is achieved, the measurement and recording system saves the measurements for further signal analysis, resulting in a diagnosis of the bearing condition.

Dzięki zastosowaniu w układzie według wynalazku źródła prądowego o regulowanej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu fazowym można wytworzyć sygnał o takiej samej częstotliwości jak składowa podstawowa w prądzie silnika, zgodnej amplitudzie i przesunięciu fazowym tak, aby skompensować składową podstawową prądu i uzyskać w ten sposób składowe niosące inform acje diagnostyczne. W różnicy wartości chwilowych wytworzonego prądu i prądu silnika można odnaleźć składowe charakterystyczne o małych amplitudach w stosunku do amplitudy składowej podstawowej prądu silnika. Dzięki eliminacji składowej zasilającej silnik można zmierzyć ze zwiększoną czułością składowe charakterystyczne. Analiza tych składowych pozwala na wykrycie i zidentyfikowanie uszkodzeń występujących w badanym silniku. Wynalazek jest szczegółowo opisany na przykładzie jego wykonania i zobrazowany na rysunku przedstawiającym uproszczony schemat blokowy układu pomiarowego.By using a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift in the system according to the invention, it is possible to generate a signal with the same frequency as the fundamental component in the motor current, consistent with the amplitude and phase shift, so as to compensate for the fundamental component of the current and thus obtain the informative components. diagnostic. In the difference of the instantaneous values of the produced current and the motor current, one can find characteristic components with small amplitudes in relation to the amplitude of the fundamental component of the motor current. Due to the elimination of the power supply component, the characteristic components can be measured with increased sensitivity. The analysis of these components allows for the detection and identification of damages occurring in the tested engine. The invention is described in detail in an exemplary embodiment thereof and illustrated in the drawing showing a simplified block diagram of the measurement system.

Jak pokazano na rysunku, układ do wykrywania uszkodzeń w silniku indukcyjnym poprzez analizę prądu stojana ze zwiększoną czułością zawiera badany silnik M zasilany poprzez przetwornik prądu PI1. Wyjścia sygnałowe przetworników prądów połączone są z wejściami układu różnicowego UR przy czym do wejścia „+” doprowadzony jest sygnał proporcjonalny do prądu silnika M zaś do wejścia „-” sygnał proporcjonalny do prądu regulowanego źródła prądu poprzez przetwornik PI2. Sygnał z wyjścia układu różnicowego UR doprowadzany jest do wejścia układu pomiarowo-rejestrującego UPR oraz do wejścia układu regulującego URG, którego wyjścia z kolei regulują wartości amplitudy, częstotliwości i przesunięcia fazowego, aby uzyskać jak najmniejszą wartość na wyjściu układu różnicowego.As shown in the figure, the system for detecting faults in an induction motor by analyzing the stator current with increased sensitivity includes the tested motor M powered by the current converter PI1. The signal outputs of the current transducers are connected to the inputs of the differential circuit UR, the "+" input is fed with a signal proportional to the motor current M, and the "-" input is a signal proportional to the controlled current source current through the PI2 converter. The signal from the output of the differential circuit UR is fed to the input of the measuring and recording circuit UPR and to the input of the regulating circuit URG, the outputs of which in turn regulate the values of amplitude, frequency and phase shift in order to obtain the smallest value at the output of the differential circuit.

Opisany w przykładzie wykonania układ działa następująco. Do wejścia nieodwracającego „+” układu różnicowego jest przyłożony sygnał proporcjonalny do prądu stojana badanego silnik a M. Do wejścia odwracającego „-” układu różnicowego, jest podłączony sygnał proporcjonalny do prądu źródła o regulowanej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu fazowym. Parametry źródła prądowego są nastawiane przy pomocy wyjścia z układu regulującego URG i są zmieniane do momentu, kiedy wartość skuteczna sygnału na wyjściu układu różnicowego UR, mierzona przez układ pomiarowo-rejestrujący UPR osiągnie minimum. Na tym etapie układ pomiarowo-rejestrujący UPR pracuje z małą czułością. Po znalezieniu minimum zwiększa się czułość układu pomiarowo-rejestrującego UPR do takiej wartości, aby mierzony sygnału różnicowy nie przekroczył wartości dopuszczalnej. Przy tak dobranych nastawach w układzie pomiarowo-rejestrującym UPR zostaje zarejestrowany sygnał różnicowy, dla którego jest następnie wyznaczane widmo częstotliwościowe zawierające składowe charakterystyczne wynikające z uszkodzeń w badanym silniku. Poszukiwane składowe charakterystyczne mają znaczne amplitudy w stosunku do amplitudy składowej podstawowej sygnału różnicowego dzięki czemu można wykryć i zidentyfikować uszkodzenia.The system described in the embodiment works as follows. A signal proportional to the stator current of the motor under test is applied to the non-inverting "+" input of the differential. A signal proportional to the source current with adjustable frequency, amplitude and phase shift is connected to the "-" inverting input of the differential. The parameters of the current source are set by means of the output from the URG regulating circuit and are changed until the rms value of the signal at the output of the UR differential circuit, measured by the UPR measuring and recording system, reaches a minimum. At this stage, the UPR measuring and recording system works with low sensitivity. After finding the minimum, the sensitivity of the measurement and recording system UPR is increased to such a value that the measured differential signal does not exceed the permissible value. With the settings selected in this way, the differential signal is registered in the measurement and recording system UPR, for which the frequency spectrum is then determined, containing the characteristic components resulting from failures in the tested engine. The sought characteristic components have significant amplitudes in relation to the amplitude of the fundamental component of the differential signal, thanks to which it is possible to detect and identify damages.

Claims

1. Method of detecting damage in an induction motor, especially bearings, by analyzing the stator current with increased sensitivity, in which the instantaneous values of the current supplying the tested motor and the current generated by a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift are determined, and a signal proportional to difference between the instantaneous values of the stator currents and the regulated current source, and the frequency spectrum of this differential signal is determined, characterized in that by

In terms of frequency, amplitude and phase shift, the current is generated in phase with the stator current of the tested motor and with a value proportional to the value of the motor current, but devoid of the characteristic components of the motor current resulting from damage in the motor, and then a differential signal proportional to the difference is generated the values of the stator and regulated current source currents, in which the characteristic components resulting from damage in the tested motor are distinguished.

2. A system for detecting damage in an induction motor, especially bearings, by analyzing the stator current with increased sensitivity, including a current source with adjustable frequency, amplitude and phase shift, a differential circuit, a measuring and recording system, a regulating system and two current converters, characterized in that the tested motor (M) is powered by the current converter (PU), and the signal outputs of the current converters (PU and PI2) are connected to the inputs of the differential circuit (UR), from which the differential signal is supplied to the input of the measurement and registration system (UPR ) and to the input of the regulating circuit (URG) equipped with outputs connected to the control inputs of the regulated current source.