к вопросу усовершенствования систем диагностики машин

ДІАГНОСТИКА В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
УДК 621.313.2
К ВОПРОСУ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Панкратов А.И., Ивченков Н.В.
Донбасская государственная машиностроительная академия
Введение. В настоящее время остро стоит проблема конкурентоспособности технологического
оборудования отечественного производства. Ввиду
постоянного прогресса систем автоматизации и развития информационных технологий, оборудование
нуждается во внедрении новых систем управления и
сбора информации о состоянии оборудования. Также остро стоит проблема минимизации расходов на
планово-предупредительные ремонты и переход на
ремонт по состоянию оборудования, что в большой
степени касается электромеханических систем подвижных механизмов, таких как экскаваторы, краны, подвижные составы и т.п. Решить проблему
своевременного выявления и предупреждения неисправностей в электромеханических системах и повысить уровень автоматизации и информативности
технологических процессов призваны системы мониторинга и превентивной диагностики электромеханических систем.
Цель работы – построение алгоритмов на основе усовершенствованных методик диагностирования
текущего эксплуатационного состояния электрических машин постоянного тока.
Материал и результаты исследований. Основной задачей мониторинга и превентивной диагностики состояния электрического оборудования машин является определение его работоспособности в
данный момент времени, выявление неисправностей
на ранней стадии их развития, определение остаточного ресурса работы оборудования либо минимального времени до наступления отказа.
Важнейшей задачей систем превентивной диагностики является выявление неисправностей и дефектов узлов на ранней стадии их развития.
Объектом рассмотрения является электрическая
машина. В большинстве эксплуатируемых на сегодняшний день электромеханических систем экскаваторов, драглайнов и других транспортных систем
применяются электрические машины постоянного
тока. Поэтому первоочередной является задача диагностирования этих машин.
Появление неисправности или дефекта электрической машины связано с изменением физических
параметров отдельных узлов машины и их элементов. Эти параметры могут быть как механическими
(изменение геометрической формы элементов), так
и электрическими (изменение активного сопротивления проводников, индуктивности, сопротивления
изоляции, емкости и др.).
Изменение этих параметров ведет за собой изменение энергетического баланса машины, что отра-
жается на мгновенных значениях тока, напряжения,
мощности со стороны электрической части машины,
и частоты вращения вала, вибрации, момента со
стороны механической части машины. Так или иначе, большинство неисправностей отражаются в сигналах тока и напряжения машины, изменяя их гармонический состав. Для анализа состояния электрической части машины постоянного тока наиболее
приемлемыми и перспективными являются системы
диагностики, основанные на анализе мгновенных
значений тока, напряжения и мощности.
Упрощенная структурная схема подобных диагностических систем представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Структурная схема системы
диагностики машины постоянного тока
Система диагностики машины постоянного тока
(рис. 1) содержит датчики скорости ДС, напряжения
ДН и тока ДТ, сигналы с которых через многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
поступают в цифровом виде в порт компьютерной
системы (ПК) (или на промышленный контроллер),
в которой реализован алгоритм диагностики МПТ.
Для выполнения задачи мониторинга ПК оснащается устройством хранения данных. На основании диагноза ПК выдает сигнальную информацию
на систему индикации (пульт оператора) СИ, а также при возникновении аварийных ситуаций с порта
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
83
ДІАГНОСТИКА В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
ПК на систему управления электроприводом (СУ)
подаются соответствующие сигналы на остановку/блокировку электрооборудования.
Как известно, наибольшее число отказов в машинах постоянного тока приходится на коллекторно-щеточный узел и на подшипники. В зависимости
от условий эксплуатации они составляют 40 – 60 %
от общего числа отказов машин [1].
К характерным повреждениям коллектора относятся изменение его формы из-за неравномерного
износа, нарушение качества поверхности коллектора, подгорание и оплавление пластин при неблагоприятной коммутации и круговых огнях [2].
Причинами неблагоприятной коммутации и кругового огня на коллекторе является износ щеток,
неправильная настройка щеточно-коллекторного узла, засорение коллектора угольной и металлической
пылью при разрушении материала щеток и коллектора.
В данном исследовании основное внимание уделено влиянию этих факторов на гармонический состав тока и напряжения якоря машины постоянного
тока.
Для проведения эксперимента взята машина постоянного тока типа 2ПБ112МУХЛ4 мощностью
1.4кВт.
В ходе эксперимента искусственно изменялось
сопротивление между коллекторными пластинами
вплоть до короткого замыкания хотя бы 1 пары коллекторных пластин.
Сигналы тока и напряжения снимались с помощью датчиков, оцифровывались и записывались в
персональный компьютер платой АЦП/ЦАП L-264
производства фирмы «L-Card».
На рис. 2 изображены получаемые сигналы
напряжения для различных значений сопротивления
между коллекторными пластинами rk. Существенное
изменение формы сигнала происходит при коротком
замыкании хотя бы двух коллекторных пластин.
Был проведен гармонический анализ тока и
напряжения c нормализацией сигналов. Полученный
после нормализации относительный сигнал позволяет судить об изменении амплитуд гармонических
составляющих тока и напряжения при уменьшении
сопротивления между коллекторными пластинами и
снижает ошибку, возникающую при отклонении
величины исходного сигнала напряжения или тока
от заданной вследствие понижения напряжения сети
или отклонения других параметров, влияющих на
величину сигнала. Нормализация осуществлялась по
следующей формуле:
A
(1)
A Nn  n ,
A0
где An
A0
- амплитуда n-ой гармоники сигнала;
- амплитуда сигнала (нулевая гармоника).
Нормализованные спектры сигналов тока и
напряжения показаны на рис. 3.
Uя, В
Uя, В
t, мc
t, мc
а) коллектор исправен
б) сопротивление rk= 120 Ом
Uя, В
Uя, В
t, мc
t, мc
в) сопротивление rk= 40 Ом
г) сопротивление rk= 0 Ом (замыкание)
Рисунок 2 - Сигналы напряжения якоря МПТ при различном сопротивлении между
коллекторными пластинами
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
84
ДІАГНОСТИКА В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
Номер гармоники n на рис. 3 определяется отношением:
ni 
fi
f вр
,
3) гармоники, имеющие так называемую коллекторную частоту; основная частота fk= kn/60, где k –
количество коллекторных пластин;
4) гармоники, обусловленные напряжением в месте разрыва контакта коммутируемых секций, которые увеличивают свою амплитуду с увеличением
интенсивности искрения на коллекторе [3].
При уменьшении сопротивления между коллекторными пластинами гармонический состав сигналов тока и напряжения изменяется, что наглядно
видно из рис. 4.
(2)
где fi – частота i-й составляющей спектра, Гц;
fВР – частота вращения машины постоянного
тока, Гц; ni = 0, 1, 2 … f imax , fimax – предельная ча-
f вр
стота спектра сигнала тока (напряжения).
а) нормализованный спектр тока МПТ при
исправном коллекторе
а) нормализованный спектр тока МПТ при
замыкании пластин коллектора
б) нормализованный спектр напряжения МПТ при
исправном коллекторе
Рисунок 3 - Гармонический состав сигналов
при исправном коллекторе
б) нормализованный спектр напряжения МПТ при
замыкании пластин коллектора
Рисунок 4 - Гармонический состав сигналов
при неисправности коллектора
В спектре сигналов тока и напряжения машины
постоянного тока присутствуют гармоники, которые
подразделяются на следующие группы (см. рис. 3):
1) гармоники, имеющие частоту вращения; здесь
основная частота f=pn/60, где p – число пар полюсов
машины, n – частота вращения якоря МПТ;
2) гармоники, пульсирующие с зубцовой частотой; основная частота fz= zn/60, где z – число зубцов
якоря;
Проведенные эксперименты показали, что при
уменьшении межламельного сопротивления от  до
нуля, амплитуды гармоник, имеющих частоту вращения увеличиваются. На рис. 5 и 6 представлен
график зависимости амплитуды гармоник напряжения и тока от сопротивления между пластинами
коллектора. Закон, описывающий это изменение, –
экспоненциальный:
A Nn (rk )  a  ebrk  c ,
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
85
(3)
ДІАГНОСТИКА В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
где rk – величина сопротивления между коллекторными пластинами, Ом; a, b, c – коэффициенты.
При анализе гармонических составляющих различных групп были выделены основные гармонические (кратные частоте вращения, зубцовая гармоника и коллекторная гармоника).
а)
Рисунок 5 - Зависимость амплитуды
гармонической составляющей напряжения
(группа гармоник, имеющих частоту вращения)
от сопротивления rk
б)
Рисунок 7 - Зависимость амплитуды
гармонических составляющих напряжения (а) и
тока (б) (коллекторная гармоника)
от сопротивления rk
Рисунок 6 - Зависимость амплитуды
гармонической составляющей тока (группа
гармоник, имеющих частоту вращения) от
сопротивления rk
При этом, амплитуды зубцовых гармоник в зависимости от сопротивления между пластинами практически не изменялись, либо изменение находилось
на уровне погрешности измерения.
Изменение амплитуды коллекторных гармоник
при уменьшении сопротивления между коллекторными пластинами также носит экспоненциальный
характер, однако амплитуда уменьшается и достигает минимума при коротком замыкании пластин, как
показано на рис. 7.
Уменьшение амплитуды коллекторной гармоники связано с изменением относительной частоты
гармоники при замыкании хотя бы пары пластин,
при этом относительная частота коллекторной гармоники уменьшается на 1.
Полученные зависимости амплитуд гармоник от
сопротивления между коллекторными пластинами
предлагается использовать при создании алгоритмов
диагностирования состояния машины постоянного
тока, в частности для диагностики состояния щеточно-коллекторного узла. Алгоритм диагностирования щеточно-коллекторного узла представлен на
рис. 8.
Алгоритм работает следующим образом: система
диагностики производит выборку сигналов с датчиков тока, напряжения и скорости. Для обеспечения
защит уровни сигналов тока и напряжения машины
сравниваются с предельными значениями. Далее
выборки сигналов тока и напряжения подвергаются
спектральному анализу на основе преобразования
Фурье или Вейвлет-преобразования. Полученные
спектры тока и напряжения нормализуются по формуле (1). Для определения характерных групп гармоник машины (гармоники на частоте вращения,
зубцовые, коллекторные гармоники) частоты спектров тока и напряжения делятся на значение частоты вращения, снятое с датчика скорости, по формуле (2). Амплитуды полученных относительных
спектральных составляющих по номерам гармоник
записываются в память и сохраняются там для дальнейшей обработки и ведения статистики. Номера
гармоник определяются при составлении алгоритма
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
86
ДІАГНОСТИКА В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
по конструктивным данным (количество пар полюсов,
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
87
ДІАГНОСТИКА В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ І ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
значения?
Рисунок 8 - Алгоритм диагностирования состояния щеточно-коллекторного узла машины постоянного тока
количество пазов якоря, число коллекторных пластин). Значения сохраненных амплитуд сравниваются с пороговыми значениями для данных частот.
При достижении амплитуд пороговых значений,
выдается сигнал предупреждения о резко развивающейся неисправности машины. Если амплитуды
гармоник не достигают пороговых значений, идет
их сравнение с ранее полученными и сохраненными
амплитудами соответствующих гармоник. На основе сравнения вычисляется корреляционная зависимость изменения амплитуд во времени. Если она
имеет резко изменяющийся характер, выдается предупреждение о возможном развитии неисправности
машины, и на основе получаемой зависимости
определяется минимальное время до наступления
неисправности. После анализа всех амплитуд, данные сохраняются в памяти для дальнейшего использования при следующей выборке сигналов [4].
Выводы.
1. Изменение гармонического состава сигналов
тока и напряжения при развитии неисправностей и
поломках щеточно-коллекторного узла машины постоянного тока экспериментально подтверждается и
носит определенный характер.
2. Предлагается использовать полученные закономерности в алгоритме диагностирования щеточно-коллекторного узла машин постоянного тока.
3. Предложенный алгоритм является легко реализуемым в цифровых микропроцессорных системах диагностики, однако имеет и ряд ограничений,
основным из которых является неработоспособность
алгоритма в динамических режимах работы машины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Родькин Д.И. Системы динамического
нагружения и диагностики электродвигателей при
после ремонтных испытаниях – М.: Недра, 1992. –
236 с.
2. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания и
надежность электрических машин – М.: Высшая
школа, 1988. – 232 с.
3. Толкунов В.П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. – М.: Энергия, 1979 –
224 с.
4. US Patent 6507797, ILC: G01R23/18 / Direct
current machine monitoring system and method /
Kliman G.B., et al. – Appl.№.: 579488, Filed: May 30,
2000. – 12 с.
Стаття надійшла 20.04.2006 р.
Рекомендована до друку
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
88