Аннотация
Бугеря Т.И. Разработка устройства диагностики асинхронного двигателя в процессе эксплуатации. Рассмотрены способы диагностики асинхронных электродвигателей в процессе эксплуатации, на основании анализа литературных источников сформулированы требования к техническим средствам для снятия данных о токе и напряжении. Предложен вариант реализации диагностического устройства на базе MicroPC.
Выбор стратегии и методов диагностирования асинхронных двигателей (АД) определяется рядом факторов. Первостепенное значение имеет конечная цель диагностирования, которая зависит от того, на каком этапе жизненного цикла определяется техническое состояние двигателя: на этапе производства, эксплуатации или ремонта. [1]
В настоящее время существует потребность диагностики состояния АД в процессе их работы. Своевременно обнаруженное повреждение позволит избежать дальнейшего развития процесса, уменьшить время восстановления, сократить затраты на обслуживание, избежать простоев оборудования, повысит эффективность работы двигателей и производственных механизмов [2].
На сегодня известны следующие методы диагностики АД:
- Методы, основанные на анализе вибраций отдельных элементов агрегата.
- Методы, основанные на анализе акустических колебаний, создаваемых работающей машиной.
- Методы, основанные на измерении и анализе магнитного потока в зазоре двигателя и внешнего магнитного поля.
- Методы, основанные на измерении и анализе температуры отдельных элементов машины.
- Методы диагностики механических узлов (в частности подшипников) основанные на анализе содержания железа в масле.
- Методы диагностики состояния изоляции.
- Методы, основанные на анализе электрических параметров машины.[3]
По сопоставлению всех технических, методологических и экономических факторов можно сделать вывод, что для практической реализации наиболее перспективными являются методы диагностики АД, основанные на анализе электрических параметров двигателя, а именно спектров напряжений и токов.
Для вывода технических требований к параметрам устройства диагностики по сигналам токов и напряжений статора АД, был рассмотрен и проанализирован ряд источников.
Так в публикации Habtler T.G. и Harley R.G. «Diagnostics and intelligent controls in electrical systems» [4] основные исследования проводились с такими частотами: спектр тока при неотбалансированом роторе – 120 Гц, вибрация подшипников – 180 Гц, при износе подшипников – 1000 и 3000 Гц.
В статье Сивокобыленко В.Ф. Полковниченко Д.В., Кукуй К.А «Диагностика асинхронного электропривода по данным измерений рабочего режима» [5] указывается , что в общем случае при цифровой регистрации токов удовлетворительная точность имеет место при частотах их фиксации в (20:30) раз больше частоты сети f1.
В статьях Петуховa В.С, Соколова В.А «Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока» [2] и Сидельникова Л.Г., Афанасьева Д.О. «Контроль технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации контроль технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации» [3] для сравнения работы нового двигателя и двигателя, прослужившего некоторое время был выбран диапазон частоты в 1000 Гц, а конкретные примеры диагностики дефектов двигателя проводилась на меньшем диапазоне (150 Гц и ниже).
На основании вышеприведенной информации делаем вывод, что частота дискретизации измерительного канала должна находится в пределах от 1500 до 3000 Гц.
Для снятия показаний токов и напряжений АД с целью их дальнейшей обработки контроллером, необходимо четкое представление об общей структуре системы, позволяющей это сделать.
Во-первых, метод спектрального анализа напряжений и токов подразумевает наблюдение этих величин в каждой фазе АД, поэтому требуется три канала измерения напряжения и три канала измерения тока.
- Датчик измеряемой величины (в данном случае напряжения или тока), установленный непосредственно в месте регистрации контролируемого параметра и передающий сигнал зачастую в аналоговом виде.
- Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), имеющийся почти в каждом контроллере.
- Контроллер, который оперирует информацией для диагностики в цифровом виде.
В сфере промышленности, где средняя мощность двигателей составляет от 1 до 400 кВт при стандартном напряжении 220/380 В, данная структура возможна только в случае понижения наблюдаемых величин до уровня, на котором работает АЦП (обычно составляет 0-10 В, 0-5 В, ±10 В, ±5 В). Решением может быть применение в качестве датчиков напряжения трансформаторов и делителей, а в качестве датчиков тока – токовых трансформаторов и шунтов. Объединив данные измерительные устройства по конструктивному исполнению и принципу работы, получим два варианта структуры измерительной схемы:
- с применением делителей напряжения и шунтов (рис 1а),
- с применением трансформаторов напряжения и тока (рис 1б).
Рис.1 – Схема измерения тока и напряжения:
а) с использованием шунтов и делителей напряжения
б) с использованием трансформаторов тока и напряжения
Измерительная схема на основе делителя и шунта имеет следующие достоинства:
- высокая точность передачи сигнала,
- широкий диапазон напряжений и частот.
К недостаткам можно отнести:
- отсутствие гальванической развязки, которую необходимо обеспечить дополнительно,
- низкий КПД обусловленный нагреванием резисторов.
Измерительная схема на основе трансформаторов напряжения и тока, в свою очередь, имеет такие достоинства:
- наличие гальванической развязки,
- возможность работы с очень большими напряжениями и токами.
Недостатками являются:
- низкая точность, которая является результатом работы только в определенном диапазоне частот,
- невозможность пропускания гармоник из-за металлического сердечника и потерь на перемагничивание.
Не сложно увидеть, что недостатки первой схемы (рис 1а) являются достоинствами второй (рис 1б), и наоборот. Так как диагностика требует высокого уровня точности контролируемой величины, то и при выборе схемы она имеет приоритет. Большую точность предполагает схема измерения напряжения и тока посредством делителей и шунтов, поэтому на ней и остановится наш выбор.
Реализация устройства диагностики АД средней мощности в промышленности может осуществляться на встраиваемых PC совместимых компьютерах. Одним из мировых лидеров в этой области является Octagon System. Контроллеры компании способны решать все основные задачи автоматизации в различных отраслях с высоким уровнем качества и надежности.
Широкое распространение получил модуль ввода/вывода аналоговых величин Octagon 5710-1 с такими характеристиками:
- 16 аналоговых входных каналов,
- 19 цифровых входных/выходных каналов,
- 2 аналоговых/цифровых выходных канала,
- 12 битная разрядность каналов,
- двоичный код,
- частота преобразования 70 кГц,
- диапазон напряжения от -5 до +5 В.
Кроме того, MicroPC обладает всеми необходимыми средствами обмена данными с пользователем (возможность подключения монитора, клавиатуры и различных типов накопителей).
Для диагностики неисправностей АД общепромышленной серии средней мощности была разработана схема подключения такого двигателя к АЦП на базе Octagon 5710-1 (рис. 2). Также были рассчитаны и выбраны основные компоненты схем: тип и номиналы резисторов, шунтов и гальванических развязок (табл. 1).
Рис. 2 – Схема подключения двигателя к модулю 5710 Octagon System
Таблица 1 – Спецификация схемы подключения двигателя к Octagon 5710
Выводы
Развитие технологий уже сегодня позволяет осуществлять диагностику АД без остановки производственного процесса. Примером диагностики двигателя на основе спектрального анализа напряжений и токов может служить приведенная в статье схема, обеспечивающая достаточную точность измерения и передачи электрических параметров двигателя на вход АЦП контроллера MicroPC.
Список использованной литературы
1. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. – М.: Машиностроение, 1987. – 288 с
2. Петухов В.С Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока.
3. Сидельников Л.Г., Афанасьев Д.О. Контроль технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации контроль технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации [Пермский национальный исследовательский политехнический университет]
4. Habtler T.G. и Harley R.G. Diagnostics and intelligent controls in electrical systems [Georgia Institute of Technolgy] АРЕС 25 February 2004.
5. Сивокобыленко В.Ф. Полковниченко Д.В., Кукуй К.А. Диагностика асинхронного электропривода по данным измерений рабочего режима [Донецкий национальный технический университет].