Способ диагностики коллекторной электрической машины постоянного тока

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА(71) Заявитель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Шейников Алексей Александрович Санько Андрей Анатольевич Вашкевич Владимир Ромуальдович Цанава Андрей Александрович Морозов Дмитрий Васильевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(57) Способ диагностики коллекторной электрической машины постоянного тока, при котором в течение заданного интервала времени производят запись сигнала входного или выходного напряжения электрической машины, осуществляют аналого-цифровое преобразование полученного сигнала, задают набор характерных частот, зависящий от конструкции электрической машины и вида возможного повреждения, и опорные значения амплитуд гармоник на характерных частотах для различных режимов работы, осуществляют спектральный анализ полученного цифрового сигнала, сравнивают амплитуды гармоник на характерных частотах с опорными значениями, констатируют наличие повреждения при отклонении значений амплитуд гармоник на характерных частотах относительно опорных значений, причем при превышении отношения сигнал - шум в высокочастотном диапазоне спектра сигнала нормативного значения констатируют отказ электрической машины вследствие чрезмерного искрения в щеточно-коллекторном узле. Изобретение относится к области диагностики электрических машин, в частности к диагностике коллекторных электрических машин постоянного тока. В настоящее время существуют различные способы безразборной диагностики электрических машин по параметрам потребляемой (отдаваемой в сеть) электрической энергии. Существует способ диагностики электродвигателя переменного тока и связанных с ним механических устройств, заключающийся в том, что в течение заданного интервала времени 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 16297 1 2012.08.30 анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети, при этом, 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 1. Для реализации этого способа требуются фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ с установленным специализированным программным обеспечением анализа сигнала потребляемого тока. Недостатком этого способа является то, что он применим только для диагностики электродвигателей переменного тока. Существует способ диагностики электродвигателя переменного тока и связанных с ним механических устройств, заключающийся в том, что в трех фазах электродвигателя производят запись зависимостей от времени напряжения и потребляемого тока, полученные сигналы пропускают через фильтр низких частот, преобразуют в цифровую форму и формируют спектры модулей вектора Парка тока и напряжения, после чего производят спектральный анализ полученных сигналов. Выделяют характерные частоты электродвигателя и связанных с ним устройств, а характер и степень развития неисправности выявляют путем сравнения значений амплитуд модуля вектора Парка тока на характерных частотах с значением модуля вектора Парка тока на частоте ноль герц 2. Для реализации этого способа требуются фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ с установленным специализированным программным обеспечением анализа сигнала потребляемого тока. Недостатком этого способа является то, что он применим только для диагностики электрических двигателей переменного тока. Существует способ автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей, заключающийся в том, что в течение заданного интервала времени производят запись значений фазного тока электродвигателя, выделяют анализируемые характерные частоты, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, производят спектральный анализ полученного сигнала, амплитуды гармоник тока, полученные в результате спектрального анализа, сравнивают с опорными значениями гармоник на характерных частотах, причем набор характерных частот задают в зависимости от конструкции электродвигателя, вида предполагаемого повреждения, а заключение о наличии предполагаемого повреждения делают по превышению значений анализируемого сигнала над опорными значениями 3. Для реализации этого способа требуются аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ с установленным специализированным программным обеспечением анализа сигнала потребляемого тока. Вышеприведенному способу присущи следующие недостатки способ применим только для диагностики электрических машин переменного тока способ не обеспечивает выявление полного перечня отказов электрической машины. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ индикации искрения машин постоянного тока, заключающийся в измерении тока коммутируемой секции, по которому судят о наличии искрения, при этом регистрируют величину и форму тока, протекающего между отдельными частями разрезной щетки,установленной в обойму щеткодержателя, предварительно преобразовав токовый сигнал с помощью трансформатора тока до значения, удобного для измерения 4. Для реализации этого способа требуется установка в обойму щеткодержателя электрической машины специальных разрезных щеток и трансформатора тока. Вышеприведенному способу присущи следующие недостатки для реализации способа необходимы конструктивные изменения электрической машины 2 16297 1 2012.08.30 способ не обеспечивает выявление полного перечня отказов электрической машины. Следствием недостатков всех вышеприведенных способов диагностики является отсутствие возможности полной безразборной диагностики коллекторных электрических машин постоянного тока. Задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности полной безразборной диагностики коллекторных электрических машин постоянного тока, создание эффективного и удобного способа диагностики, а также расширение арсенала способов диагностики электрических машин постоянного тока. Поставленная задача достигается за счет использования при диагностике записанного и преобразованного в цифровую форму сигнала входного или выходного напряжения электрической машины, определенные спектральные составляющие которого чувствительны к повреждениям ее элементов 5, 6. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в течение заданного интервала времени производят запись сигнала входного или выходного напряжения электрической машины, осуществляют аналого-цифровое преобразование полученного сигнала,задают набор характерных частот, зависящий от конструкции электрической машины и вида возможного повреждения (фиг. 1), и опорные значения амплитуд гармоник на характерных частотах для различных режимов работы (фиг. 2), осуществляют спектральный анализ полученного цифрового сигнала (фиг. 3-5), сравнивают амплитуды гармоник на характерных частотах с опорными значениями, констатируют наличие повреждения при отклонении значений амплитуд гармоник на характерных частотах относительно опорных значений, причем при превышении отношения сигнал - шум в высокочастотном диапазоне спектра сигнала нормативного значения констатируют отказ электрической машины вследствие чрезмерного искрения в щеточно-коллекторном узле. Для реализации предлагаемого способа может быть собрана система диагностики коллекторной электрической машины постоянного тока (фиг. 6) включающая магазин сопротивлений (2) для понижения входного (выходного) напряжения электрической машины до уровня, соответствующего номинальному входному напряжению аналого-цифрового преобразователя, аналого-цифровой преобразователь (3), соединенный, в свою очередь, с ЭВМ (4), обеспечивающей запись и хранение сигнала входного (выходного) напряжения коллекторной электрической машины постоянного тока, анализ спектра сигнала, вывод информации о техническом состоянии электрической машины и хранение результатов предыдущих испытаний. При этом сигнал входного (выходного) напряжения может быть снят как непосредственно с клемм электрической машины, так и в электрощитке питания(управления). Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает полную безразборную диагностику коллекторных электрических машин постоянного тока за счет того, что он не требует демонтажа и разборки электрической машины не требует внесения конструктивных изменений в электрическую машину обеспечивает выявление всех характерных отказов электрической машины обеспечивает дистанционный контроль технического состояния электрической машины. Перечень фигур, чертежей и иных материалов. Фиг. 1 - спектры сигналов входного напряжения электрической машины с различным техническим состоянием. Гармонические составляющие спектра сигнала кратны частоте коммутации 7. к - частота коммутации 1 к 16297 1 2012.08.30 к - длина коллекторного деления щ - ширина щетки- число коллекторных пластин- частота вращения ротора электрической машины (об/мин). Кроме того, при обрыве одной секции обмотки якоря электрической машины должна увеличиваться амплитуда гармоник на частотах, кратных частоте вращения вр, так как отключаются две пластины вращающегося коллекторавр ,где- порядок гармоники вр - частота вращения ротора электрической машины. Фиг. 2 - спектры сигналов выходного напряжения электрической машины, работающей на различных режимах. К концу периода замыкания секции через щетку остается нескоммутированный остаточный ток, коммутация которого завершается через искру или дугу, возникающую между сбегающей коллекторной пластиной и щеткой. В 8 сделан вывод о постоянстве скорости изменения остаточного тока при коммутации его через дугуд где- ток секции обмотки д - напряжение дуги- индуктивность элемента обмотки. Из этого следует, что, чем меньше период коммутации (чем выше частота оборотов ротора), тем выше амплитуда напряжения дуги. Широкополосный фон (шум) в спектре обуславливается искрением под щетками. В случае сильного искрения амплитуда шума в высокочастотном диапазоне становится соизмеримой с амплитудами гармонических составляющих спектра (отношение сигнал шум стремится к единице). Фиг. 3 - вид спектра сигнала входного (выходного) напряжения электрической машины. Спектр сигнала входного (выходного) напряжения имеет комбинированную структуру и представляет собой сумму широкополосного шума (фона) (1) и линейчатого спектра (2),состоящего из ряда гармонических составляющих. Фиг. 4 - вид спектра короткого импульса. Наибольший вклад в образование фона вносит искрение под щетками (спектр короткого единичного импульса, в том числе искры, представляет собой сплошной шум на всем частотном диапазоне). Фиг. 5 - вид спектра периодического импульсного сигнала. Если единичный импульс повторяется с постоянной частотой, то результирующий спектр будет дискретный, состоящий из гармоник, кратных частоте повторения импульса. Фиг. 6 - система диагностики коллекторных электрических машин постоянного тока.(1) - коллекторная электрическая машина постоянного тока (2) - магазин сопротивлений (3) - аналого-цифровой преобразователь (4) - ЭВМ с программным обеспечением обработки и анализа сигнала входного (выходного) напряжения электрической машины. Источники информации 1. Патент 2300116, МПК 01 31/34, 2005. 2. Патент 2339049, МПК 01 31/34, 2007. 2. Патент 2356061, МПК 01 31/00, 2007. 3. Патент 2303272, МПК 01 31/34, 2006. 4. Барков А.В. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации / А.В.Барков, Н.А.Баркова. - Спб. СпбГМТУ, 2004. - 156 с. 4 16297 1 2012.08.30 5. Барков А.В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации / А.В.Барков,Н.А.Баркова, А.Ю.Азовцев. - Спб. СпбГМТУ, 2000. -159 с. 6. Вольдек А.И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы / А.И.Вольдек, В.В.Попов. - Спб. Питер, 2007. - 320 с. 7. Вегнер О.Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. - М. Госэнергоиздат, 1961. - 272 с. Фиг. 1 Спектры сигналов входного напряжения электрической машины с различным техническим состоянием (авиационный электромашинный преобразователь ПТ-200 Ц (частота вращения 12000 об./мин число коллекторных пластин - 51- 10,2 кГц Фиг. 2 Спектры сигналов выходного напряжения электрической машины, работающей на различных режимах (авиационный стартер-генератор ГСР-12/40 Д (число коллекторных пластин - 90 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.