Пристрій для контролю технічного стану електричних машин

Реферат: Пристрій для контролю технічного стану електричних машин містить сполучені послідовно віброперетворювач, аналізатор спектра, блок реєстрації рівнів вібросигналів, перший пороговий елемент, елемент АБО, блок затримки, блок захисту і сполучені послідовно датчик технологічний, блок визначення навантаження, блок пам'яті, схему керування, ключовий елемент триканальний, другий пороговий елемент, дисплей, а також третій пороговий елемент. Він додатково містить послідовно сполучені акустичний датчик, перетворювач звуку, четвертий пороговий елемент та послідовно сполучені датчик обертів та функціональний перетворювач, до другого та третього входів якого підключені джерела постійної вхідної дії, а вихід сполучено з другим входом четвертого порогового елемента, вихід якого сполучено з четвертими входами дисплея та елемента АБО. UA 106391 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН UA 106391 U UA 106391 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до техніки вимірів та випробувань методами вібраційного та акустичного контролю і може бути використаний для оцінки технічного стану роботи електродвигунів з самовентиляцією в складі електроприводів у процесі їх експлуатації. Відомо пристрій для вимірювання і контролю параметрів вібрації машин, що містить два вимірювальних канали, кожен із яких включає послідовно з'єднані віброперетворювач, масштабуючий підсилювач і шуговий фільтр, блок порівняння і блок логіки, інші входи якого підключені до виходів блока живлення, а виходи блока логіки підключені до входів блока індикації, вимірювання і керування, що включає в себе для кожного каналу блок попереджувальної сигналізації, блок аварійної сигналізації, блок затримки і блок захисту, а також забезпечений інтегратором і блоком усереднення для кожного каналу та блоком внутрішнього контролю, виходи якого підключені до входів підсилювачів обох каналів, а вхід - до одного з виходів блока живлення, вхід інтегратора підключений до виходу смугового фільтра, а вихід - до входу блока усереднення, вихід якого підключений до входу блока порівняння [1]. Недоліком пристрою є недостатня точність контролю технічного стану електричної машини, пов'язана з відсутністю вимірювання акустичного сигналу в залежності від частоти обертання робочого вала машин і, крім того, недостатня можливість ідентифікувати причини технічних змін та порушень. Найбільш близьким до корисної моделі, яка заявляється, є пристрій для контролю вібрації машин, що містить віброперетворювач, пороговий елемент, блок реєстрації рівнів вібросигналів, блок пам'яті, дисплей, також містить послідовно сполучені елемент АБО, блок затримки, блок захисту, а також другий і третій порогові елементи, датчик технологічний, аналізатор спектра, схему керування, ключовий елемент триканальний, блок визначення навантаження, вхід якого сполучено з датчиком технологічним, а три його виходи сполучені з трьома входами блока пам'яті; четвертий вхід сполучено з виходом схеми керування, а три виходи сполучені з трьома виходами ключового елемента триканального та входами трьох порогових елементів, другі входи яких сполучені з трьома виходами блока реєстрації рівнів вібросигналів та трьома входами ключового елемента триканального, четвертий вхід якого сполучено з другим виходом схеми керування, третій вихід якої сполучено з другим входом блока реєстрації рівнів вібросигналів, виходи трьох порогових елементів сполучені з трьома входами дисплея та трьома входами елемента АБО, вихід віброперетворювача сполучено з входом аналізатора спектра, вихід якого сполучено з входом блока визначення навантаження [2]. Недоліком пристрою є недостатня точність контролю технічного стану електричної машини, пов'язана з відсутністю вимірювання акустичного сигналу в залежності від частоти обертання робочого вала електричних машин і, крім того, недостатня можливість ідентифікувати причини технічних змін та порушень. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення відомого пристрою для контролю технічного стану електричних машин шляхом введення додаткових елементів, що забезпечує підвищення точності діагностики шляхом вимірювання акустичного сигналу шуму в залежності від частоти обертання робочого вала машин, що підвищує надійність та строк їх служби та дозволяє більш повно ідентифікувати причини технічних змін та порушень, оперативно впливати на технологічний процес. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для контролю технічного стану електричних машин, що містить сполучені послідовно віброперетворювач, аналізатор спектра, блок реєстрації рівнів вібросигналів, перший пороговий елемент, елемент АБО, блок затримки, блок захисту і сполучені послідовно датчик технологічний, блок визначення навантаження, блок пам'яті, схему керування, ключовий елемент триканальний, другий пороговий елемент, дисплей, а також третій пороговий елемент, вихід якого сполучено з другими входами елемента АБО та дисплея, перший вхід якого сполучено з третім входом елемента АБО, а третій вхід підключено до виходу першого порогового елемента, другий вхід якого сполучено з другим виходом ключового елемента триканального та першим виходом блока пам'яті, другий вихід якого сполучено з третім виходом ключового елемента триканального та першим входом третього порогового елемента, другий вхід якого сполучено з другим виходом блока реєстрації рівнів вібросигналів та другим входом ключового елемента триканального, а його третій вхід сполучено з другим входом другого порогового елемента та третім виходом блока реєстрації рівнів вібросигналів, а четвертий вхід - з першим виходом блока реєстрації рівнів вібросигналів, другий вхід якого сполучено з другим виходом схеми керування, другий та третій виходи блока визначення навантаження сполучені, відповідно, з другим та третім входами блока пам'яті, третій вихід якого сполучено з першим входом другого порогового елемента, відрізняється тим, що додатково містить послідовно сполучені акустичний датчик, перетворювач звуку, четвертий 1 UA 106391 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пороговий елемент та послідовно сполучені датчик обертів та функціональний перетворювач, до другого та третього входів якого підключені джерела постійної вхідної дії, а вихід сполучено з другим входом четвертого порогового елемента, вихід якого сполучено з четвертими входами дисплея та елемента АБО. На кресленні представлена структурна схема пристрою для контролю технічного стану електричних машин. Пристрій для контролю технічного стану електричних машин (креслення) складається з послідовно сполучених віброперетворювача 1, аналізатора спектра 2, блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів, три виходи якого сполучені з другими входами трьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3, а другий вхід сполучено з третім виходом схеми керування 5, другий вихід якої сполучено з четвертим входом ключового елемента 6 триканального, датчика технологічного 7, вихід якого сполучено з блоком 8 визначення навантаження, три виходи якого сполучені з трьома входами блока 9 пам'яті, четвертий вхід якого сполучено з виходом схеми керування 5, а три виходи сполучені з трьома виходами ключового елемента б триканального та входами трьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3, другі входи яких сполучені з трьома виходами блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів та трьома входами ключового елемента 6 триканального, акустичного датчика 10, вихід якого через перетворювач звуку сполучено з входом четвертого порогового елемента 4.4, другий вхід якого сполучено з виходом датчика 12 обертів через функційний перетворювач 13, до другого та третього входів якого підключені джерела постійної вхідної дії, відповідно Е1 та Е2, виходи чотирьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 сполучені з чотирма входами дисплея 14 та чотирма входами елемента 15 АБО, вихід якого сполучено з блоком 16 затримки, вихід якого сполучено з блоком 17 захисту. Віброперетворювач 1 призначений для вимірювання вібраційної швидкості, вібраційного і ударного прискорень в заданому частотному діапазоні. Аналізатор спектра 2 забезпечує аналіз виміряних спектрів методом розкладання загального рівня вібрації на частотні складові. Блок 3 реєстрації рівнів вібросигналів забезпечує вимірювання амплітуд сигналів вібрації в трьох піддіапазонах з використанням фільтрів для стандартного діапазону 10 Гц - 1 кГц. Схема керування 5 забезпечує режими запису в блок 9 пам'яті при підготовці пристрою до роботи. Ключовий елемент 6 триканальний забезпечує замикання трьох виходів блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів з трьома виходами блока 9 пам'яті. Датчик технологічний 7 забезпечує вимірювання значень величини технологічного параметра, який найбільш точно віддзеркалює стан навантаження машини при її експлуатації. Блок 8 визначення навантаження забезпечує виділення з загального можливого значення величини Um технологічного параметра окремих діапазонів значень Ui , і присвоєння їм цифрового коду з трьох розрядів. Блок 9 пам'яті забезпечує встановлення на трьох вихідних ланцюгах значень сигналів, записаних раніше в режимі запису по сигналах схеми керування 5. Акустичний датчик 10 приймає звукові коливання, які складають собою аеродинамічний шум при роботі електричної машини, та перетворює їх в електричний сигнал. Шум електричних машин має декілька складових: - механічний шум - обумовлений вібрацією деталей і вузлів від небалансу ротора, роботи підшипників і щіткових контактів; - аеродинамічний шум - обумовлений обертанням ротора і рухом повітряних потоків усередині машини; - електромагнітний шум - обумовлений магнітними силами, діючими в повітряному зазорі. Основними джерелами і причинами аеродинамічного шуму є: - шум вентилятора, обумовлений вихорами, що зриваються, від повітряного струменя кромками лопаток і диском вентилятора; - шум обертання ротора, обумовлений зривом вихорів з його поверхні від розтину повітряного струменя головками обмоток ротора або виступаючими кінцями стрижнів білячої клітки короткозамкнутих роторів; - шум повітряних потоків, вихорів, що викликаються зривом, з нерухомих перешкод у вентиляційних шляхах, наприклад на отворах вхідних і вихідних вікон, з ребер статора, лобових частин обмоток статора і др.; - звуки, що викликаються тим, що у деталях механізмів, що обертаються, виникають збурюючі відцентрові сили, що викликаються неврівноваженими масами (дисбалансом), також від переміщення деталей під дією електричних сил обмоток електричних машин; 2 UA 106391 U 5 10 15 - звуки, викликані механічними вузлами, такими як підшипники, елементи зчеплення валу приводу і робочого колеса (наприклад муфти), а також стосується частин ротора корпусу або інших нерухомих елементів, що обертаються. Всі ці складові можуть бути присутні при роботі електричної машини. Рівень повітряного шуму, що створюється асинхронними двигунами і машинами постійного струму потужністю P в діапазоні від 1 до 1000 кВт з частотою обертання n на відстані 0,5 м, з достатньою точністю може бути визначений по виразу L  10 lg P  20 lg n  10 дБ . [Аксенова О.Т. Промышленная акустика: учебное пособие / О.Т. Аксенова. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2011. - 132 с.] Перетворювач звуку 11 забезпечує розкладання шуму на складові його тону з визначенням їх інтенсивностей у вигляді спектра, далі формується вихідний сигнал LA пропорційний рівню звукового тиску для характерних складових. Згідно з ГОСТ 12.1.003-83 "Шум. Загальні вимоги безпеки" нормування може здійснюватися по рівню звукового тиску в октавних смугах частот з стандартними частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 і 8000 Гц, які представляють сукупність восьми нормативних рівнів звукового тиску. Датчик обертів 12 забезпечує формування вихідного сигналу U12 , пропорційного частоті n обертання вала електричної машини, U12  k  n . Функціональний перетворювач 13 забезпечує формування вихідного сигналу в відповідності 2 LA  lg( Pn 2 / rs )  k , так як для широкого класу електричних машин з самовентиляцією рівень звуку LA (дБА) на відстані rs , (м) пропорційний квадрату частоти з 20 25 30 35 40 45 50 55 виразом обертання n (об/хв) і номінальній потужності P (кВт), де k - емпірична величина, яка може змінюватися в межах до 30 дБ і характеризує ступінь малошумності конструкції електричної машини та зменшується із збільшенням жорсткості статора. Джерела E1 та E2 постійної вхідної дії задають сигнали, пропорційні, відповідно, номінальній потужності P (кВт) та відстані rs (м) від акустичного датчика до електричної машини. Шумові параметри, наприклад, асинхронних двигунів, відповідно до ГОСТ 16372 (МЭК 60034), характеризуються рівнем звукового тиску LPA і рівнем звукової потужності LWA , що коректується за шкалою A в режимі холостого ходу та регламентуються виробником. Збільшення рівня звукової потужності при номінальному навантаженні в порівнянні з холостим ходом LWA визначається, відповідно до ГОСТ 16372 (МЭК 60034). Дисплей 14 забезпечує відображення значень параметрів вібрації та акустичного сигналу шуму в аварійних режимах, на його вхід подаються сигнали через блок сполучення, який на кресленні не показаний. Блок 16 затримки забезпечує затримку передачі вхідного сигналу на переключення вихідного сигналу блока 17. Блок 17 захисту забезпечує переключення схеми управління електричною машиною, її відключення в аварійному режимі, і може бути виконаний на ключових елементах, які забезпечують гальванічну розв'язку. Блок живлення пристрою контролю технічного стану електричних машин не показаний. Прийняті позначення Uin - напруга на і-му виході n-гo блока. Працює пристрій наступним чином. Перед проведенням експлуатації пристрою проводиться калібрування з урахуванням передаточних характеристик всіх блоків і далі при робочих режимах машини записують значення з трьох виходів блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів в блок 9 пам'яті через ключовий елемент 6 триканальний, який замикається за допомогою схеми керування 5, яка забезпечує з другого виходу подачу логічного високого рівня на ключовий елемент 6 триканальний, а також з першого виходу - на четвертий вхід блока 9 пам'яті для забезпечення режиму запису. Інтерфейси вводу-виводу в блоці 9 пам'яті не показані. Установлюються значення E1 та E2 постійної вхідної дії, які пропорційні, відповідно, номінальній потужності P (кВт) та відстані rs (м) від акустичного датчика до електричної машини. В робочому режимі після подачі напруги в ланцюги живлення пристрою, сигнал з віброперетворювача 1, пропорційний амплітудному значені вібрації, при роботі електричної машини подається на аналізатор спектра 2, який забезпечує аналіз виміряних спектрів методом розкладання загального рівня вібрації на частотні складові, а з його виходу сигнали подаються на блок 3 реєстрації рівнів вібросигналів, який виконує вимірювання амплітуд сигналів вібрації в трьох піддіапазонах з використанням фільтрів. Три вихідні сигнали блока 3 подаються на другі 3 UA 106391 U входи порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3, де порівнюються з сигналами на перших входах цих елементів, що надходять від блока 9 нам'яті. Порогові елементи 4.1, 4.2, 4.3 мають характеристики 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ui4  0 , Ui3  Ui7 , U7  1 , якщо Ui3  Ui7 . 4 Сигнали з датчика 7 технологічного подаються на блок 8 визначення навантаження, на виході якого, залежно від значення навантаження, встановлюється цифровий код, який подається на блок 9 пам'яті, з виходів якого значення рівнів сигналів механічної вібрації машини при режимах, встановлених при наладці, та які були записані при підготовці пристрою до роботи, подаються на входи трьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3. Сигнали акустичного датчика 10 через перетворювач звуку 11 подаються на вхід порогового елемента 4.4, який має характеристику U4  0 , якщо U10  U13 , U4  1 , якщо U10  U13 . 4 4 На другий вхід порогового елемента 4.4 подаються сигнали від функційного перетворювача 13, який виконує перетворення з урахуванням сигналів від датчика обертів 12 та джерел E1 та E2 постійної вхідної дії. При появі сигналу рівня логічної одиниці Ui4  1 на одному або кількох виходах він передається через елемент 15 АБО на блок 16 затримки, який забезпечує переключення вихідного сигналу блока з логічного нуля в одиницю з затримкою, а також на дисплей 14 для візуалізації і ідентифікації перевищення значення вібрації чи акустичного сигналу шуму. З виходу блока 16 затримки сигнал подається на блок захисту, який забезпечує відключення електричної машини. Сигнал на виході четвертого порогового елемента з'являється при збільшенні акустичного сигналу шуму електричної машини у разі зносу підшипників і вібрації вала, порушенні центрування осей вала, порушенні балансування приводного механізму, в відповідності до ГОСТ ИСО 10816-1-97 і залежить також від навантаження машин. Вимірювальна система пристрою маає можливість калібрування всього вимірювального тракту і має незалежні виходи для під'єднання додаткових аналізаторів. Кріплення віброперетворювача та акустичного датчика має бути таким, щоб воно не змінювало акустичношумові характеристики електричної машини. Застосування введених до складу пристрою порогового елемента 4.4, акустичного датчика 10, перетворювача звуку 11, датчика 12 обертів, функційного перетворювача 13, двох джерел постійної вхідної дії E1 та E2 , дозволяє підвищити ефективність і надійність функціонування електричних машин, а також забезпечує відключення їх при аварійних ситуаціях, при виникненні підвищення значення акустичного сигналу. Це дозволяє уникнути технологічних перевантажень, підвищити продуктивність робочих механізмів. Пристрій дозволяє контролювати технологічний небаланс в машинах, який може виникати в робочому режимі, при частково відкритих заслінках, наприклад для вентиляторів, що підвищує рівень шуму із-за порушень балансування, а також гістерезис небалансу на робочому колесі, обумовлений наявністю пружного елемента, який під дією відцентрових сил при номінальній частоті обертання зміщується. Пристрій забезпечує підвищення точності діагностики шляхом вимірювання акустичного сигналу шуму в залежності від частоти обертання робочого вала електричних машин, що підвищує надійність та строк їх служби та є можливість більш повно ідентифікувати причини технічних порушень, що дозволяє також оперативно впливати на технологічний процес. Пристрій дозволяє контролювати не тільки вібрації, а і рівні шуму та виявляти магнітні несиметрії магнітопроводів, в першу чергу, із-за несиметрії повітряного зазору, в якій є дві складові, - статична і динамічна; виявляти дефекти систем охолоджування магнітопроводу і обмоток; виявляти дефекти щітково-колекторного вузла, дефекти шихтованого магнітопроводу у вигляді розслаблення пакета в зазорах, так як починають діяти електромагнітні сили, що стискають листи електротехнічної сталі і при їх ударах один об одного також підвищується шум електричної машини. Джерела інформації: 1. Патент України на винахід № 32472. Клявлін В.В., Немчин О.Ф. Пристрій для вимірювання і контролю параметрів вібрації машин. G01М7/00. 15.12.2000, Бюл. № 7, 2000 р. 2. Патент України на винахід № 62783. Пристрій для контролю вібрації машин. G01М7/00. Дубовик В.Г., Лебедев Л.М., Сівцова Т.О. 12.09.2011, Бюл. № 17. 4 UA 106391 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Пристрій для контролю технічного стану електричних машин, що містить сполучені послідовно віброперетворювач, аналізатор спектра, блок реєстрації рівнів вібросигналів, перший пороговий елемент, елемент АБО, блок затримки, блок захисту і сполучені послідовно датчик технологічний, блок визначення навантаження, блок пам'яті, схему керування, ключовий елемент триканальний, другий пороговий елемент, дисплей, а також третій пороговий елемент, вихід якого сполучено з другими входами елемента АБО та дисплея, перший вхід якого сполучено з третім входом елемента АБО, а третій вхід підключено до виходу першого порогового елемента, другий вхід якого сполучено з другим виходом ключового елемента триканального та першим виходом блока пам'яті, другий вихід якого сполучено з третім виходом ключового елемента триканального та першим входом третього порогового елемента, другий вхід якого сполучено з другим виходом блока реєстрації рівнів вібросигналів та другим входом ключового елемента триканального, а його третій вхід сполучено з другим входом другого порогового елемента та третім виходом блока реєстрації рівнів вібросигналів, а четвертий вхід - з першим виходом блока реєстрації рівнів вібросигналів, другий вхід якого сполучено з другим виходом схеми керування, другий та третій виходи блока визначення навантаження сполучені, відповідно, з другим та третім входами блока пам'яті, третій вихід якого сполучено з першим входом другого порогового елемента, який відрізняється тим, що додатково містить послідовно сполучені акустичний датчик, перетворювач звуку, четвертий пороговий елемент та послідовно сполучені датчик обертів та функціональний перетворювач, до другого та третього входів якого підключені джерела постійної вхідної дії, а вихід сполучено з другим входом четвертого порогового елемента, вихід якого сполучено з четвертими входами дисплея та елемента АБО. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5