RU2799985C1 - Method for monitoring the state of electrical machines by signature analysis of the current signal - Google Patents
Method for monitoring the state of electrical machines by signature analysis of the current signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799985C1 RU2799985C1 RU2023103816A RU2023103816A RU2799985C1 RU 2799985 C1 RU2799985 C1 RU 2799985C1 RU 2023103816 A RU2023103816 A RU 2023103816A RU 2023103816 A RU2023103816 A RU 2023103816A RU 2799985 C1 RU2799985 C1 RU 2799985C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- during operation
- harmonics
- current
- machine
- frequencies
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля механических повреждений подшипников электрических машин путем измерения тока питания электрической машины и анализа его частотного состава.The invention relates to the field of measuring technology and can be used to control mechanical damage to the bearings of electrical machines by measuring the power supply current of the electrical machine and analyzing its frequency content.
Известны способы контроля состояния электрических машин, в которых состояние узлов машины оценивается путем анализа потребляемого тока.Known methods of monitoring the state of electrical machines, in which the state of the machine components is estimated by analyzing the current consumption.
Способы контроля состояния электрических машин по сигнатурному анализу электрических сигналов описаны в ГОСТ ИСО 20958-2015 и базируются на применении метода преобразования Фурье для получения спектральных характеристик сигнала тока. Данные методы позволяют обнаружить гармоники дефектов в амплитудно-частотном спектре по известным соотношениям. В качестве примеров таких способов можно привести патент WO 2020/078132 («Устройство диагностики неисправности подшипников двигателя», МПК G01M13/045, опубл. 23.04.2020); патент RU 2269759 («Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем», МПК G01M 15/00 (2006.01), опубл. 10.02.2006).Methods for monitoring the state of electrical machines by signature analysis of electrical signals are described in GOST ISO 20958-2015 and are based on the use of the Fourier transform method to obtain the spectral characteristics of the current signal. These methods make it possible to detect the harmonics of defects in the amplitude-frequency spectrum using known relationships. Examples of such methods include patent WO 2020/078132 (“Engine bearing failure diagnostic device”, IPC G01M13/045, publ. 04/23/2020); patent RU 2269759 (“Method for diagnosing mechanisms and systems with an electric motor”, IPC G01M 15/00 (2006.01), publ. 10.02.2006).
Наиболее близким техническим решением по совокупности существующих признаков является способ (по патенту RU 2356061 C1 «Способ автоматического контроля механических повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей», МПК G01R 31/00, опубл. 20.05.2009), в котором производится поиск максимальных значений амплитуды в малом диапазоне частот, связанных с возможными дефектами, и сравнение полученных значений с опорной величиной, полученной аналогично для исправного режима.The closest technical solution in terms of the totality of existing features is the method (according to patent RU 2356061 C1 "Method for automatically monitoring mechanical damage to three-phase asynchronous electric motors", IPC G01R 31/00, publ. 05/20/2009), which searches for maximum amplitude values in a small frequency range associated with possible defects, and compares the obtained values with a reference value obtained similarly for a good mode.
Недостатками перечисленных выше способов являются большое время накопления отсчетов сигнала для обеспечения высокого разрешения по частоте и, как следствие, размытие спектра при нестационарных условиях работы электрической машины, что приводит к невозможности обнаружения гармоник дефектов.The disadvantages of the above methods are the long accumulation time of the signal samples to ensure high frequency resolution and, as a result, the blurring of the spectrum under non-stationary operating conditions of the electric machine, which makes it impossible to detect harmonics of defects.
Техническая задача заявляемого способа заключается в оценке технического состояния электрической машины по ее параметрам.The technical task of the proposed method is to assess the technical condition of the electrical machine according to its parameters.
Технический результат заключается в снижении числа отсчетов сигнала, необходимых для получения признаков механических дефектов электрической машины, и уменьшении времени накопления сигнала, за счет чего достигается эффективная работа способа диагностики при нестационарных режимах работы электрических машин.The technical result consists in reducing the number of signal readings required to obtain signs of mechanical defects of the electrical machine, and reducing the signal accumulation time, due to which the effective operation of the diagnostic method is achieved under non-stationary operating modes of electrical machines.
Указанный технический результат достигается тем, что способ контроля состояния электрических машин характеризуется тем, что:The specified technical result is achieved by the fact that the method of monitoring the state of electrical machines is characterized by the fact that:
- измеряют и записывают потребляемый ток исправной электрической машины датчиком тока, установленным на фазный проводник машины;- measure and record the consumed current of a serviceable electrical machine with a current sensor installed on the phase conductor of the machine;
- фиксируют опорные значения амплитуд на частотах, соответствующих гармоникам механических дефектов, полученных из измеренного сигнала тока для исправной машины;- fix the reference values of the amplitudes at frequencies corresponding to the harmonics of mechanical defects obtained from the measured current signal for a serviceable machine;
- измеряют потребляемый ток электрической машины в процессе эксплуатации датчиком тока, установленным на фазный проводник машины;- measure the current consumed by the electrical machine during operation with a current sensor installed on the phase conductor of the machine;
- извлекают параметры гармоник (частоту и амплитуду) потребляемого тока электрической машины в процессе эксплуатации из измеренных отсчетов потребляемого тока параметрическим методом матричных пучков;- extract the parameters of the harmonics (frequency and amplitude) of the current consumed by the electrical machine during operation from the measured readings of the consumed current by the parametric method of matrix beams;
- сопоставляют частоты гармоник, извлеченные в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов;- compare the frequencies of harmonics extracted during operation with the frequencies of harmonics of mechanical defects;
- в случае совпадении частот гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, с частотами гармоник механических дефектов сравнивают амплитуды гармоник (частоту и амплитуду), извлеченные в процессе эксплуатации, с фиксированными опорными значениями амплитуд, полученных из измеренного сигнала тока для исправной машины; - if the harmonic frequencies extracted during operation coincide with the harmonic frequencies of mechanical defects, the harmonic amplitudes (frequency and amplitude) extracted during operation are compared with fixed reference amplitude values obtained from the measured current signal for a serviceable machine ;
- при превышении значений амплитуд гармоник, извлеченных в процессе эксплуатации, над фиксированными опорными значениями амплитуд, полученных из измеренного сигнала тока для исправной машины, делают вывод о наличии механического дефекта и принимают решение о дальнейшей эксплуатации электрической машины.- if the values of the amplitudes of the harmonics extracted during operation exceed the fixed reference values of the amplitudes obtained from the measured current signal for a serviceable machine, a conclusion is made about the presence of a mechanical defect and a decision is made on the further operation of the electric machine.
Метод матричных пучков является методом спектрального анализа, в котором предполагается, что сигнал является суммой комплексных экспонент с некоторыми неизвестными параметрами. Задача метода - определить неизвестные параметры: комплексные амплитуды и частоты каждой компоненты. Согласно принципам решения систем независимых уравнений, это позволяет снизить число отсчетов сигнала до числа неизвестных параметров. В этом случае число отсчетов будет в разы меньше числа отсчетов, необходимых для получения спектра Фурье с таким же разрешением по частоте.The matrix beam method is a spectral analysis method in which the signal is assumed to be the sum of complex exponentials with some unknown parameters. The task of the method is to determine unknown parameters: complex amplitudes and frequencies of each component. According to the principles of solving systems of independent equations, this makes it possible to reduce the number of signal samples to the number of unknown parameters. In this case, the number of samples will be several times less than the number of samples required to obtain a Fourier spectrum with the same frequency resolution.
Для работы метода в стационарном и в нестационарном режимах необходимо знать текущую частоту вращения вала электрической машины для расчета актуальных значений частот механических дефектов.For the method to work in stationary and non-stationary modes, it is necessary to know the current rotational speed of the electric machine shaft in order to calculate the actual values of the frequencies of mechanical defects.
Отличие предлагаемого способа от известных заключается в том, что метод матричных пучков позволяет находить параметры гармонических составляющих сигнала при низкой частоте дискретизации (порядка 500 Гц) и малом количестве отсчетов сигнала (порядка 100 отсчетов). Эти свойства позволяют находить компоненты дефекта при нестационарных условиях работы электрической машины.The difference between the proposed method and the known ones lies in the fact that the method of matrix beams allows you to find the parameters of the harmonic components of the signal at a low sampling rate (about 500 Hz) and a small number of signal samples (about 100 samples). These properties make it possible to find defect components under non-stationary operating conditions of an electric machine.
Способ контроля состояния электрических машин по сигнатурному анализу токового сигнала поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 представлено сравнение результатов обработки измеренного тока методом Фурье и методом матричных пучков для микромоторного шпинделя постоянного тока с постоянными магнитами с исправным подшипником для сигналов длительностью 2 секунды и 0,8 секунд соответственно; на фиг. 3 и фиг. 4 представлено сравнение результатов обработки измеренного тока методом Фурье и методом матричных пучков для микромоторного шпинделя постоянного тока с постоянными магнитами с подшипником без смазки для сигнала длительностью 2 секунды и 0,8 секунд соответственно.The method for monitoring the state of electrical machines by signature analysis of the current signal is illustrated by drawings, where in Fig. 1 and FIG. 2 shows a comparison of the results of processing the measured current by the Fourier method and the method of matrix beams for a DC micromotor spindle with permanent magnets with a good bearing for signals with a duration of 2 seconds and 0.8 seconds, respectively; in fig. 3 and FIG. 4 shows a comparison of the results of processing the measured current by the Fourier method and the matrix beam method for a DC micromotor spindle with permanent magnets with a bearing without lubrication for a signal with a duration of 2 seconds and 0.8 seconds, respectively.
Микромотор шпинделя постоянного тока мощностью 64 Вт имеет частоту вращения 33 Гц. Сигнал потребляемого тока записан с датчика тока, установленного на фазный проводник микромотора, при частоте дискретизации 500 Гц. Потребляемый ток микромотора в исправном состоянии равен 0,13 А.The 64 W DC spindle micromotor has a rotation speed of 33 Hz. The current consumption signal was recorded from the current sensor installed on the phase conductor of the micromotor at a sampling frequency of 500 Hz. The current consumption of the micromotor in good condition is 0.13 A.
Для получения спектрального состава записанный сигнал двумя способами: методом Фурье и методом матричных пучков. Результат обработки показывает, что сигнал потребляемого тока содержит гармоники питающей сети (100 Гц и кратные частоты) и гармоники механической скорости (33 Гц и кратные частоты).To obtain the spectral composition of the recorded signal in two ways: the Fourier method and the method of matrix beams. The result of the processing shows that the current consumption signal contains mains harmonics (100 Hz and multiples) and mechanical speed harmonics (33 Hz and multiples).
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены результаты обработки сигнала тока для 1000 и 400 отсчетов соответственно. При уменьшении числа отсчетов сигнала разрешение спектра Фурье уменьшается, и некоторые гармоники не подлежат разделению и идентификации (гармоники на частоте питания и третьей частоте вращения). В то время как метод матричных пучков позволяет разделить гармоники в обоих случаях.In FIG. 1 and FIG. 2 shows the results of current signal processing for 1000 and 400 samples, respectively. With a decrease in the number of signal samples, the resolution of the Fourier spectrum decreases, and some harmonics cannot be separated and identified (harmonics at the supply frequency and the third rotation frequency). While the method of matrix beams allows you to separate the harmonics in both cases.
Согласно формулам, приведенных в ГОСТ ИСО 20958-2015, значения частот для дефектов подшипников микромотора при частоте вращения 33 Гц составляют:According to the formulas given in GOST ISO 20958-2015, the frequency values for micromotor bearing defects at a speed of 33 Hz are:
- частота дефекта сепаратора 11,74 Гц;- separator defect frequency 11.74 Hz;
- частота дефекта шарика 52,40 Гц;- ball defect frequency 52.40 Hz;
- частота дефекта внутренней дорожки 127,57 Гц;- defect frequency of the inner track 127.57 Hz;
- частота дефекта внешней дорожки 70,43 Гц.- defect frequency of the outer track 70.43 Hz.
По результатам спектрального анализа для потребляемого тока исправного микромотора приняты следующие опорные значения амплитуд на частотах дефектов:According to the results of spectral analysis for the current consumption of a serviceable micromotor, the following reference values of amplitudes at defect frequencies were taken:
- амплитуда на частоте дефекта сепаратора 0,2 мА;- amplitude at the separator defect frequency 0.2 mA;
- амплитуда на частоте дефекта шарика 0,2 мА;- amplitude at the ball defect frequency 0.2 mA;
- амплитуда на частоте дефекта внутренней дорожки 0,2 мА;- amplitude at the defect frequency of the inner track 0.2 mA;
- амплитуда на частоте дефекта внешней дорожки 0,2 мА;- amplitude at the defect frequency of the outer track 0.2 mA;
При масляном голодании подшипника микромоторного шпинделя в сигнале тока появляется гармоника на частоте дефекта сепаратора подшипника (11,74 Гц), а также увеличивается амплитуда первой гармоники механической частоты вращения (33 Гц).With oil starvation of the micromotor spindle bearing, a harmonic appears in the current signal at the defect frequency of the bearing separator (11.74 Hz), and the amplitude of the first harmonic of the mechanical rotation frequency (33 Hz) also increases.
Амплитуда гармоники на частоте дефекта сепаратора составляет 0,6 мА, что в 3 раза больше опорного значения. Таким образом, результат диагностики показывает наличие дефекта подшипника микромотора шпинделя.The harmonic amplitude at the separator defect frequency is 0.6 mA, which is 3 times the reference value. Thus, the diagnostic result shows the presence of a defect in the spindle micromotor bearing.
Гармоника дефекта наблюдается в спектре Фурье как при 1000 отсчетах, так и при 400, однако, при низком разрешении спектра ее значение определено с точностью 1,25 Гц, что может привести к ложной идентификации дефекта в условиях зашумленности сигнала. Метод матричных пучков позволяет получить значение частоты с точностью до 0,1 Гц.The harmonic of the defect is observed in the Fourier spectrum both at 1000 counts and at 400, however, at a low resolution of the spectrum, its value is determined with an accuracy of 1.25 Hz, which can lead to false identification of the defect in noisy signal conditions. The matrix beam method makes it possible to obtain the frequency value with an accuracy of 0.1 Hz.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2799985C1 true RU2799985C1 (en) | 2023-07-14 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2826152C1 (en) * | 2024-04-19 | 2024-09-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" | Method of diagnosing technical condition of electric motors in real time |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2300116C2 (en) * | 2005-04-13 | 2007-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр электромагнитной безопасности" | Mode of diagnostics od electrical engines of alternating current and of mechanical arrangements involved with them |
| RU2339049C1 (en) * | 2007-03-02 | 2008-11-20 | Виктор Сергеевич Петухов | Diagnostic method of alternating current motor and associated mechanical appliances |
| RU2356061C1 (en) * | 2007-08-10 | 2009-05-20 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") | Method of automatic control of mechanical damages of three-phase asynchronous motors |
| RU2431152C2 (en) * | 2009-11-23 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
| CN105353305B (en) * | 2015-11-17 | 2018-01-12 | 浙江大学 | Rotor fault of eccentricity diagnostic method based on complete adaptive matrix beam |
| CN106842023B (en) * | 2017-01-22 | 2019-05-21 | 浙江大学 | Fault Diagnosis Method of Rotary Electric Machine |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2300116C2 (en) * | 2005-04-13 | 2007-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр электромагнитной безопасности" | Mode of diagnostics od electrical engines of alternating current and of mechanical arrangements involved with them |
| RU2339049C1 (en) * | 2007-03-02 | 2008-11-20 | Виктор Сергеевич Петухов | Diagnostic method of alternating current motor and associated mechanical appliances |
| RU2356061C1 (en) * | 2007-08-10 | 2009-05-20 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") | Method of automatic control of mechanical damages of three-phase asynchronous motors |
| RU2431152C2 (en) * | 2009-11-23 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
| CN105353305B (en) * | 2015-11-17 | 2018-01-12 | 浙江大学 | Rotor fault of eccentricity diagnostic method based on complete adaptive matrix beam |
| CN106842023B (en) * | 2017-01-22 | 2019-05-21 | 浙江大学 | Fault Diagnosis Method of Rotary Electric Machine |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2826152C1 (en) * | 2024-04-19 | 2024-09-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" | Method of diagnosing technical condition of electric motors in real time |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8994359B2 (en) | Fault detection based on current signature analysis for a generator | |
| Knight et al. | Mechanical fault detection in a medium-sized induction motor using stator current monitoring | |
| Pineda-Sanchez et al. | Application of the Teager–Kaiser energy operator to the fault diagnosis of induction motors | |
| Rosero et al. | Fault Detection in dynamic conditions by means of Discrete Wavelet Decomposition for PMSM running under Bearing Damage | |
| Alwodai et al. | A comparison of different techniques for induction motor rotor fault diagnosis | |
| RU2431152C2 (en) | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems | |
| Pons-Llinares et al. | Electric machines diagnosis techniques via transient current analysis | |
| Haddad et al. | Outer race bearing fault detection in induction machines using stator current signals | |
| Yazidi et al. | Broken rotor bars fault detection in squirrel cage induction machines | |
| Liu et al. | Robust motor current signature analysis (mcsa)-based fault detection under varying operating conditions | |
| Frosini et al. | A new diagnostic instrument to detect generalized roughness in rolling bearings for induction motors | |
| Kabul et al. | An alternative approach for the detection of broken rotor bars and bearing faults of induction motor based on vibration signals | |
| Saidi et al. | Stator current bi-spectrum patterns for induction machines multiple-faults detection | |
| Nasiri et al. | Ball-bearing fault detection of squirrel-cage induction motors based on single-phase stator current using wavelet packet decomposition and statistical features | |
| RU2799985C1 (en) | Method for monitoring the state of electrical machines by signature analysis of the current signal | |
| Zamudio-Ramirez et al. | Detection of corrosion in ball bearings through the computation of statistical indicators of stray-flux signals | |
| Ahmed et al. | Detection of eccentricity faults in machine usingfrequency spectrum technique | |
| RU2753578C1 (en) | Method for diagnostics of the technical conditions of rotary equipment | |
| RU2730109C1 (en) | Vibration monitoring method of brush-collector units of direct-current motors | |
| Mirzaeva et al. | Ac motor instrumentation and main air gap flux measurement for fault diagnostics | |
| Castelli et al. | New methodology to faults detection in induction motors via MCSA | |
| Bellini et al. | Diagnosis of mechanical faults by spectral kurtosis energy | |
| WO2024111204A1 (en) | Robust fault frequency component extraction of motor under varying operating conditions | |
| Garcia-Calva et al. | A Comparative Analysis of Monitoring Signals for Bearing Wear Detection in VSI-fed Induction Motors During Startup Transient | |
| Yazici et al. | An adaptive, on-line, statistical method for detection of broken bars in motors using stator current and torque estimation |