Метод фазовой плоскости

как средство непрерывной дистанционной бесконтактной экспресс-диагностики асинхронных электроприводов горного и геологоразведочного оборудования

Трехфазные асинхронные электродвигатели (ТАД) — основной тип преобразователей электрической энергии в механическую для горного и геологоразведочного оборудования. Их преимущества:

· Высокая надежность

· Простота конструкции

· Доступная цена

· Высокий КПД

· Минимальное обслуживание

Техническое состояние ТАД критически важно для работы всего механизма. Неисправности приводят к:

· Простою оборудования

· Дополнительным затратам

· Повышенному энергопотреблению (до +15% после некачественного ремонта)

· Снижению коэффициента мощности (-8%)

Современная диагностика в отрасли практически не применяется из-за несовершенства существующих методов. Основной метод — вибродиагностика — имеет существенные ограничения:

· Требует установки датчиков

· Неприменим для некоторых типов оборудования

· Дорогостоящий

Необходимость инноваций обусловлена потребностью в:

· Бесконтактном мониторинге

· Дистанционной диагностике

· Универсальных решениях

В данной статье рассматривается способ мониторинга состояния ТАД через анализ фазового портрета потребляемого тока, что позволяет эффективно диагностировать оборудование без физического контакта.

Фазовый портрет

В теории колебаний фазовая плоскость — координатная плоскость, в которой по осям координат откладываются какие-либо две переменные (фазовые координаты), однозначно определяющие состояние системы. Фазовая плоскость является частным случаем фазового пространства, которое может иметь большую размерность.

В физике колебаний на оси абсцисс фазовой плоскости откладывается значения переменного параметра **x**, а на оси ординат – первая производная **x** по времени .

Каждая точка фазовой плоскости отражает одно состояние системы и называется фазовой, изображающей или представляющей точкой. Изменение состояния системы отображается на фазовой плоскости движением этой точки. След от движения изображающей точки называется фазовой траекторией. Через каждую точку фазовой плоскости проходит лишь одна фазовая траектория, за исключением особых точек (в математике особой точкой векторного поля называется точка, в которой векторное поле равно нулю). Стрелками на фазовых траекториях показывается перемещение изображающей точки с течением времени. Полная совокупность различных фазовых траекторий — это фазовый портрет. Он даёт наглядное представление о совокупности всех возможных сочетаний системы и типах возможных движений в ней.

Вышесказанное делает метод фазовой плоскости одним из перспективных средств мониторинга технического состояния ТАД.

Потребляемый электродвигателем ток пропорционален создаваемому двигателем моменту, а, соответственно, производная пропорциональна угловой скорости. Следовательно, фазовый портрет тока несет в себе информацию не только о техническом состоянии электродвигателя, но и о характере механической нагрузки.

С помощью математического моделирования в среде REPEAT были проведены следующие опыты с ТАД, работающим в номинальном режиме:

- С неизменной нагрузкой;

- С периодической нагрузкой синусоидального характера;

- С периодической нагрузкой импульсного характера;

- С неизменной нагрузкой на валу при наличии дефекта ротора.

Модель состоит из следующих основных блоков:

1. Трехфазный источник переменного тока;

2. Исследуемый трехфазный асинхронный двигатель;

3. Контрольно-измерительные приборы (амперметр, вольтметр, ваттметр, осциллографы, анализаторы спектра);

4. Дифференцирующего устройства.

Рисунок 1 - Модель лабораторного стенда в пакете REPEAT

Работа электродвигателя без дефектов при номинальной нагрузке

Рисунок 2 - Ток, скорость вращения, вращающий момент и скольжение ТАД с постоянной нагрузкой

Рисунок 3 - Фазовый портрет тока ТАД с постоянной нагрузкой

Фазовый портрет на рис.3 представляет собой окружность постоянного радиуса (другие кривые, выходящие за пределы окружности, соответствуют переходу от пускового режима к установившемуся). Примем данный портрет за опорный и будем сравнивать с ним результаты следующих опытов.

Работа электродвигателя без дефектов с периодической нагрузкой синусоидального характера

Рисунок 4 - Ток, скорость вращения, вращающий момент и скольжение ТАД с периодической нагрузкой синусоидального характера

Рисунок 5 - Фазовый портрет тока ТАД с периодической нагрузкой синусоидального характера

Фазовый портрет представлен теперь окружностью с переменным радиусом, а фактически- несколькими окружностями с изменяющимся радиусом пропорционально нагрузке на валу.

Работа двигателя без дефектов при нагрузке на валу импульсного характера

Рисунок 6 - Ток, скорость вращения, вращающий момент и скольжение ТАД с периодической нагрузкой импульсного характера

Рисунок 7 - Фазовый портрет тока ТАД с периодической нагрузкой импульсного характера

Фазовый портрет представлен двумя окружностями радиусы которых соответствуют моментам наброса (больший радиус) и сброса (меньший) нагрузки. Другие кривые соответствуют переходам из одного установившегося режима в другой.

Работа двигателя с повреждением ротора при неизменной нагрузке

Рисунок 8 - Ток, скорость вращения, вращающий момент и скольжение ТАД с повреждением ротора с неизменной нагрузкой.

Рисунок 9 - Фазовый портрет тока ТАД с дефектом ротора

Фазовый портрет представлен множеством кривых с различным радиусом.

В итоге приведем плюсы и недостатки вышеописанного метода:

- Возможность мониторинга состояния электродвигателя работающего в штатном режиме;

- Возможность определения работы электродвигателя в переходных и установившихся режимах;

- Возможность использования одного датчика тока для построения фазового портрета;

К недостаткам данного метода относятся:

- Сложность в обработке результатов.

- Для различных условий фазовый портрет будет специфичным и возможность разделить дефекты от вида нагрузки двигателя на валу достаточно сложно;

Следует отметить, что использование данного метода как индикатора состояния двигателя предпочтительно. Большой объем статистических данных и использование метода фазовой плоскости вместе с другими методами контроля позволит увеличить объем и достоверность получаемой информации.

Выводы

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Метод фазовой плоскости является эффективным инструментом для мониторинга технического состояния трехфазных асинхронных двигателей (ТАД), позволяющим:

- Осуществлять непрерывный контроль в штатном режиме работы

- Анализировать работу двигателя как в переходных, так и в установившихся режимах

- Диагностировать состояние оборудования с использованием всего одного датчика тока

2. Практическая значимость метода подтверждается возможностью:

- Определения характера механической нагрузки

- Выявления дефектов ротора

- Мониторинга изменения параметров работы двигателя

3. Основные преимущества предложенного подхода:

- Бесконтактность измерений

- Простота реализации

- Универсальность применения

- Возможность дистанционной диагностики

4. Ограничения метода:

- Определенная сложность в обработке результатов

- Необходимость учета специфики фазовых портретов для различных условий работы

- Сложность разделения влияния дефектов и нагрузки на характеристики двигателя

5. Перспективы развития:

- Комбинирование с другими методами контроля

- Накопление статистических данных

- Повышение точности диагностики

- Автоматизация процесса анализа результатов

Таким образом, метод фазовой плоскости представляет собой перспективное направление в области диагностики ТАД, способное существенно повысить надежность и эффективность работы горного и геологоразведочного оборудования.