Спектральный анализ тока статора трехфазного асинхронного двигателя при аварийных режимах работы

Ключевые слова: трехфазный асинхронный двигатель, датчик тока, спектральный анализ, гармоника, быстрое преобразование Фурье.

осциллограмма статор асинхронный двигатель

Трехфазные асинхронные двигатели (АД) широко применяются во всех областях промышленности в виду их дешевизны и надежности. Выход из строя двигателя может привести к серьезной аварии на производстве. Диагностика работы АД в реальном времени является актуальной задачей, так как позволяет выявить неисправности и определить режим работы двигателя, не выводя его из работы. Перспективным методом диагностики является спектральный анализ тока статора АД [1].

В статье поставлена задача экспериментально исследовать влияние аварийных режимов АД на спектр тока статора и разработать алгоритм анализа осциллограмм для последующей реализации его на микроконтроллере. К аварийным режимам относятся: обрыв фазы статора, межвитковое замыкание, несимметричность фаз. Также интерес представляет исследование влияния нагрузочного режима двигателя.

Экспериментальная установка собрана на основе трехфазного электродвигателя АИР50В4N3, мощность которого составляет 0,9 кВт, напряжение - 220/380 В, номинальный ток - 0,37 А.В качестве устройства оцифровки данных была использована плата L-Card E-440 [2], оснащенная 14-ти битным АЦП, со скоростью опроса порта 400 кГц. Ток измерялся при помощи датчика тока ACS712-05B, принцип работы которого основан на эффекте Холла [3] (рис.1). Данный датчик тока имеет диапазон измерения ±5А и унифицированный выходной сигнал 0-5 В. Передача данных с платы L-Card E-440 на ЭВМ осуществлялась с помощью интерфейса USB. Для построения спектра тока был использован алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Данный алгоритм позволяет сократить объем вычислений по сравнению с обычным дискретным преобразованием Фурье (ДПФ) [4].

Рис. 1. - Экспериментальная установка

На установке имитировались разные нагрузочные режимы работы АД: на холостом ходу, под нагрузкой, с обрывом одной из фаз, с перекосом фаз и межвитковым замыканием.

Для обработки осциллограмм использовалось программная среда MathCad.Сняты также осциллограммы тока двигателя при работе в режиме нагрузки и на холостом ходу. Частота дискретизации выбрана равной 10 кГц. Длина выборки составила 8192 отсчета. С помощью БПФ рассчитан спектр сигналов.

На рис. 2 представлены спектры тока двигателя при холостом и нагрузочном режимах работы. В качестве нагрузочного устройства использовался двигатель постоянного тока, включенный в режиме генератора.

Рис.2. - Спектры тока двигателя при холостом и нагрузочном режимах работы

Спектры сигналов на рис. 2 похожи и имеют пики на одних и тех же гармониках (50, 150, 250, 350, 450 Гц). Это соответствует нечетным гармоникам 1, 3, 5, 7 и 9. Из рис. 2 видно, что амплитуда гармоник при холостом ходу меньше, чем при наличии нагрузки. А на частоте 450 Гц пик при холостом ходу вообще отсутствует.

На рис. 3 представлен спектр тока двигателя в нормальном режиме и при обрыве одной из фаз. На рис. 4 представлен спектр тока при его работе в нормальном режиме и при перекосе одной из фаз. Для имитации перекоса фаз к одной из фаз было последовательно подключено дополнительное сопротивление равное сопротивлению обмотки (110 Ом).

На рис. 5 представлен спектр тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при имитации межвиткового замыкания в одной из фаз. Имитация межвиткового замыкания осуществлена с помощью введения в цепь параллельного сопротивления номиналом 240 Ом.

Рис.3. - Спектры тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при обрыве одной из фаз

Рис.4. - Спектры тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при перекосе одной из фаз

Анализ полученных графиков выявил следующие результаты. Сравнение графиков на рис.3 показывает, что обрыв фазы АД приводит к росту гармоник с номерами №3 (3 дБ), №5 (1 дБ), №7 (1,7 дБ) (при вычислении в дБ за базис принята амплитуда i-ой гармоник спектра нормальной работы АД). Также заметно появление пика в районе 490 Гц.

Рис.5. - Спектры тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при межвитковом замыкании одной из фаз

Сравнение спектрограмм на рис. 4 выявило, что при перекосе фаз также присутствует рост гармоник №3 (1,6 дБ), №5 (1,3 дБ), №7 (1,6 дБ). При межвитковом замыкании (рис.5) гармоника №3 выросла более чем на 4 дБ. Также резко проявились почти все остальные нечетные гармоники: №5 (1,5 дБ), №7 (2 дБ), №9 (10 дБ). В спектре дополнительно наблюдается проявление 8-ой (400 Гц) и 10-ой (490 Гц) гармоник.

Эксперименты показали хорошую воспроизводимость. Результаты различных опытов для одного и того же режима отличаются не более чем на 10%. Это позволяет сделать вывод, что разработанная экспериментальная установка является работоспособной и позволяет измерять осциллограмму тока двигателя. Анализ полученных спектров показал различия между режимами работы АД, что позволяет идентифицировать аварийные режимы работы двигателя. Дополнительно предполагается внести нейронную сеть с целью идентификации вида режима работы АД.

Для реализации системы диагностики предполагается использовать высокоскоростной микроконтроллер STM32F4 с тактовой частотой 168 МГц. Наличие большого объема оперативной памяти позволяет данному микроконтроллеру производить преобразование Фурье в реальном времени. Общий алгоритм работы системы может быть сформулирован следующим образом: запись в массив выборки значений с АЦП с частотой 10 кГц; быстрое преобразование Фурье массива; вычисление амплитудного спектра сигнала; автоматический анализ спектра, подсчет амплитуд гармоник спектра в диапазоне 0-1000 Гц; подстановка вектора амплитуд гармоник на вход нейронной сети и получение результата.

Литература

1. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости ЭлектроТехники. 2005, № 1(31), С. 50-52.

2. L-CARD. Преобразователи напряжения измерительные E14. URL: www.lcard.ru/download/descr_type_e14.pdf.

3. Popovic R.S. Hall Effect Devices.Second Edition.CRC Press, 2003, 420 p.

4. Айфичер, Эммануил С., Джервис, Барри У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. // Пер. с англ. - М.: Издательский дом “Вильямс”, 2004, 992 с.

5. Brigham E. Fast Fourier Transform and Its Applications. Hardcover, 1988, 448 p.

6. Глухов Д.М., Муравлёва О.О. Моделирование работы многофазных асинхронных двигателей в аварийных режимах эксплуатации // Известия Томского политехнического университета, 2005, № 7, С. 139-142.

7. Толочко О.И., Розкаряка П.И., Журов И.О. Моделирование асинхронного двигателя при обрыве фазы статора // Электротехнические и компьютерные системы, 2014, № 15 (91), С. 262-266.

8. Бобров В.В. Оценка эффективности основных методов диагностики асинхронных электродвигателей // Ползуновский вестник, 2012, № 3/1, С. 198-203.

9. Бурцев А.Г., Дягилева Т.В., Пан А.Г. Экспериментальное исследование влияния нагрузочных режимов на спектр тока статора асинхронного двигателя // Инженерный вестник Дона, 2015, №1 (часть 2), URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1p2y2015/2839.

10. Чернов А.В., Пугачёва О.Ю., Абидова Е.А. Математическое моделирование диагностического сигнала при оценке состояния электроприводной арматуры по сигналу тока двигателя // Инженерный вестник Дона, 2011, №3, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2011/502.

References