RU2095909C1

RU2095909C1 - Bearing failure protective device for induction motor

Info

Publication number: RU2095909C1
Application number: RU95119891A
Authority: RU
Inventors: Александр Витальевич Булычев; Евгений Вениаминович Кулаков; Александр Николаевич Полушин
Original assignee: Александр Витальевич Булычев; Евгений Вениаминович Кулаков; Александр Николаевич Полушин
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has stator current sensor, signal modulus shaper, low-frequency filter whose input is connected to modulus shaper output, threshold element whose input is connected to low-frequency filter output, final element. Device also has newly introduced coupling components: supply voltage sensor connected to stator circuit of motor being protected, control pulse shaper whose input is connected to voltage sensor output, switch whose first input is connected to current sensor output and second input, to control pulse shaper output, storage element whose input is connected to switch output, high-frequency filter whose input is connected to storage element output and output is connected to signal modulus shaper output; threshold element output is connected to final element output. EFFECT: improved reliability of protective device in case of supply frequency deviation from rated value and in case of occurrence of harmonic components in stator current. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты асинхронного электродвигателя от внутренних повреждений, обусловленных разрушением подшипников. The invention relates to electrical engineering and is intended to protect an induction motor from internal damage caused by the destruction of bearings.

Известно устройство защиты электродвигателя, содержащее тепловой аналог защищаемого объекта, на вход которого подается сигнал, пропорциональный току статора [1] С помощью теплового аналога определяется температура электродвигателя. Полученное таким образом значение температуры защищаемого электродвигателя сравнивается с установленным допустимым значением и в случае превышения им допустимого уровня формируя сигнал на отключение или разгрузку машины. Это известное устройство имеет низкую точность и чувствительность к внутренним повреждениям в электродвигателе, а особенно к повреждениям подшипников. С его помощью выявляются только грубые отклонения защищаемого объекта от нормального, причем только те, которые сопровождаются значительным повышением тока статора. Поэтому повреждение, а часто и разрушение подшипника электродвигателя остается незамеченным, что обычно приводит к аварии с катастрофическими для защищаемого электродвигателя последствиями. A device for protecting an electric motor is known, containing a thermal analogue of the protected object, the input of which receives a signal proportional to the stator current [1] Using a thermal analogue, the temperature of the electric motor is determined. The temperature value of the protected motor thus obtained is compared with the set permissible value and, if it exceeds the permissible level, generating a signal to turn off or unload the machine. This known device has low accuracy and sensitivity to internal damage in the electric motor, and especially to damage to bearings. With its help, only gross deviations of the protected object from the normal are detected, and only those that are accompanied by a significant increase in the stator current. Therefore, damage, and often destruction of the motor bearing, goes unnoticed, which usually leads to an accident with catastrophic consequences for the protected motor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, выявляющее дефекты в подшипниках асинхронного электродвигателя по току статора этого двигателя, которое выбрано в качестве прототипа [2] Основой этого известного устройства являются функциональные элементы, выделяющие и контролирующие уровни составляющих тока статора с частотами, отличными от частоты источника питания. Эти составляющие возникают в токе статора асинхронного электродвигателя при появлении дефекта в подшипнике [2]
В известном устройстве выделение составляющих тока статора с частотами, отличными от частоты источника питания, осуществляется высокодобротным режекторным (заграждающим) частотным фильтром, который максимально ослабляет составляющие сигнала с фиксированной частотой 50 Гц и пропускает составляющие с другими частотами без ослабления.The closest in technical essence to the proposed technical solution is a device that detects defects in the bearings of an induction motor by the stator current of this motor, which is selected as a prototype [2] The basis of this known device are functional elements that isolate and control the levels of stator current components with frequencies different from the frequency of the power source. These components occur in the stator current of an induction motor when a defect appears in the bearing [2]
In the known device, the separation of the stator current components with frequencies different from the frequency of the power source is carried out by a high-quality notch (barrier) frequency filter, which attenuates the signal components with a fixed frequency of 50 Hz and passes components with other frequencies without attenuation.

Недостатком прототипа является то, что при отклонении частоты в сети, питающей защищаемый электродвигатель, от номинальной частоты 50 Гц в ту или другую сторону, используемый режекторный фильтр не обеспечивает максимального ослабления составляющих сигнала с частотой питающей сети и на выходе фильтра появляется сигнал, соизмеримый по уровню с полезным сигналом при повреждении подшипника. Кроме того, составляющие тока статора с частотами, кратными частоте источника питания (появление которых не связано с дефектами в подшипниках), не ослабляются режекторным фильтром и воспринимаются устройством как полезный сигнал. Поэтому в реальных условиях эксплуатации электродвигателей известное устройство может ложно срабатывать. The disadvantage of the prototype is that when the frequency deviation in the network supplying the protected motor from the nominal frequency of 50 Hz in one direction or another, the notch filter used does not provide the maximum attenuation of the signal components with the frequency of the mains and a signal comparable in level appears at the output of the filter with a useful signal when the bearing is damaged. In addition, the components of the stator current with frequencies that are multiples of the frequency of the power source (the appearance of which is not associated with defects in the bearings) are not attenuated by the notch filter and are perceived by the device as a useful signal. Therefore, in actual operating conditions of electric motors, a known device may falsely operate.

Цель изобретения повышение надежности защиты путем исключения возможности ложных срабатываний при отклонении частоты в питающей сети от номинального значения и при появлении гармонических составляющих в токе статора. The purpose of the invention is to increase the reliability of protection by eliminating the possibility of false alarms when the frequency deviates from the nominal value in the supply network and when harmonic components appear in the stator current.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для защиты асинхронного электродвигателя от разрушения подшипников, содержащее датчик тока, включенный в цепь статора электродвигателя, формирователь модуля сигнала, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом формирователя модуля, пороговый элемент, подключенный входом к выходу фильтра нижних частот, исполнительный орган, дополнительно содержит датчик напряжения питающей сети, подключенной к цепи статора защищаемого электродвигателя, формирователь направляющих импульсов, входом подключенный к выходу датчика напряжения, коммутатор, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход подключен к выходу формирователя управляющих импульсов, запоминающий элемент, вход которого соединен с выходом коммутатора, фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу запоминающего элемента, а выход соединен со входом формирователя модуля сигнала, выход порогового элемента соединен со входом исполнительного органа. This goal is achieved in that a device for protecting an induction motor from bearing destruction, containing a current sensor included in the stator circuit of the motor, a signal driver, a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the driver of the module, a threshold element connected to the output of the lower filter frequency, the executive body, further comprises a voltage sensor of the supply network connected to the stator circuit of the protected electric motor, a pulse guide shaper the input connected to the output of the voltage sensor, the switch, the first input of which is connected to the output of the current sensor, and the second input is connected to the output of the control pulse generator, a memory element, the input of which is connected to the output of the switch, a high-pass filter, the input of which is connected to the output of the memory element and the output is connected to the input of the driver of the signal module, the output of the threshold element is connected to the input of the executive body.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства защиты от асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства в нормальных условиях при исправных подшипниках; на фиг. 3 - аналогичные временные диаграммы при поврежденном подшипнике. In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed device protection against an induction motor; in FIG. 2 timing diagrams of the operation of the device under normal conditions with serviceable bearings; in FIG. 3 - similar timing diagrams for a damaged bearing.

На диаграммах приняты следующие обозначения: U₂ выходной сигнал датчика тока; U₄ выходной сигнал датчика напряжения; U₅ - выходной сигнал формирования импульсов; U₆ напряжение на выходе запоминающего элемента; U₇ напряжение на выходе фильтра верхних частот; U₁₀ выходной сигнал порогового элемента.The following notation is used in the diagrams: U ₂ output signal of the current sensor; U ₄ output signal of the voltage sensor; U ₅ is the output signal of the pulse formation; U ₆ voltage at the output of the storage element; U ₇ voltage at the output of the high-pass filter; U _{10 the} output signal of the threshold element.

Схема устройства для защиты асинхронного электродвигателя от разрушения подшипников (фиг. 1) содержит защищаемый электродвигатель 1; датчик тока 2 статора электродвигателя; коммутатор 3, информационный вход которого подключен к выходу датчика тока; датчик напряжения 4 питающей сети, подключенный к цепи статора электродвигателя; формирователь 5 управляющих импульсов, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а выход с управляющим входом коммутатора, и соединенные каскадно (т.е. вход последующего звена соединен с выходом предыдущего), аналоговый запоминающий элемент 6, фильтр 7 верхних частот, формирователь модуля 8 сигнала, фильтр 9 нижних частот, пороговый элемент 10 и исполнительный орган 11. A diagram of a device for protecting an induction motor from bearing destruction (Fig. 1) contains a protected motor 1; current sensor 2 of the stator of the electric motor; switch 3, the information input of which is connected to the output of the current sensor; voltage sensor 4 of the supply network connected to the stator circuit of the electric motor; shaper 5 of control pulses, the input of which is connected to the output of the voltage sensor, and the output to the control input of the switch, and connected in cascade (i.e., the input of the next link is connected to the output of the previous one), analog memory element 6, high-pass filter 7, shaper module 8 signal, low-pass filter 9, threshold element 10 and actuator 11.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Сигнал, пропорциональный напряжению питающей сети подается от датчика 4 на вход формирователя импульсов 5. В блоке 5 из синусоидального входного сигнала формируются прямоугольные импульсы, длительностью много меньше периода входного сигнала. Причем частота следования этих импульсов равна частоте напряжения питающей сети. A signal proportional to the voltage of the supply network is supplied from the sensor 4 to the input of the pulse shaper 5. In block 5, rectangular pulses are formed from the sinusoidal input signal, the duration of which is much less than the period of the input signal. Moreover, the repetition rate of these pulses is equal to the frequency of the supply voltage.

Выходные импульсы формирователя импульсов 5 подаются на управляющий вход электронного ключа в коммутаторе 3. Ключ находится в разомкнутом состоянии и периодически кратковременно замыкается под действием управляющих импульсов, соединяя информационный вход коммутатора с выходом. Таким образом, с выхода датчика тока 2 на вход запоминающего элемента 6 подаются выборки значений тока статора защищаемого электродвигателя с частотой, равной частоте напряжения питающей сети. The output pulses of the pulse shaper 5 are fed to the control input of the electronic key in the switch 3. The key is in the open state and periodically briefly closes under the action of control pulses, connecting the information input of the switch with the output. Thus, from the output of the current sensor 2, samples of the stator current values of the protected electric motor with a frequency equal to the frequency of the supply voltage are fed to the input of the storage element 6.

В нормальных условиях, при исправных подшипниках ток статора асинхронного двигателя имеет синусоидальную форму [2] Поэтому выборки значений тока, соответствующие определенной фазе сигнала, в установившемся режиме (когда амплитуда тока не изменяется) имеют одинаковые значения (фиг. 2). В результате на выходе аналогового запоминающего элемента 6 устанавливается сигнал постоянного уровня. Этот выходной сигнал запоминающего элемента подается на вход фильтра верхних частот 7. Поскольку входной сигнал фильтра 7 имеет постоянное значение, то сигнал на его выходе равен нулю. Under normal conditions, with serviceable bearings, the stator current of the induction motor has a sinusoidal shape [2] Therefore, samples of current values corresponding to a certain phase of the signal in the steady state (when the amplitude of the current does not change) have the same values (Fig. 2). As a result, the output of the analog storage element 6 is set to a constant level signal. This output signal of the storage element is supplied to the input of the high-pass filter 7. Since the input signal of the filter 7 has a constant value, the signal at its output is zero.

Далее выходной сигнал фильтра 7 последовательно обрабатывается формирователем модуля 8, фильтром нижних частот 9 и пороговым элементом 10. Поскольку уровень сигнала равен нулю, он не изменяет состояние выхода порогового элемента и, следовательно, не вызывает срабатывание исполнительного органа 11. Next, the output signal of the filter 7 is sequentially processed by the driver of the module 8, the low-pass filter 9 and the threshold element 10. Since the signal level is zero, it does not change the output state of the threshold element and, therefore, does not trigger the actuator 11.

При возникновении механического дефекта в подшипнике или нарушении центровки валов двигателя и приводимого им механизма момент сопротивления вращению становится зависимым от угла поворота вала. В этих условиях при вращении вала момент сопротивления периодически изменяется. Следовательно, скольжение, связанное с вращающим моментом линейной зависимостью, периодически изменяется с частотой, равной частоте вращения вала. Периодическое изменение скольжения вызывает периодическое изменение эквивалентного входного электрического сопротивления электродвигателя. Изменение этого сопротивления в свою очередь вызывает изменение тока статора с частотой вращения вала. Поскольку частота вращения вала асинхронной машины отличается от частоты питающей сети, то в токе статора появляются составляющие с частотами, отличными от частоты источника питания и не кратные этой частоте. В этих условиях выборки тока статора, подаваемые на вход запоминающего элемента 6, отличаются одна от другой, и уровень сигнала на выходе запоминающего элемента изменяется (фиг. 3). Этот переменный сигнал проходит через фильтр верхних частот 7, выпрямляется формирователем модуля 8, усредняется фильтром нижних частот 9 и поступает на вход порогового элемента 10. Если уровень сигнала выше порога срабатывания, то пороговый элемент воздействует на исполнительный орган 11 и им формируется сигнал, информирующий о появлении дефекта или на отключение защищаемого электродвигателя 1. In the event of a mechanical defect in the bearing or a misalignment of the motor shafts and the mechanism they drive, the moment of resistance to rotation becomes dependent on the angle of rotation of the shaft. Under these conditions, when the shaft rotates, the moment of resistance periodically changes. Therefore, the slip associated with the torque linearly varies periodically with a frequency equal to the shaft speed. A periodic change in slip causes a periodic change in the equivalent input electrical resistance of the electric motor. A change in this resistance in turn causes a change in the stator current with a shaft speed. Since the rotational speed of the shaft of an asynchronous machine differs from the frequency of the supply network, components with frequencies different from the frequency of the power source and not multiple to this frequency appear in the stator current. Under these conditions, the stator current samples supplied to the input of the storage element 6 differ from each other, and the signal level at the output of the storage element changes (Fig. 3). This variable signal passes through the high-pass filter 7, is rectified by the driver of module 8, averaged by the low-pass filter 9, and is fed to the input of the threshold element 10. If the signal level is higher than the threshold, the threshold element acts on the actuator 11 and it generates a signal informing about occurrence of a defect or shutdown of the protected motor 1.

Применение предлагаемого устройства позволяет осуществить более достоверный по сравнению с прототипом контроль состояния подшипников асинхронного электродвигателя. Исключаются ложные срабатывания устройства при отклонении частоты напряжения питающей сети, а также при повышении содержания гармоник в токе статора. Благодаря этому снижаются затраты из-за простоев оборудования и нарушения технологического процесса, обусловленные ложными срабатывающими устройствами. The use of the proposed device allows for more reliable control of the bearings of an induction motor compared to the prototype. False positives of the device are excluded when the frequency of the supply voltage deviates, as well as when the content of harmonics in the stator current increases. Due to this, costs are reduced due to equipment downtime and process disruptions caused by false triggering devices.

Claims

A device for protecting an induction motor from bearing destruction, comprising a current sensor included in the stator circuit of the electric motor, a signal driver, a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the driver, a threshold element connected to the output of the low-pass filter, an actuator the fact that it further comprises a voltage sensor of the supply network connected to the stator circuit of the protected electric motor, a control pulse shaper, the input is connected the output voltage sensor, a switch, the first input of which is connected to the output of the current sensor, and the second input is connected to the output of the control pulse generator, a memory element, the input of which is connected to the output of the switch, a high-pass filter, the input of which is connected to the output of the storage element, and the output is connected to the input of the driver of the signal module, the output of the threshold element is connected to the input of the executive body.