Измерение и анализ вибрации двигателя электроприводов с помощью системы Keysight

Измерение и анализ вибрации двигателя электроприводов с помощью системы Keysight

Опубликовано в номере:
PDF версия
Предлагаемая статья отвечает на вопрос: почему необходимо измерять или контролировать сигналы вибрации от двигателя электропривода, в том числе электрических транспортных средств? На примере электродвигателя переменного тока показано, как это можно делать просто и эффективно с помощью DAQ970A Data Acquisition System [1] — новой недорогой системы сбора данных и анализа результатов измерений от компании Keysight Technologies (далее — Keysight). Статья написана по материалам компании Keysight и публикации в блоге Benchtop, посвященном использованию ее настольных измерительных приборов [2].

Измерение профиля вибрации электродвигателя имеет решающее значение для понимания не только его состояния, но и, самое важное, прогнозирования его поведения в ближайшем будущем, на чем и основано так называемое прогнозное техническое обслуживание. Электрические двигатели как неотъемлемая часть приводов используются в различных отраслях промышленности — от бытовой техники, в частности вентиляторов и стиральных машин, до лифтового хозяйства, систем кондиционирования в зданиях, промышленных насосов, компрессоров, крупного вращающегося оборудования и самых различных конвейерных систем.

Особую роль электродвигатели начали играть в приводах современных электрических транспортных средств, как индустриального применения, так и электромобилей личного пользования. При этом во многих отраслях промышленности, особенно в горной, тяжелой и обрабатывающей промышленности, двигатели могут использоваться, как говорится, 24 часа в сутки семь дней в неделю. Такие отрасли не могут позволить себе внеплановые простои из-за поломки оборудования, которые обойдутся им в миллионы долларов, а отказ двигателя в личном электромобиле чреват аварией с возможными травмами и даже человеческими жертвами.

Превентивные меры против этих рисков предпочтительнее, нежели желание сэкономить цент, а потом на последующее устранение проблем потратить доллар. Тут сэкономленная копейка рубль не убережет, и это давно уже не дань моде и уж тем более не некая техническая экзотика — примеры таких решений доступны по ссылкам [3, 4]. И первым звоночком потенциального отказа привода становится вибрация, а точнее изменения в ее профиле — модели поведения, которые лучше всего определить заранее в ходе выполнения НИОКР. И здесь неоценимую помощь оказывают системы сбора данных и анализа результатов измерений.

Итак, для начала посмотрим, как выглядит вибрационный сигнал непосредственно от самого двигателя при его определении электрическим путем? В статье для упрощения понимания процесса измерения и изложения общих тенденций, в качестве примера измерения сигналов вибрации, использован типовой электродвигатель переменного тока с одноосевым измерением вибрации. Это позволит понять суть проблемы и при необходимости применить предлагаемую методику к конкретным приводам определенного приложения. Сам процесс и тестовая установка для измерения и анализа вибрации описаны в [2].

На первый взгляд может показаться, что вибрация — это чистый синусоидальный сигнал, зависящий только от частоты возбуждения обмоток электродвигателя, запитанных от системы регулирования или электрической сети. Это не совсем верно, поскольку в мире реальных приводов она представлена суммой гармонических колебаний разных частей электродвигателя. Тем не менее основной источник вибрации электродвигателя тесно связан с его конструктивным решением и управлением. В общем случае синхронная скорость двигателя переменного тока зависит от числа полюсов и частоты управления. Отношение зависимости скорости основано на формуле расчета синхронной скорости вращения магнитного поля (об/мин):

n1 = 60f1/p,

где: f1 — частота питающего тока, Гц; р — число пар полюсов машины.

Примечание. Будьте внимательны — в некоторой, чаще зарубежной технической литературе, в том числе и в [1], а также переводах, р — это число полюсов, а не пар, в этом случае коэффициент 60 заменяется на 120.

Вибрации двигателя электропривода могут исходить от различных частей привода и деталей конструкции его двигателя. Так, электродвигатель переменного тока будет испытывать вибрации из-за ненадлежащей центровки вала, дефектов шарикоподшипников, сломанного или треснувшего вала ротора, ослабленного вала ротора, плохо закрепленной обмотки в пазах статора, при нарушении целостности изоляции обмотки, ослабленных соединений и других движущихся частей, например редуктора. Детали самого электродвигателя, которые могут стать причиной вибрации, показаны на рис. 1 на примере электродвигателя переменного тока.

Внутренние части электродвигателя переменного тока

Рис. 1. Внутренние части электродвигателя переменного тока

Когда вы объединяете все колебания малой и большой величины от внутренних частей электрического двигателя (в рассматриваемом случае — переменного тока, но в общем разницы от электродвигателя любого типа, кроме шагового, тут нет), результирующая сигнала вибрации будет выглядеть очень сложной, примерно так, как показано на рис. 2.

Сигнал вибрации от электродвигателя переменного тока во временной области

Рис. 2. Сигнал вибрации от электродвигателя переменного тока во временной области

Если вы попытаетесь оценить вибрацию электродвигателя, то сделать оценку, имея такой сложный сигнал, будет крайне затруднительно. Найти выход из положения помогает преобразование сигнала вибрации из временной области в частотную, что позволяет увидеть ее частотный спектр и выявить как имеющиеся, так и нарастающие, в том числе и потенциально опасные проблемы. Этот переход осуществляется с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ), и на помощь здесь приходит система сбора данных и анализа результатов измерений, благодаря возможностям которой выполнить переход, позволяющий просматривать профиль вибрации так, как это показано на рис. 3, легко и просто. Буквально нажатием одной кнопки.

Анализ вибрации электродвигателя переменного тока в частотной области

Рис. 3. Анализ вибрации электродвигателя переменного тока в частотной области

 

Что такое система сбора данных и анализа результатов измерений

Традиционный сбор статических данных дает нам представление об измерениях периодически, но не может уловить динамические изменения ударных нагрузок на конструкцию, вибрацию двигателя или изменения шума окружающей среды. Это затрудняет использование данных в системах прогнозной диагностики. Особенностью современных систем сбора данных — Data Acquisition System, или DAQ (пример таких систем компании Keysight показан на рис. 4) — является возможность динамического сбора данных, что позволяет им сканировать каждый измерительный канал, делать несколько выборок измерений и не зависеть от внешних условий [5, 6].

Современные системы сбора данных DAQ компании Keysight

Рис. 4. Современные системы сбора данных DAQ компании Keysight

Такой подход к сбору данных обеспечивает точность и снижает количество ошибок, часто связанных со сбором и анализом данных от динамически меняющихся процессов, и накапливать исторические данные для систем прогнозной аналитики. Это предоставит возможность оптимизировать конструкцию привода и выявить его слабые места, например частоты механического и электрического резонанса двигателя электромобиля, которые при сложном спектре сигнала вибрации можно определить только в частотной области, а потом детально проанализировать их уже во временной. Или после исследований промышленных приводов в различных режимах эксплуатации и получения профилей вибрации последние можно использовать в качестве шаблонов и внести в конечную систему аналитики конкретного приложения.

 

Система сбора данных на основе DAQ970A/DAQ973A

DAQ970A/DAQ973A — это новая система сбора данных компании Keysight, представляющая собой базовый блок с тремя слотами, в котором используется измерительный блок от уже хорошо зарекомендовавшего себя цифрового мультиметра компании (рис. 5). В этом недорогом и компактном устройстве при его модульной гибкости сочетаются преимущества проверенных временем средств измерений Keysight и универсальных входов со встроенным преобразователем сигнала [7].

Система сбора данных DAQ970A/DAQ973A компании Keysight со сменными модулями

Рис. 5. Система сбора данных DAQ970A/DAQ973A компании Keysight со сменными модулями

Ключевые возможности и технические характеристики системы сбора данных DAQ970A/DAQ973A:

  • базовый блок с тремя слотами;
  • встроенный 6,5-разрядный цифровой мультиметр с базовой точностью измерения напряжения постоянного тока не хуже 0,003%;
  • скорость сканирования: до 450 каналов/с;
  • 9 подключаемых модулей, в том числе новый 4-канальный оцифровщик одновременной выборки;
  • до 120 каналов на базовый блок;
  • память сканирования: до 1 млн точек;
  • измеряет и преобразует 14 видов входных сигналов, включая: температуру, напряжение постоянного и переменного тока, частоту, сопротивление методом 2- и 4-проводного измерения, частоту и период сигналов;
  • наличие портов LAN и USB для легкого подключения к компьютеру, DAQ973A поставляется с дополнительным GPIB (интерфейс подключения к шине цифровых измерительных приборов);
  • большой цветной дисплей с диагональю 4,3 дюйма для простоты настройки и просмотра данных;
  • поддержка USB-накопителя для копирования/регистрации данных в автономных приложениях;
  • возможность работы с программным обеспечением BenchVue из комплекта Path Wave с расширенными возможностями измерений во временной/частотной области.

Для целей, являющихся темой данной статьи, система сбора данных DAQ970A используется с модулем-дигитайзером (модулем преобразователя аналоговых сигналов в цифровые) DAQM909A, также предлагаемым компанией Keysight [8]. Внешний вид модуля показан на рис. 6.

Модуль-дигитайзер DAQM909A системы сбора данных DAQ970A и DAQ973A

Рис. 6. Модуль-дигитайзер DAQM909A системы сбора данных DAQ970A и DAQ973A

Модуль DAQM909A позволяет системе сбора данных DAQ970A и DAQ973A выполнять динамический сбор данных для таких приложений, как гармонические и шумовые искажения, анализ шин питания и акустическая характеристика электромеханических устройств. Каждый канал можно независимо запрограммировать на один из четырех режимов входа и текущие настройки источника. Три из этих модулей, объединенные в общий базовый блок, могут обеспечить одновременную оцифровку двенадцати каналов.

Ключевые возможности и технические характеристики модуля DAQM909A системы сбора данных DAQ970A/DAQ973A:

  • 4 канала одновременной выборки с дифференциальными входами;
  • частота дискретизации: до 100 квыб/с (в частотной области) и до 800 квыб/с (во временной области) с разрешением 24 бит;
  • выбор диапазона дифференциального входа: до 36 В (пик.);
  • питание для датчика IEPE: 2–4 мА;
  • память для сбора данных/канал: 16–48 млн выб.

 

Пример организации измерения сигнала вибрации с помощью системы сбора данных DAQ970A

Тестируемое устройство

Тестируемое устройство представляет собой асинхронный электродвигатель переменного тока с частотно-регулируемым приводом, используемым для управления скоростью двигателя. В зависимости от области применения можно проверить вибрационные характеристики двигателя переменного тока при определенной постоянной скорости или различных постоянных скоростях или во время динамического изменения скоростей. Возможность изменения скорости позволяет выявить механические резонансы привода.

Выбор датчика

Самые подходящие датчики для измерения вибрации — акселерометры. Перед выбором датчика акселерометра обратите внимание на несколько ключевых факторов, таких как его динамический диапазон или допустимая величина ускорения вибрации, частотный диапазон и температурный диапазон. Кроме того, особую роль здесь играет конструктивное исполнение датчика, поскольку оно должно соответствовать конструкции тестируемого устройства (в нашем случае — электродвигателя переменного тока) и противостоять помехам от окружающей среды. Эта информация поможет сузить круг моделей и выбрать вариант, соответствующий требованиям приложения.

Прежде чем выбирать модель, важно изучить основные типы или классы акселерометров. Что касается типа, то акселерометры или датчики для измерения ускорения могут быть индукционными, пьезоэлектрическими, емкостными или пьезорезистивными. В индустриальных приложениях наиболее часто используется пьезоэлектрический тип датчика из-за его прочности и жесткости. Самый же распространенный — емкостный тип. Такой датчик представляет собой микросхему, изготовленную в виде микроэлектромеханической системы (МЭМС-устройства), объединяющей микроэлектронные и микромеханические компоненты. Электронные устройства, такие как мобильные телефоны и устройства «Интернета вещей», часто оснащены именно емкостным датчиком. Пьезорезистивный тип оптимален для испытаний на удар, поскольку может выдерживать ускорения до 200 g (приблизительно 2000 м/с2). Индукционные датчики в индустриальных приложениях применяются крайне редко из-за их малой помехоустойчивости.

Пьезоэлектрические и пьезорезистивные акселерометры демонстрируют способность работать в жестких условиях эксплуатации — при высоких температурах, ударных и вибрационных воздействиях, и производить измерения ускорений в широком диапазоне как по амплитуде, так и по полосе частот.

При этом емкостные МЭМС-датчики, уступая им как в амплитудных значениях измеряемых ускорений, так и по условиям окружающей среды, при высокой чувствительности к измеряемому параметру демонстрируют уникальную точность, высокую надежность и стабильность измерений.

Не менее важной характеристикой акселерометров является их полное сопротивление — импеданс. Есть два типа датчиков — высокоомные и низкоомные. Датчики с высоким сопротивлением выдерживают температуру не менее +120 °C. Датчики с низким импедансом имеют большее распространение, поскольку могут взаимодействовать с измерительными приборами с использованием длинных кабелей без искажения сигнала. Самыми распространенными датчиками вибраций, применяемыми в промышленных системах, являются пьезоэлектрические датчики с интегрированной электроникой (Integrated Electronic Piezoelectric, IEPE), необходимой для преобразования их высокого импеданса в низкое выходное сопротивление. Именно этот тип датчиков обычно используется с инструментами тестирования вибрации (рис. 7).

Датчик IEPE-акселерометра (в черной коробочке), подключенный к входу модуля-дигитайзера DAQM909A через длинный кабель и разъем

Рис. 7. Датчик IEPE-акселерометра (в черной коробочке), подключенный к входу модуля-дигитайзера DAQM909A через длинный кабель и разъем

И последняя характеристика, на которую необходимо обратить внимание, — чувствительность датчика. Есть датчики с высокой и низкой чувствительностью. Для колебаний с низкой амплитудой необходимо использовать высокочувствительные датчики, а датчики с низкой чувствительностью подойдут для измерения вибрации с высокой амплитудой. Кроме того, чувствительность датчика должна соответствовать тому, что может измерять ваше тестовое оборудование.

Выбор тестового оборудования

Применяемое тестовое оборудование представляет собой современную систему сбора данных, выполненную на основе базового блока DAQ970A, а для оцифровки используется модуль-дигитайзер DAQM909A, оба устройства от компании Keysight и были кратко описаны ранее. Если приложению необходимо одновременно отслеживать несколько динамических сигналов, то в базовом блоке DAQ970A можно сконфигурировать до трех модулей-дигитайзеров и в результате получить до 12 каналов.

В этом эксперименте, для того чтобы проиллюстрировать состояние вибрации электродвигателя переменного тока, используется один одноосный акселерометр. Это датчик типа IEPE, поэтому для его питания требуется постоянный ток, который обеспечивает DAQM909A, он же, как уже было сказано, считывает сигнал динамической вибрации (в виде переменного напряжения) с датчика (рис. 8).

Упрощенная принципиальная схема подключения модуля дигитайзера DAQM909A к IEPE-акселерометру (один канал)

Рис. 8. Упрощенная принципиальная схема подключения модуля дигитайзера DAQM909A к IEPE-акселерометру (один канал)

Базовая испытательная установка

Базовая установка измерения сигнала вибрации с помощью системы сбора данных DAQ970A с дигитайзером (модулем преобразователя аналоговых сигналов в цифровые) DAQM909A, которая осуществляет регистрацию и накопление данных по вибрации электродвигателей, показана на рис. 9.

Общая схема для измерения вибрации электродвигателя переменного тока

Рис. 9. Общая схема для измерения вибрации электродвигателя переменного тока

Программное обеспечение удаленного сбора данных

Приложение Keysight PathWave BenchVue DAQ подключается к DAQ970A через интерфейс USB. Вы можете установить такое же соединение через стандартный интерфейс LAN. Это програм­мное обеспечение повышает общую производительность тестирования и измерений и предоставляет следующие функции:

  • контролирует и настраивает ваше оборудование для сбора данных с помощью интуитивно понятного пользовательского интерфейса с функцией указания и клика;
  • автоматизирует ваши тестовые последовательности без обычных затрат времени на традиционное программирование;
  • показывает результаты графически, будь то осциллограмма во временной области, спектрограмма в частотной области (пример на рис. 10) или статистические данные.
Программное обеспечение PathWave BenchVue DAQ компании Keysight, показывающее диаграмму в частотной области на основе БПФ для анализа спектра вибрации электродвигателя переменного тока в увеличенном масштабе

Рис. 10. Программное обеспечение PathWave BenchVue DAQ компании Keysight, показывающее диаграмму в частотной области на основе БПФ для анализа спектра вибрации электродвигателя переменного тока в увеличенном масштабе

Выполнение настроек

Настройка системы несложна. Однако ввиду большого объема и инвариантности для конкретных целевых приложений требует отдельного разговора. Пример ее реализации для рассматриваемой области применения представлен в трех­минутном видеоролике, демонстрирующем, как настроить оборудование и программное обеспечение DAQ для измерения вибрации двигателя переменного тока [9]. Общая информация доступна в блоге [10], а более полно описание программы и настроек приведено в [11]. Этот пакет программ входит в состав ПО PathWave BenchVue, бесплатную пробную версию можно загрузить по ссылке [12].

Основные возможности:

  • удобное управление измерительными каналами измерительной системы, состоящей из одного или нескольких устройств сбора данных;
  • интуитивно понятная регистрация данных и возможность просмотра результатов измерений в режиме реального времени обеспечивают более эффективный анализ данных;
  • экспорт результатов измерений для дальнейшего анализа всего тремя кликами перемещается в популярные приложения — MATLAB, Microsoft Excel или Word;
  • упрощенная автоматизация испытаний с использованием приложений Command Expert и Test Flow.

 

Заключение

Прогнозное техническое обслуживание — это не отдаленная перспектива, уже сейчас для повышения эффективности во всех сферах деятельности используется автоматизация управления, широкая аналитика на основе больших и исторических данных. Таким образом, возможно не только эффективное управление текущими технологическими и производственными процессами, но и переход от планового к профилактическому техническому обслуживанию. В наше время быстрого реагирования на требования рынков и высокой динамики спроса простои машин обходятся дорого.

Эта статья, демонстрирующая на примере электродвигателя переменного тока современные подходы к решению вопросов прогнозного технического обслуживания приводов, показывает, насколько сложны сигналы вибрации, дает представление об их источниках и предлагает актуальное решение по анализу. Здесь показано, насколько легко в рамках НИОКР для снятия и записи профиля вибрации собрать и использовать измерительную систему на основе базового блока DAQ970A и модуля-дигитайзера DAQM909A с типовым акселерометром.

Системы на основе DAQ970A способны не только анализировать вибрацию, могут быть подключены различные дополнительные датчики: измерители тех или иных физических характеристик процесса (температура, давление, расход и т. п.) и поведения оборудования (нагрев, вибрация, энергопотребление и т. п.), при этом могут контролироваться и отдельные части оборудования. Использование для захвата динамических сигналов, которые могут представлять собой переходные процессы или сложные сигналы, информировать об отклонениях, содержать внешние шумовые возмущения и т. д., в составе общей тестовой системы в ходе НИОКР или уже при производстве конечного продукта позволит вам опередить конкурентов. Только такой интеллектуальный подход ведет к оптимизации технологических и производственных процессов и предотвращению потенциальных аварийных ситуаций, что позволит заводу стать «умной фабрикой» и выйти на уровень «Индустрии 4.0» [13].

Системы сбора данных DAQ от компании Keysight — это результат более чем 25-летнего опыта разработки и производства таких систем. Компания предлагает решения, предназначенные для использования в многоканальных системах сбора данных и для маршрутизации сигналов в диапазоне частот до 50 ГГц. Для получения дополнительной информации о системе сбора данных Keysight посетите сайт компании по ссылкам [1, 6]. Программное обеспечение для удаленного сбора данных PathWave BenchVue поставляется с приобретением оборудования для сбора данных. Для того чтобы больше узнать о динамическом сборе данных, загрузите технический документ по динамической системе сбора данных [5].

Литература
  1. Системы сбора данных (DAQ).
  2. Ang B. Measure Vibration Signals from an AC Motor in Time and Frequency Domains. Keysight Blogs Benchtop. 
  3. Чен Ю.-Ф. Удаленный мониторинг и контроль тяжелой карьерной техники // Control Engineering Россия. 2019. №2.
  4. Риссе М. Несколько шагов к эффективной обработке данных с нефтегазовых месторождений // Control Engineering Россия. №2.
  5. Dynamic Data Acquisition System. White Papers.
  6. Master Your Data Acquisition System.
  7. DAQ970A/DAQ973A Data Acquisition System. Technical Overview. Keysight Technologies, June 19, 2020.
  8. DAQM909A 4 Channel Simultaneous Sampling Module for DAQ970A and DAQ973A.
  9. Measuring Vibration of a Motor Using DAQ973A and DAQM909A.
  10. Ang B. Check out the new BenchVue Data Acquisition (DAQ) application software. Keysight Blogs Benchtop.
  11. BenchVue Software. Technical Overview. Keysight Technologies, Jun 01, 2019, 5991-3850EN.
  12. Управление системами сбора данных и анализ результатов измерений.
  13. Рентюк В. Интеллектуальные измерительные приборы: «умный» путь в «Индустрию 4.0» // Компоненты и технологии. 2019. № 11.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *