用于监测机电系统的状况方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明关于用于监测机电系统的状况的方法、设备和计算机程序，其中使用电旋转机器并且其中在机电系统的操作期间测量至少一个电信号。发明性方法包括以下步骤：测量机电系统的电流和/或电压信号、测量机电系统的感兴趣的旋转轴的角位置或估计机电系统的感兴趣的旋转轴的离散角位置的值、使电流和/或电压信号同步到旋转轴的成比例的角位移、将同步电信号分成对应于旋转轴的每个完成的旋转的间隔、对同步电信号的多个间隔求平均来获得平均同步电信号、从平均同步电信号的值提取幅度的特性数据、将提取的幅度的特性数据与给出为极限的阈值比较以及在超出所述极限时向用户指示警报。
【专利说明】用于监测机电系统的状况方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明关于用于监测机电系统的状况的方法、设备和计算机程序，其中使用电旋转机器并且其中在机电系统的操作期间测量至少一个电信号。
【背景技术】
[0002]状况监测技术经常基于使用例如加速计的壳安装的振动换能器测量的振动信号的测量和后续分析。与使用壳安装的振动换能器关联的主要问题涉及在测量的振动取决于从振动源到换能器的传输路径时它们的安装。在一些情形中，振动信号中的细微细节可通过传输路径而衰减，从而导致失去缩小机器状况的指标。因为换能器位置中小的改变可以导致记录不同的振动信号，这些传输路径效应还意味着壳安装的振动换能器典型地永久固定到结构。当设备位于不友好环境中时，这些换能器的性能可随时间而下降。壳安装的振动换能器还特别对环境噪声敏感。尽管壳安装的振动换能器未典型地妨碍设备件的正常运行，在许多情况下，需要特殊布置来将它们安装在设备件上。例如，需要将许多振动换能器安装在平坦表面上、接近振动源。此外，这些换能器典型地是单向的，并且这样的多个换能器必须获得足够的信息来关于设备件的状况作出确信的决定。
[0003]电动机和发电机，或更一般地，电旋转机器经常形成机电系统的关键部件。近年来，可从将电旋转机器连接到电源的电力电缆测量的电流的分析已经作为用于监测机电系统的状况的成功方法而示出。已经示出在电旋转机器中感应的电流随操作状况而改变，这通常导致大的交流(AC)电力供应电流的振幅和相位调制。与例如损坏的转子条或转子偏心的缺陷有关的操作状况中的变化可与电力供应电流的振幅和频率的调制有关。马达电流特征分析(MCSA)牵涉分析频域中的测量电流信号，以便诊断并且趋向进展的缺陷。MCSA因为它实现起来相对便宜并且因为电旋转机器形成机电系统的部分、方法可视为非侵入式而有吸引力。尽管已经示出MCSA对例如由在机械组件(例如轴承或齿轮)中出现的缺陷引起的那些的外部负载中的变化有反应，它已经主要在电动机故障的诊断中使用。
[0004]通常，测量的电流信号的频谱由AC电力供应电流支配。形成机电系统的电动机和附连的机械系统引起AC电力供应电流的调制，从而导致在频谱中出现边带。因此，占优势的AC电力供应电流可视为载波。电力供应很少是理想的；可以出现与机器的操作状况无关的AC电力供应电流的相位和振幅调制。这在其中控制动作和脉宽调制将导致电力供应电流载波是不稳定波形的电驱动系统中尤其真实。相似地，通常的情况是作用于电旋转机器的负载可以是瞬态的。由于电力供应似乎分布在频率范围上，电力供应电流载波的不稳定性质产生分量。这可以使评估机电系统的操作状况中的难度增加。
[0005]从Linehan等人的美国专利号54830201已知存在通过在以与AC电力供应电流载波的频率改变一致地改变测量的电流信号的采样率的数据采集系统中包含电路而处理上文呈现的问题的方法。从而，得到仅包含稳定载波的采样数据集。通过也只考虑载波的总数量，方法确保一旦被转换到频域，分量由于第一与最后的样本之间的不连续而减小。从而，在可与缺陷匹配的频域中识别分量的容易程度增加。[0006]从Grosjean的美国专利号US 6993439 B2,已知存在将测量的电流波形从时域转换到空间域的方法。电旋转机器的转子的角位移使用测量的电流波形中的特性来识别。例如，由换向器切换产生的振幅调制可用于估计DC马达的转子的位置。电流波形然后对于该角位移归一化并且在频域中分析，从而允许在频域中分析未以恒定角速度旋转的电旋转机器。
[0007]上文描述的现有技术给出使测量的电流信号的频谱的变化性减小的方法。然而，即使当考虑以恒定角速度操作并且由理想的电力供应供应的机电系统从而导致稳定的电力供应电流载波时，由机电系统的操作状况引起的调制边带的振幅相对于电力供应电流载波和它的谐波是低的。这在考虑在电机所附连的机械系统中出现的故障中特别真实。此外，用于测量电流信号的换能器的分辨率不足可以导致谐波失真。因此可能难以区分由于机电系统的操作状况引起的分量与其他更占优势的分量或由于换能器噪声、来自非恒定源的微弱噪声或来自在电旋转机器的环境中出现的瞬态振动引起的噪声信号。
【发明内容】
[0008]本发明提供用于监测机电系统的状况的方法和用于实现根据发明性方法的方法的设备。本发明还提供用于监测机电系统的状况的计算机程序，该计算机程序能装载在计算机装置的数据处理单元中并且在其上能执行，并且该计算机程序在由计算装置的数据处理单元执行时执行根据权利要求1-4的方法。
[0009]呈现的本发明具有优于现有的状况监测方法(例如上文描述的那些)的许多优势。通过使用从现有的角位移换能器获得的测量角位移信号或基于电动机电流和电压测量(在这些不可用的情况下)，系统可以视为非侵入式的。此外，与换能器的安装有关的问题的影响(例如传输路径效应或访问机电系统的元件的要求)减小。
[0010]测量的电动机电流和电压信号在以离散角位移值重采样之前同步到机电系统的轴的角位移(在零至两Pi的范围内)，其由用户确定。考虑机电系统的轴的一个这样的离散角位移值，并且假设所述轴已经完成超过一个的完整旋转，该行进过程将产生全部同步到该一个离散角位移的一系列电动机电流和/或电压值。包含在该系列内的电动机电流和/或电压值的数量将与机电系统的轴的完整旋转的数量有关。通过取同步到离散角位移值的该系列的电动机电流和/或电压值的平均值，与测量的电流和电压信号已经同步到的轴无关的噪声和周期分量的影响可以减小。通过对考虑的机电系统的轴的离散角位移值中的每个执行相同的平均操作，可以创建由在每个考虑的角位移值处出现的平均电动机电流和/或电压值组成的电信号的同步平均。电信号的同步平均由测量的电动机电流和电压信号的分量组成，其随着机电系统的轴的每个完整旋转而定期重复。当旋转机电系统的操作状况中的许多变化导致电动机电流和电压信号(其在旋转之间重复)的变化时，所得的电信号的同步平均将包含用于评估机器的状况的许多信息。本发明还允许机电机器的准确状况监测，即使当所述机器的轴未以恒定角速度旋转时也如此。
[0011]呈现的发明相对于先前描述的现有方法也是有利的，因为它允许使用用于测量电动机电流和电压的值的分辨率较低的换能器。测量的电动机电流和电压信号将由于换能器分辨率而稍微被量化。换能器量化水平产生记录的具有有限分辨率的数字信号。再次考虑已经全部同步到一个离散角位移值的该系列的电动机电流和/或电压值。如先前论述的，包括该系列的电动机电流和/或电压值的数量将与机电系统的轴的完整旋转的数量有关。假设可测量的电动机电流和电压信号由底层信号组成，所述底层信号包含关于机电系统的操作状况的信息(与自然出现的噪声叠加)，其可通过零均值高斯函数描述。当机电系统的轴的完整旋转的数量趋于无穷大时，在底层信号以上的离散水平记录的测量马达电流和/或电压值与在基础信号以下的离散水平记录的那些的比例将等于两个离散换能器水平的距离与底层值的比例。因此，在完整旋转的数量趋于无穷大时，通过执行上文描述的操作，所得的平均值将趋于底层值。从而，将该结果扩展到考虑的机电系统的轴的离散角位移值中的全部，电信号的输出同步平均将趋于为底层信号，该底层信号包含关于机电系统的操作状况的信息，其随着机电系统的轴的每个完整旋转而定期重复。由于准确性中的该增加，以及噪声影响的关联减小，呈现的发明对机电机器的操作状况中的小的变化比现有的电流分析发明更敏感。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是机电压缩机系统的图连同可在本发明的实现中使用的设备的示意图；
图2是离散定子电流振幅信号Wd在时域中的标绘图(Wd具有单位安培[A])；
图3是离散角位移信号Θ D和成比例的离散角位移信号Z.ΘΒ (以弧度为单位)对时间的标绘图；
图4是离散定子电流振幅信号Wd对角位移(以弧度为单位)的标绘图，其通过使离散定子电流振幅信号Wd同步到成比例的离散角位移信号Z.Θ D而实现；
图5是重采样的离散电流振幅信号Yd对角位移(以弧度为单位)的标绘图。
[0013]图6是重采样的离散电流振幅信号Yd对角位移(以弧度为单位)的标绘图，其具有详述将重采样的离散电流振幅信号Yd分成具有相等长度N的M个间隔的过程的附加注释；
图7是电信号的同步平均ψ
对角位移(以弧度为单位)的标绘图；
图8代表根据本发明为机电系统的状况监测而执行的操作的图。
【具体实施方式】
[0014]参考图1，呈现本发明的示例应用和该发明的用于诊断机电压缩机系统的操作状况的设备。三相异步电动机I用于驱动二级减速齿轮箱2。齿轮箱的输出经由轴3而连接到压缩机4。角位移换能器5安装在轴3上，其可以用于测量轴的角位移。可使用传感器或能够测量轴3的速度或加速度的一组传感器(未在图中呈现)来取代角位移换能器5。在跟踪角移位、速度或加速度是重要的应用中(例如在压缩机中)，经常利用将角位置转换成模拟或数字电信号的换能器来对系统装备仪器。三相异步电动机1、二级减速齿轮箱2、轴3和压缩机4以及角位移换能器5 (如存在的话)在一起包括机电系统6。如果角位移换能器5或传感器确实形成机电系统6的部分，则在呈现的发明的应用中利用它。然而，如果这样的传感器5的换能器未形成机电系统6的部分，应用本发明也是可能的。电力供应装置7通过电力供应电缆8向异步电动机I提供三相交流。角位移换能器5 (如存在的话)连接到到信号调节单元9的输入中的一个。电流测量装置10和/或电压测量装置11的一个或多个输出与信号调节单元9的其他输入连接。电流测量装置10和电压测量装置11与电力供应装置7的相位a、b、c中的每个连接。信号调节单元9连接到计算机装置12，与数据处理单元13和通信模块14连接。在数据处理单元13中，实现数据存储模块15和同步平均模块16。处理和计算数据所必需的一些其他模块(未在图中呈现)也在处理器中实现。此外，计算机装置12包含存储器RAM和ROM，其也未在图中呈现。计算机装置12连接到输出单元17，状况监测的结果在其中呈现给用户。输出单元17可以是监测器、打印机或用于呈现本发明的结果的任何有用装置。
[0015]发明性方法根据下面的在图8中示出的步骤20-32来实现。
[0016]步骤20
参考在图1中示出的机电网络,在步骤20中，对于三相异步电动机I的相位中的至少一个的交流(其对定子绕组进行供应)的模拟电流信号Ia、Ib、I。使用电流测量装置10来测量，并且对三相异步电动机I进行供应的模拟电压信号ua、Ub、U。的相位中的至少一个使用电压测量装置11来测量。测量的模拟电信号、、、、〗。、^、^、^ (其采取模拟波形的形式)随后供应给信号调节单元9。如果角位移换能器5在机电系统6中使用，则测量轴3的角位移信号Θ并且将其供应给信号调节单元9。
[0017]步骤21
在接着的步骤21中，测量的模拟电信号mnu。分别转换成离散电信号IaD、IbD,IcD>UaD,UbD,UcDO另外，如果角位移信号Θ已经在步骤20中测量，则将它供应给信号调节单元9并且转换成离散角位移信号ΘΒ。典型地采取模数转换器形式的信号调节单元9提供有一组恒定参数Pl，其表征将模拟波形转换成离散信号的过程，具体地是采样率Fs和经受转换的信号的长度?Υ。限定每秒所取的样本的数量的采样率Fs可取任何值但典型的最小速率是IkHz，并且这是默认设置。信号长度IY限定模数转换所应用的测量模拟电信号U、IbD> IcD> UaD、UbD、Ucd的长度。在发明性方法的实施例中，信号长度IY的最小值是I秒。考虑三相异步电动机I的相位的离散电流信号，I3D由范围在从第一个样本k=l至k=L的k个连续样本的电流值iak组成，L是包含在信号中的样本的数量。其他离散电信号IbD、Icd,UainUbl^Ucfl也可采用相似的方式描述。如果角位移信号Θ已经供应给信号调节单元9，它被转换成离散角位移信号Θ D，其由范围在从第一个样本k=l至k=L的k个连续样本的角位移值9k组成。转换过程在本领域内是众所周知的。离散电信号IaD、IbD、I。。、UaD、UbinUcfl以及离散角位移信号Θ D (如可用的话)经由通信模块14而自动传送到计算机装置12并且存储在数据处理单元13的数据存储模块15中。
[0018]步骤22
在步骤22中，计算机装置12供应有一组恒定参数P2，其存储在数据处理单元13的数据存储模块15中。该组恒定参数P2由要执行的平均的期望数量Minput、对机电系统6的轴3的每一个完整旋转的采样点的数量N、警告阈值X和恒定缩放因子Z组成。在许多情况下，该恒定缩放因子Z描述两个互连轴的角位移之间的关系。例如并且参考示范性实施例的二级减速齿轮箱2，通过将恒定缩放因子Z设置成等于连接到轴3的齿轮与二级减速齿轮箱2的副轴上的啮合齿轮(未在图1中示出)之间的齿轮比的值，使用发明性方法来诊断安装在副轴上的组件的操作状况，这是可能的。在计算机装置12的数据处理单元13中，离散电信号IaD、IbInIfUal^UbinUdl组合来形成例如电流空间相量、电压空间相量、发展的三相异步电动机I的电磁转矩或发展的三相异步电动机I的电磁通量的机电系统量的估计。在本发明的示范性实施例中，仅离散电流信号IaD、ibD、Idl组合以根据下式形成离散复数定子电流空间相量信号ΨΒ:
【权利要求】
1.一种用于监测机电系统的状况的方法，包括以下步骤: 测量机电系统的电流和/或电压信号， 测量所述机电系统的感兴趣的旋转轴的角位置或估计所述机电系统的感兴趣的旋转轴的离散角位置的值， 使所述电流和/或电压信号同步到所述旋转轴的成比例的角位移， 将同步电信号分成对应于所述旋转轴的每个完成的旋转的间隔， 对同步电信号的多个间隔求平均来获得平均同步电信号， 从所述平均同步电信号的值提取幅度的特性数据， 将提取的幅度的特性数据与给出为极限的阈值比较， 在超出所述极限时向用户指示警报。
2.如权利要求1所述的方法，其中，对对应于M个完整旋转的同步电信号的M个间隔求平均以便获得所述电信号的同步平均(Y)，其由从下式计算的所述电信号的M个平均值无组成
3.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述电信号的同步平均的峰度S代表来自所述平均同步电信号的值的幅度的特性数据并且根据下式计算:
4.一种用于实现如权利要求1-4所述的方法的设备，包括: 用于测量机电系统的电流和/或电压信号的部件， 用于测量所述机电系统的感兴趣的旋转轴的角位置的部件或用于估计所述机电系统的感兴趣的旋转轴的离散角位置的值的部件， 用于使电流和/或电压信号同步到所述旋转轴的成比例的角位移的部件， 用于将同步电信号分成对应于所述旋转轴的每个完成的旋转的间隔的部件， 用于对同步电信号的多个间隔求平均的部件， 用于从所述平均同步电信号的值提取幅度的特性数据并且将提取的幅度的特性数据与给出为极限的阈值比较的部件， 用于将提取的幅度的特性数据与给出为极限的阈值比较的部件， 用于在超出所述极限时向用户指示警报的部件。
5.如权利要求4所述的设备，其中，用于使电流和/或电压信号同步到所述旋转轴的成比例的角位移的部件、用于将所述同步电信号分成对应于所述旋转轴的每个完成的旋转的间隔的部件、用于对同步电信号的多个间隔求平均的部件、用于从所述平均同步电信号的值提取幅度的特性数据并且将提取的幅度的特性数据与给出为极限的阈值比较的部件在计算机装置(12)的同步平均模块(16)中实现。
6.一种用于监测机电系统的状况的计算机程序，所述计算机程序能装载在计算机装置(12 )的数据处理单元(13 )中并且在其上能执行，并且所述计算机程序在由所述计算机装置的数据处理单元执行时执行如权 利要求1-4所述的方法。
【文档编号】H02P29/02GK103502827SQ201280022882
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年3月21日 优先权日:2011年5月12日
【发明者】J.奥特维尔, M.奥基斯 申请人:Abb 技术有限公司