DETEKCJA USZKODZEŃ W BEZCZUJNIKOWYM NAPĘDZIE ELEKTRYCZNYM Z WYKORZYSTANIEM OBSERWATORA MOMENTU OBCIĄŻENIA

Transkrypt

1 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 1/2015 (105) 45 Jaosław Guziński, Patyk Stankowski Politechnika Gdańska, Gdańsk DETEKCJA USZKODZEŃ W BEZCZUJNIKOWYM NAPĘDZIE ELEKTRYCZNYM Z WYKORZYSTANIEM OBSERWATORA MOMENTU OBCIĄŻENIA FAULT DETECTION OF A SENSORLESS CONTROLLED ELECTRIC DRIVE USING LOAD TORQUE OBSERVER Steszczenie: W atykule pzedstawiono metodę monitoowania oaz detekcji uszkodzeń układu tansmisji momentu w pzekształtnikowym napędzie elektycznym. Detekcję uszkodzeń opato na analizie estymowanego momentu obciążenia silnika indukcyjnego pacującego w bezczujnikowym układzie steowania. Moment obciążenia estymowany jest jako dodatkowa wielkość opócz innych sygnałów wykozystywanych pzy steowaniu, tj.: pędkości obotowej i stumienia winika (te wielkości są ównież estymowane). Układ napędowy wyposażony jest jedynie w czujniki standadowo stosowane w falownikach. Badania zealizowano w układzie laboatoyjnym składającym się z maszyny badanej i egulowanego obciążenia (geneatoa indukcyjnego). Pzez odpowiednie steowanie maszyny obciążającej uzyskano możliwość modelowania óżnych uszkodzeń układu tansmisji momentu elektomagnetycznego. Umożliwia to sztuczne wpowadzanie do układu ekspeymentalnego óżnych odzajów uszkodzeń, np. niewyważenia winika, nieosiowości, itp. Układ napędowy z obsewatoem momentu wyposażony został w poceduę identyfikacji uszkodzeń. W atykule pzedstawiono zależności teoetyczne, stuktuę układu napędowego oaz obsewatoa stanu. Zamieszczono wyniki badań ekspeymentalnych dla napędu elektycznego 5.5 kw. Abstact: The pape pesents the poblem of monitoing and fault detection of a dive toque tansmission system which consists of an invete supplied squiel cage induction moto. The detection is based on the analysis of the estimated induction moto load toque, which opeates in a sensoless contol. The load toque is estimated as an additional value between othe contol values: oto speed and oto flux (this values ae also estimated). The dive system is only equipped with standad sensos used in invetes. The investigations wee done with a laboatoy system that consists of the investigated machine and a contolled load (induction geneato). An accuate contol of the machine and pogammed fast geneato toque changes make it possible to simulate diffeent types of faults in the dive toque tansmission system. The possible simulated dive faults ae e.g. oto unbalances, eccenticities, etc. Moeove, the dive system with obseve was expanded with a fault detection pocedue. The pape pesents the theoetical backgounds, the dive system stuctue and the state obseve. Results of expeimental investigations ae included fo a 5.5kW dive system. Słowa kluczowe: napęd bezczujnikowy, silnik indukcyjny, detekcja uszkodzeń, estymacja momentu Keywods: sensoless dives, induction moto, fault detection, toque estimation 1. Wstęp Współczesny pzemysł konsumuje pawie 50% całkowitej enegii zużywanej pzez naszą cywilizację. Większość enegii zużywanej pzez pzemysł (około 2/3) jest pochłaniania pzez napędy elektyczne. Świadczy to o tym, że maszyny elektyczne stanowią jeden z najistotniejszych i kluczowych elementów w pzemyśle. Długotwała i bezawayjna paca maszyn elektycznych jest więc nieodzowna do zapewnienia pawidłowej i efektywnej pacy systemów pzemysłowych [1]. W pzemyśle, wśód maszyn elektycznych, dominują maszyny indukcyjne. Wiodącą olę zawdzięczają postej budowie, baku zużywających się elementów stykowych a tym samym cenie konkuencyjnej w poównaniu z innymi odzajami maszyn elektycznych. Tym niemniej uszkodzenia tych maszyn, podobnie jak i innych uządzeń technicznych są nie do uniknięcia, co pokazują statystyki. Dlatego też zapewnienie niezawodnego działania złożonych systemów technicznych wymaga stosowania układów monitoowania i diagnostyki maszyn elektycznych [2]. Jednym z uszkodzeń układów napędowych są awaie układu mechanicznego tansmisji momentu napędowego. Uszkodzenia te wynikają z niepawidłowego ustawienia (osiowania) i złego montażu maszyny, jak też z uszkodzeń

2 46 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 1/2015 (105) wynikających z błędów podukcyjnych. Niepawidłowości te wywołują wibacje napędu i powadzą do pzyspieszonego zużycia i awaii uządzenia. W atykule pzedstawiono możliwość wykozystania estymacji momentu obciążenia jako nazędzia do wykywania uszkodzeń w układzie napędowym. Pzedstawiona metoda została zastosowana w napędzie z maszyną indukcyjną, zasilaną z falownika napięcia. Do steowania i estymacji użyto wyłącznie czujniki pądu i napięcia, któe standadowo stosowane są w falowniku. Badany silnik indukcyjny układu został połączony mechanicznie z geneatoem indukcyjnym, któego steowanie umożliwia symulowanie uszkodzeń mechanicznych (ys. 2). Symulowane mogą być takie uszkodzenia mechaniczne jak, np. nieosiowość lub niewyważenie winika. W takim systemie wykonywana jest analiza uszkodzeń. Podobne ozwiązanie pzedstawiono w liteatuze w [3], [4] jednak tam estymacja nie była powadzona w czasie zeczywistym. Niniejsza paca pokazuje jak można wykywać uszkodzenia mechaniczne w czasie zeczywistym, bez konieczności stosowania dodatkowych czujników. 2. Stanowisko badawcze Stanowisko badawcze składa się z dwóch połączonych ze sobą maszyn indukcyjnych typu FSLg 132S-4 o mocy 5.5kW. Dane maszyn podane są w tabeli 1. Rys. 1. System badawczy Tabela 1. Paamety maszyny indukcyjnej typu FSLg 132S-4 Moc P n 5500 W Napięcie U n 400 V Pąd I n 11 A Pędkość n n 1450 ob/min cos φ n 0,84 Spawność η n 0,855 Każda z maszyn współpacuje z osobnym dwukieunkowym pzemiennikiem częstotliwości. W obu układach (silnika i geneatoa) zastosowano zamknięte algoytmy egulacji - algoytmy steowania nieliniowego (multiskalanego). Steowanie multiskalane jest to steowanie zamknięte wykozystujące zależności modelu multiskalanego silnika indukcyjnego, któy po az piewszy został pzedstawiany w [5]. Steowanie multiskalane zapewnia pełną kontolę nad momentem, pędkością i stumieniem silnika, powadząc do uzyskania układu napędowego o właściwościach lepszych od populanego steowania polowo zoientowanego (wektoowego). Do steowania i estymacji, w obu układach napędowych, wykozystywane są wyłącznie standadowe czujniki falownika napięcia (dwa czujniki pądów wyjściowych oaz czujnik napięcia stałego obwodu wejściowego falownika). Pędkość winika estymowana jest w obsewatoze pędkości, któy został zapezentowany w [6]. Stuktua obsewatoa zapezentowana jest na ys. 2.

3 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 1/2015 (105) 47 ekonomicznych stosowanie dodatkowych czujników (np. pędkości) nie jest uzasadnione. Do estymacji momentu obciążenia zaimplementowano obsewato bazujący na metodzie Gophinanta [7]. W pacy [8] obsewato ten został zastosowany w pojeździe takcyjnym do identyfikacji poślizgu kół. Zastosowany obsewato momentu obciążenia opisany jest następującymi ównaniami: Rys. 2. Stuktua obsewatoa pędkości, według [6] Moment obciążenia silnika estymowany jest w obsewatoze momentu, któy szezej omówiono w punkcie 3 niniejszej pacy. Geneato indukcyjny jest symulatoem uszkodzeń (zabuzeń pacy układu), co uzyskano pzez wpowadzenie zadanego, egulowanego momentu obciążenia. Dla geneatoa zadawany jest stały moment obciążenia ze składową zmienną o częstotliwości (częstotliwościach) i amplitudzie (amplitudach) odpowiadającej symulowanemu uszkodzeniu. Zaletą takiego ozwiązania jest szybka zmiana odzaju badanego uszkodzenia mechanicznego napędu bez konieczności wpowadzania zmian w zeczywistym mechanizmie napędowym. Możliwa jest ównież zmiana watości szczytowej zabuzenia, co pozwala na symulowanie awaii o óżnych stopniach uszkodzeń. W celach poównawczych wykozystano zeczywistą diagnostykę wibacji układu z użyciem czujników dgań. Dgania były ejestowane akceleometami piezoelektyczne typu VIS-311A. Czujniki zamontowano w obudowie silnika. Sygnały z akceleometów analizowane były w mieniku VIBDAQ 2+. Dane akceleometu podano w tabeli 2. Tabela 2. Dane akceleometu piezoelektycznego VIS-311A Zakes ± 490 m/s 2 Pasmo częstotliwości 0.5 Hz to 10 khz Częstotliwość ezonansowa 25 khz 3. Obsewato momentu obciążenia Obsewatoy stanu stosowane są tam, gdzie występują sygnały tudno miezalne, jak np. stumień winika lub moment obciążenia. Ponadto stosowane są też tam, gdzie ze względów d z1 0 k1 z1 k k J 1 2 M k1 T$ 2 e dt z = + ω + 1 k z ( k k 2 1) J M k 2 (1) Tˆ = z k J ˆ ω (2) L 2 2L M Moment elektomagnetyczny estymowany jest na podstawie zależności obsewatoa pędkości pokazanych w [6]. Jest okeślony zależnością: Tˆ = Ψˆ iˆ ˆΨ iˆ (3) e α sβ β sα gdzie: z1, z2 wewnętzne zmienne stanu obsewatoa, k1, k2 współczynniki wzmocnień, Jm moment bezwładności, estymowana pędkość winika, ω estymowany moment elektomagnetyczny, T e estymowany moment obciążenia, T L Ψˆ, Ψˆ estymowane składowe wektoa α β iˆ, iˆ sα sβ stumienia, estymowane składowe wektoa pądu. Stuktua obsewatoa pokazana jest na ys. 3. Rys. 3. Stuktua obsewatoa momentu obciążenia Do weyfikacji działania oaz piewszych testów obsewatoa pzygotowano symulacje - -

4 48 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 1/2015 (105) w pogamie napisanym w języku C. W pogamie symulacyjnym dobano współczynniki obsewatoa w sposób doświadczalny. Pzykładowe wyniki dobou nastaw obsewatoa pokazano na ys. 4 i ys. 5, ejestując odpowiedź układu na skokową zmianę momentu obciążenia. szczytowa zadanych zmian momentu była tak dobana, aby paca silnika oaz óżnica w hałasie nie zmieniała się znacznie. Tak dobane zabuzenia mogą stanowić pzykład uszkodzeń w początkowym etapie ozwoju, gdyż nie są ozpoznawane pzez użytkownika bez dodatkowej, specjalistycznej apaatuy pomiaowej. Na ys. 6 pzedstawiono pzykładowe wyniki badań, na któych pzedstawiono pzyspieszenia dgań zaejestowane z użyciem akceleometu, pzy pędkości znamionowej silnika i óżnych częstotliwości zabuzeń. Sygnał ejestowanych dgań został pzetwozony do dziedziny częstotliwości. Poszczególne osie wykesu z ys. 6 oznaczają: Z Akceleomet - poziom dgania [m/s2], X Akceleomet - analiza FFT sygnału [Hz], Y Geneato - wpowadzona częstotliwość dgań, tj. zabuzenie [Hz]. Rys. 4. Dobó wzmocnienia k 1 w pogamie symulacyjnym Rys. 6. Pzyspieszenia dgań zabuzeń ejestowane i analizowane w mieniku dgań (oś Z: Akceleomet poziom dgania [m/s 2 ], oś Y: Geneato-wpowadzona częstotliwość dgań, tj. zabuzenie [Hz], oaz oś X: Akceleometanaliza FFT sygnału [Hz]) Rys. 5. Dobó wzmocnienia k 2 w pogamie symulacyjnym Obsewato momentu obciążenia pzygotowany i dostojony w pogamie symulacyjnym wykozystano do ealizacji ekspeymentalnej układu detekcji uszkodzeń. 4. Badania ekspeymentalne W układzie ekspeymentalnym wpowadzono zabuzenia wpowadzając zmiany momentu obciążenia w układzie steowania geneatoem indukcyjnym. Wpowadzane zabuzenia były monitoowane w silniku pzez obsewacje estymowanego momentu obciążenia. Wielkość Na ys. 6. częstotliwość zabuzeń f dgań o watości 0 Hz oznacza, że układ nie geneuje sztucznych uszkodzeń. Różnice w pzebiegu f sygnał (watościach poszczególnych amplitud) pomiędzy f dgań >0 a f dgań =0 służą do oceny skuteczności wykywanego zabuzenia. Można zauważyć, iż geneowane zabuzenia wpływają w sposób istotny na watości amplitud dgań. Hamoniczne zabuzenia zaczynają występować wyaźnie od częstotliwości 25 Hz. Zanik niższych częstotliwości jest najpawdopodobniej powodowany pzez tłumiące działanie obudowy silnika. Pzy częstotliwościach 25 Hz oaz 35 Hz występują znaczne zmiany amplitud, któe sygnalizują, że układ jest zabuzony.

5 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 1/2015 (105) 49 Wentylatoy chłodzenia maszyn uuchamiane w czasie pacy maszyn mogą wpływać na dgania całego układu. W celu spawdzenia wpływu wentylatoów na dgania póba pomiaów dgań została ponowie pzepowadzona z wyłączeniem układu chłodzenia (ys. 7). Rys. 7. Pzyspieszenia dgań bez chłodzenia maszyn (oś Z: Akceleomet poziom dgania [m/s 2 ], oś Y: Geneato-wpowadzona częstotliwość dgań, tj. zabuzenie [Hz], oaz oś X: Akceleomet-analiza FFT sygnału [Hz]) Poównując ys. 6 i ys. 7 można zauważyć, że paca dwóch wentylatoów jedynie nieznacznie zmienia pzebieg hamonicznych. Wynika z tego, że do detekcji uszkodzeń nie jest konieczne wyłączanie wentylatoów a więc detekcja może być pzepowadzana pzy nomalnej pacy układu napędowego. Kolejne badania wykonano analizując jedynie estymowany moment obciążenia, z użyciem obsewatoa opisanego zależnościami (1)-(3). Obliczenia obsewatoa momentu wykonywane były synchonicznie z poceduą egulacji oaz estymacji pędkości, stumienia i momentu elektomagnetycznego, jak i modulatoa szeokości impulsów (PWM). Pzyjęta była ozdzielczość obliczeń zgodna z okesem modulatoa PWM wynoszącym T imp =150 µs. Na podstawie analizy w dziedzinie częstotliwości estymowanego momentu obciążenia (ys. 8), można zauważyć znaczne zmiany amplitud dla niższych (5 Hz i 10 Hz) jak i wyższych (25 Hz i 35 Hz) częstotliwości zabuzeń. Świadczy to o pzydatności analizy estymowanego momentu obciążenia do ciągłej identyfikacji zabuzeń w układzie napędowym. Należy podkeślić, ze układ pomiaowy z akceleometami nie identyfikował hamonicznych zabuzeń niższych niż 25 Hz. Pzygotowana pocedua identyfikacji uszkodzeń wymagała zaimplementowana poceduy szybkiej tansfomaty Fouiea FFT. Obliczenia FFT dla estymowanego momentu obciążenia wykonywane były asynchonicznie w pętli głównej pogamu steownika DSP układu napędowego. Pzykładowy wynik analizy FFT w układzie zeczywistym pokazany został na ys.8. Rys. 8. Analiza FFT estymowanego momentu obciążenia (oś Z: Estymowany moment obciążenia [j.w.], oś Y: Geneato-wpowadzona częstotliwość dgań - zabuzenie [Hz] oaz oś X: Analiza FFT momentu obciążenia [Hz]. Wielkość bazowa momentu M B = 48,52Nm.) Rys. 9. Detekcja uszkodzeń w układzie zeczywistym z użyciem obsewatoa momentu obciążenia i analizy FFT w czasie zeczywistym Obliczona częstotliwość hamonicznej o najwyższej amplitudzie pokazana jest na ys. 9A, natomiast watość amplitudy o zidentyfikowanej częstotliwości 5 Hz pokazano na ys. 9B. Rysunek 9C pzedstawia estymowany moment obciążenia. W początkowej części pzebiegu z ys. 9C widoczna jest niezabuzona paca silnika (układ pacuje bez uszkodzeń). Następnie wpowadzane jest zabuzenie. Można zauważyć, że algoytm oblicza na bieżąco hamoniczne estymowanego momentu obciążenia. Po upływu ok. 1,5 s osiąga stałą watość hamonicznej o najwyższej amplitudzie, któa wska-

6 50 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 1/2015 (105) zuje na pawdopodobne uszkodzenie układu napędowego. Watość wykytej hamonicznej jest następnie uśedniana aytmetycznie pzez kolejne 10 s. Gdy watość ta nie zmienia się układ identyfikuje uszkodzenie. Algoytm wykywania uszkodzeń pokazano na ys. 10. Rys. 10. Algoytm wykywania uszkodzeń z użyciem obsewatoa momentu obciążenia 5. Wnioski Wyniki pzestawione w niniejszej pacy pokazują, że istnieje możliwość detekcji uszkodzeń w układzie napędowym pzy wykozystaniu estymacji momentu obciążenia. Moment obciążenia obliczony w obsewatoze, i dalej pzetwozony z użyciem szybkiej tansfomaty Fouiea pozwala na wykycie zabuzeń w układzie napędowym. Właściwości obsewatoa momentu okazały się lepsze niż mienika dgań wykozystującego akceleomety. Zabuzenia o niskich częstotliwościach nie były identyfikowane w układzie pomiaowym z akceleometami a były identyfikowane pzez obsewato momentu obciążenia. Zaletą pokazanej metody identyfikacji uszkodzeń jest możliwość jej implementacji w układzie steowania pzekształtnikiem jako dodatkowej poceduy w pogamie mikopocesoa. Implementacja tej metody nie wymaga stosowania żadnych dodatkowych czujników poza czujnikami, któe i tak są standadowo stosowane w pzemienniku częstotliwości. Jest to więc metoda, któa może być stosowana bez ponoszenia dodatkowych nakładów finansowych. Niewielkiej ozbudowy wymaga jedynie pogam steownika mikopocesoowego układu napędowego. 6. Liteatua [1]. Slobodan Michevski: Enegy Efficiency in Electic Dives, Electonics, Vol. 16, No. 1, June [2]. Kowalski Cz.: Diagnostyka układów napędowych z silnikiem indukcyjnym z zastosowaniem metod sztucznej inteligencji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wocławskiej, [3]. Kontantinos N. Gyftakis, Dionysios V. Spyopoulos: A Novel Appoach fo Boken Ba Fault Diagnosis in Induction Motos Though Toque Monitoing IEEE Tansactions on Enegy Convesion Vol.28 No.2, [4]. Concai C., Fanceschini G., Tassoni C.: Induction machine cuent space vecto featues to effectively discen and quantify oto fault and extenal toque ipple IET Electic Powe Applications [5]. Kzemiński Z.: Nonlinea contol of induction moto", 10th Wold Congess on Automatic Contol, IFAC 87, July 1987, Monachium, Niemcy. [6]. Kzeminski Z.: Sensoless Contol of the Induction Moto Based on New Obseve". PCIM. Nünbeg, Niemcy [7]. Gopinath B.: On the contol of linea multiple input output systems, Ameican Telephone and Telegaph Company, The Bell Technical Jounal, Vo1. 50, No. 3, 1971, USA. [8]. Ohishi K., Nakano K., Miyashita I., Yasukawa S.: Anti-slip contol of electic moto coach based on distubance obseve AMC 98, Coimba Pojekt został sfinansowany ze śodków Naodowego Centum Nauki pzyznanych na podstawie decyzji nume DEC-2013/09/ B/ST7/ Autozy d hab. inż. Jaosław Guziński (1) mg inż. Patyk Stankowski (2) Politechnika Gdańska Wydział Elektotechniki i Automatyki Kateda Automatyki Napędu Elektycznego ul. Nautowicza 11/12; Gdańsk (1) tel.: (1) jaoslaw.guzinski@pg.gda.pl (2) stankowski.p@gmail.com