Устройство управления асинхронным электроприводом с обнаружением источников сбоев

Полезная модель относится к области автоматизированных электроприводов и может быть использована при проектировании, разработке, изготовлении и эксплуатации асинхронных электроприводов. Технический результат заключается в увеличении надежности электроприводов за счет увеличения срока их службы посредством обнаружения и регистрации сбоев в работе. В данное устройство управления асинхронными электроприводами входят микроконтроллер с пользовательским интерфейсом, аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, датчики скорости (тахогенератор), вибрации (шума), температуры, электромагнитный датчик Холла, а также контактные и бесконтактные датчики сбоев. 1 н.п. и 10 з.п. формулы, 1 илл.

Полезная модель относится к устройствам управления электроприводами и может быть использована при производстве и эксплуатации асинхронных электроприводов с микроконтроллерным управлением. С помощью контактных и бесконтактных датчиков сбоев, выполненных с возможностью работы в широком диапазоне частот (от долей герца до единиц гигагерц) и установленных на линиях связи или в непосредственной близости (до 1-2 см) от них в качестве источников сбоев (скрытых дефектов) обнаруживаются и регистрируется: датчики температуры и вибрации (шума), электромагнитный датчик Холла, тахогенератор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, асинхронный электропривод, пользовательский интерфейс, а также внешнее и внутреннее электромагнитное воздействие (помеха).

Эффект достигается вследствие включения в указанные элементы контактных и бесконтактных датчиков сбоев, а также добавлением алгоритмов обработки электрических сигналов с указанных блоков. При этом в качестве информативных параметров датчиков сбоев используется повышенное электромагнитное излучение, а также появление эффекта дифференцирования и (или) интегрирования электрических сигналов.

Известно устройство для сигнализации неисправности контролируемого объекта, содержащее в каждом канале контроля объекта модуль автоматического контроля исправности датчика (Патент РФ 2278414. МПК G08B 23/00 от 20.06.2006). Недостатком устройства является его сложность и ограниченная функциональная возможность по рабочему диапазону сигналов, не позволяющая, в частности, вести высокочастотную (единицы гигагерц) бесконтактную регистрацию сигналов неисправности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство управления асинхронным электроприводом, содержащее микроконтроллер, связанный с пользовательским интерфейсом и подключенный к асинхронному электроприводу через управляемый преобразователь, причем микроконтроллер соединен с датчиком температуры непосредственно, и с датчиками вибрации (шума), скорости (тахогенератором) и электромагнитным датчиком Холла через последовательно включенные коммутатор, управляемый от микроконтроллера, и аналого-цифровой преобразователь (Терехов М.В., Осипов О.И. Управление электроприводами. М., изд-во «Академия», 2005).

Задача, решаемая полезной моделью - расширение функциональных возможностей по обнаружению сбоев, являющихся, в частности, следствием скрытых дефектов в элементах и узлах за счет введения бесконтактных и контактных датчиков сбоев с соответствующей обработкой информации (сигналов).

Поставленная задача решается тем, что в качестве источников сбоев обнаруживаются и регистрируются датчики температуры и вибрации (шума), электромагнитный датчик Холла, тахогенератор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, пользовательский интерфейс, а также внешнее и внутреннее электромагнитные воздействия (помехи).

Поставленная задача решается также тем, что в указанные блоки включаются бесконтактные и контактные датчики сбоев, а также добавляются алгоритмы обработки сигналов с указанных датчиков.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве информативных признаков при обнаружении источников сбоев используются повышенное электромагнитное излучение, эффект дифференцирования и интегрирования сигналов.

Поставленная задача решается также тем, что контактные и бесконтактные датчики сбоев выполнены с возможностью работы в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц и установлены на линиях связи с соединителями или в непосредственной близости (1-2 см) от элемента (линия связи) или узла (соединителя) электрической цепи.

Поставленная задача решается также там, что контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах и микроемкостях (сотые доли пикофарада).

Поставленная задача решается также тем, что бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (L, C - элементах) микрорезонансных контурах.

Поставленная задача решается также тем, что при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоев в качестве источника сбоя определяется узел или элемент с более ранним по времени срабатыванием датчика.

Поставленная задача решается также тем, что при срабатывании двух и более бесконтактных датчиков сбоев, расположенных вблизи различных линий связи, в качестве источника сбоя определяется внешнее электромагнитное воздействие (помеха).

Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты как причины сбоев элементов и узлов на начальной стадии своего развития регистрируются контактными датчиками КМОП-стуктуры по дифференциальному информативному признаку.

Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты элементов и узлов на конечной стадии своего развития (перед отказом, например, обрывом линии связи) регистрируются контактными датчиками (например, микроемкостями) по интегральному информативному признаку.

Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты асинхронного электропривода (например, короткозамкнутые витки в обмотках), приводящие к его сбоям (например, изменение скорости вращения), регистрируют при воздействии на электропривод кодоимпульсных сигналов с различными постоянными времени электропривода в импульсах и паузах.

Решение поставленной задачи определения скрытых дефектов, а в дальнейшем источников сбоев, в линиях связи и соединителях по информативным параметрам дифференцируемости электрических сигналов и повышенного электромагнитного излучения основано на представлении скрытых дефектов упомянутых элементов аппаратуры в виде микрозазоров, микронеровностей, микротрещин, частичных микроразрывов и образования вследствие этого микрорезонансных контуров.

Решение поставленной задачи определения скрытых дефектов в линиях связи и соединителях по информативному параметру интегрируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов названных элементов аппаратуры в виде повышенного (в десятки и сотни раз) омического сопротивления, составляющего совместно с последующей включенной микроемкостью (например, сотые доли пикофарада) интегрирующее звено.

На фиг.1 представлена схема устройства для управления асинхронным электроприводом с дополнительно введенными датчиками сбоев.

Схема содержит асинхронный электропривод 1 с управляемым преобразователем 2, микроконтроллер 3 с подключенными к нему записывающим устройством (ЗУ) 4 и пользовательским интерфейсом 5, датчики вибраций 6, скорости (тахогенератор) 7, электромагнитный датчик Холла 8, связанные через коммутатор 9 и аналого-цифровой преобразователь 10 с микроконтроллером 3, а также датчик температуры 11, подключенный напрямую к микроконтроллеру 3. Схема также содержит контактные датчики сбоев (КДС) 12-15. Количество КДС на одной линии связи зависит от размера дискретизации конкретной линии связи, на которой желательна фиксация скрытого дефекта.

На схеме (фиг.1) показаны и бесконтактные датчики сбоев (БДС) 16-18, установленные в непосредственной близости от диагностируемых элементов или узлов. Количество БДС выбирается исходя из их чувствительности, протяженности линий связи и, в общем случае, может быть большим.

КДС 12-15 устанавливаются (например, с помощью клипс) в начале линии связи (12, 14) либо в ее конце (13, 15). КДС, также как и БДС, могут иметь любо автономную индикацию (на фиг.1 не показано), либо индикацию в системе автоматического контроля (например, иметь выход на микроконтроллер 3 - КДС 13, БДС 17).

Реализация контактных датчиков сбоев (12-15) достаточно проста и заключается, например, в подключении к соответствующим точкам интегральных микросхем структуры КМОП (комплиментарной металл-окисел полупроводниковой), имеющей большое (от 10 ⁷ Ом и выше) входное сопротивление, а при наличии микрозазоров, микротрещин, шероховатостей, неровностей и т.п. в диагностируемых элементах емкостную составляющим и, следовательно, создающих условия дифференцируемости проходящих сигналов, что и может быть зафиксировано как автономными, так и централизованными средствами.

Вместо контактных датчиков сбоев (или дополнительно к ним) в аппаратуру могут вводиться и бесконтактные датчики сбоев (16-18). Принцип действия БДС основан на регистрации дополнительного (сверх допустимого) электромагнитного излучения источника сбоев (скрытых дефектов) за счет образованию микрорезонансных контуров на линиях связи или соединителях. Реализация достаточно проста и, в частном случае, может быть построена на пассивных L, С - элементах, установленных на расстоянии 1-2 см от предполагаемого источника сбоев (скрытых дефектов). Число БДС на одной линии связи может быть любым и зависит от необходимости обнаруживать скрытый дефект, как во всем элементе (линии связи), так и в его фрагменте (отдельном отрезке линии связи). На фиг.1 для упрощения показаны только под одному БДС на некоторых линиях (в данном случае число таких линий равно 3). Естественно БДС могут (при необходимости) устанавливаться и в непосредственной близости и от соединителей (на фиг.1 не показаны). Также, как и КДС, БДС могут иметь автономную или централизованную систему индикации и регистрации.

Одновременное срабатывание БДС на различных линиях связи (каналах) свидетельствует о наличии внешней электромагнитной помехи. Одновременное срабатывание КДС и БДС говорит а внутренней электромагнитной помехе. Идеология включения БДС, а также алгоритм их функционирования в аппаратуре аналогичен КДС. Основное отличие в величине фиксируемого сигнала в зависимости от расстояния до источника скрытых дефектов.

В случае, если управляемый преобразователь 2 осуществляет кодоимпульсное управление асинхронным двигателем (т.е. код управления микропроцессора, входящего в микроконтроллер 3, преобразуется в синусоидальный код питающего напряжения миную цифро-аналоговый преобразователь), также возможно фиксировать скрытые дефекты (сбои) как самого процессора, так и асинхронного двигателя. Теоретически такая возможность была показана ранее (см. журнал Российского общества по неразрушающему контролю и технической диагностике «Контроль. Диагностика», 2006, изд-во «Машиностроение» 4 (94) апрель 2006, статья Плюшкин К.В., Саркисов А.А., Власов Д.В., Дианов В.Н. Интеллектуальная диагностика сбоев исполнительных механизмов и датчиков с применением кода Вьюшкова-Дианова, стр.19-23).

1. Устройство управления асинхронным электроприводом с обнаружением источников сбоев, содержащее микроконтроллер, связанный с пользовательским интерфейсом и подключенный к асинхронному электроприводу через управляемый преобразователь, причем микроконтроллер соединен с датчиком температур непосредственно, а с датчиками вибрации (шума), скорости (тахогенератором) и электромагнитным датчиком Холла через последовательно включенные коммутатор, управляемый от микроконтроллера, и аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что в качестве источников сбоев обнаруживаются и регистрируются датчики температуры и вибрации (шума), электромагнитный датчик Холла, тахогенератор, коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, асинхронный электропривод, пользовательский интерфейс, а также внешнее и внутреннее электромагнитные воздействия (помехи).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в указанные блоки включаются бесконтактные и контактные датчики сбоев, а также добавляются алгоритмы обработки сигналов с указанных датчиков.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве информативных признаков при обнаружении источников сбоев используются повышенное электромагнитное излучение, эффект дифференцирования и интегрирования сигналов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контактные и бесконтактные датчики сбоев выполнены с возможностью работы в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц и установлены на линиях связи с соединителями или в непосредственной близости (1-2 см) от элемента (линии связи) или узла (соединителя) электрической цепи.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контактные датчики реализованы на КМОП-инверторах и микроемкостях (сотые доли пикофарады).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (L, С-элементах) микрорезонансных контурах.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоев в качестве источника сбоя определяется узел или элемент с более ранним по времени срабатыванием датчика.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при срабатывании двух и более бесконтактных датчиков сбоев, расположенных вблизи различных линий связи, в качестве источника сбоя определяется внешнее электромагнитное воздействие (помеха).

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что скрытые дефекты как причины сбоев элементов и узлов на начальной стадии своего развития регистрируются контактными датчиками КМОП-структуры по дифференциальному информативному признаку.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что скрытые дефекты элементов и узлов на конечной стадии своего развития (перед отказом, например обрывом линии связи) регистрируются контактными датчиками (например микроемкостями) по интегральному информативному признаку.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что скрытые дефекты асинхронного электропривода (например короткозамкнутые витки в обмотках), приводящие к его сбоям (например изменение скорости вращения) регистрируют при воздействии на электропривод кодоимпульсных сигналов с различными постоянными времени электропривода в импульсах и паузах.