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使用驱动器作为传感器进行状态监视

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变速驱动器已经使用了半个多世纪,主要优点是减少了电能的使用。 随着4.0行业的发展,驱动器的作用从纯电源处理器的角色转变为自动化系统的智能元件。

驱动器充当智能传感器的能力使其成为实施状态监测时的自然选择。 在本文中,我们将介绍如何将其用于水和废水应用。

â�<作者:Norbert Hanigovszki,JörgDannehl,Sanjeet Kumar Dwivedi,Anna Hildebrand Jensen

Norbert Hanigovszki

Norbert Hanigovszki

Jorg Dannehl

Jorg Dannehl

Sanjeet Kumar Dwivedi

Sanjeet Kumar Dwivedi

安娜希尔德布兰德 - 詹森

安娜希尔德布兰德 - 詹森

1。 适用于水和废水应用的新驱动功能
带有电力电子变换器的变速驱动器已经使用了半个多世纪,如今超过20%的所有电动机都由变速驱动器驱动。 使用驱动器的主要原因是减少能源使用。

然而,在水和废水应用中使用驱动器还有其他原因,例如过程控制(保持恒定的水压,从而避免高压引起的泄漏),避免水锤或优化的井开采。

自从引入微处理器来控制驱动器以来,原始功能(功率处理器)就增加了额外的功能。 例如,驱动器能够在废水应用中执行泵去除,它们能够在水泵应用中控制级联系统中的多个泵,或者可以绕过某些频率以避免共振。

4.0行业的发展进一步推动了这些附加功能。 随着4.0行业处理信息和网络,我们开始将这些驱动器用作智能和网络传感器。

2。 4.0行业用于电机和驱动系统
工业4.0是一个通称术语,表明第四次工业革命可以通过网络(在第一次工业革命之后 - 机械化,第二次 - 电气化和第三次 - 自动化)的特点。

虽然这个术语有些模糊,但可能的定义可能是“4.0行业通过利用整个价值链中所有数字化的可能性来描述人,物和系统的智能联网”。

这种趋势对电机系统的影响是从所谓的“自动化金字塔”迁移到网络系统,见图1(左)。 这意味着系统的各种元件,如电机,驱动器,传感器和控制器,都可以互相连接,也可以连接到云 - 数据存储,处理,分析和决策,参见图1(右)。

Fig1自动化金字塔离开了。 状态监测

自动化金字塔

Fig1网络化系统。 状态监测权

网络系统

图1:行业4.0意味着从自动化金字塔到网络系统的过渡

3。 驱动器作为传感器
在变速驱动应用中,驱动器和总线通信选项中微处理器的可用性与电流和电压传感器相结合,开辟了新的机遇。 此外,其他传感器(如振动和压力传感器)可以几乎免费连接到驱动器。

这使得驱动器可以用作状态监测的智能传感器(图2)。 可用信息提供各种用例,例如系统优化,能效优化和基于状态的维护。 下一节将探讨传感器集成和基于状态的维护的一些示例。

Fig2 Drive作为传感器。 状态监测

图2:作为传感器驱动

4。 基于嵌入式条件的监控
状态监测是一种监测服务中设备健康状况的技术。 为此,需要选择关键参数作为发展故障的指标。 设备状况通常会随着时间的推移而降低。

图3显示了典型的降解模式,也称为PF曲线。 功能故障的关键是设备无法提供预期的功能。 基于状态的维护的想法是在实际故障发生之前检测潜在的故障。

在这种情况下,可以在功能故障之前计划维护操作,具有以下优点:减少停机时间,消除意外停产,维护优化,减少备件库存等。

Fig3 PF曲线。 状态监测

图3:PF曲线,表示组件在功能失效之前的状况。

4.1振动水平监测
许多机械故障,例如轴承磨损,轴不对中,不平衡,会产生某种振动。 因此,已经建立了振动监测作为用于监测旋转机器的现有技术。 有各种方法,从基本的简单监控到高度复杂的监控[3]。

一种广泛使用的方法是振动速度RMS监测[2]。 它基于通过振动传感器测量的振动信号的RMS值。 许多机械故障对振动的RMS有很大影响,例如不平衡,轴不对中和松动。

然而,变速应用中的挑战是振动对实际速度的依赖性。 机械共振是典型的例子。 这些始终存在,监控系统必须以某种方式应对它们。 通常,在最坏情况下设置故障检测水平以避免误报。 这降低了不存在共振的速度区域中的检测精度。

安装合适的振动变送器并连接到变频器后,变频器可通过将变送器信号与变频器内部信号(例如速度)或与应用相关的其他信号相关联来提供高级监控。

驱动器可以提前检测故障并为系统的运行状况提供交通灯信息(参见图3),以防止功能故障。 可以提前准备和安排维护,同时系统可以继续运行,直到下一次可能的维护中断。

正常和故障状态下的振动水平还取决于传感器的类型,位置和安装。 而且,它随着要监控的实际应用而变化。 因此,需要学习期。 这可以通过不同的方式来完成。 第一种方法是在初始操作期间学习正常的振动水平。

这意味着应用程序正常运行,驱动器并行学习振动而不影响操作。 收集到足够的数据后,驱动器开始监控振动。 其次,驱动器可以执行识别运行。 在这里,驱动器以收集足够数据的方式控制电动机。

使用第二种方法的可能性取决于具体应用。 例如,在供水系统中,可能不允许泵在调试时全速运行。

已经构建了一个测试装置来演示功能。 该测试范围的错误是电机轴未对准。 轴不对中会增加轴承的机械负载,从而缩短轴承寿命。 此外,它会产生振动,从而导致系统中的二次效应。 早期检测不对中和校正可以延长轴承寿命并避免停机。

图4显示了使用感应电机驱动小型泵的测试装置。 通过用红色手柄稍微抬起底板可以产生角度不对中。 振动传感器安装在电机的底板上以说明概念。 模拟4-20 mA传感器信号已连接到驱动器的模拟输入。

Fig4测试设置。 状态监测

图4:使用由感应电机驱动的小型泵进行测试设置。 振动变送器(黑色/橙色)安装在电机旁边的底板上。

Fig5振动测量。 状态监测

图5:两种情况下的测试数据(振动RMS值,单位为mm / s,速度,单位为RPM):无故障(黑色,“基线”)和故障(绿色,“未对准”)。


图5显示了测试结果的示例。 对于两种情况,示出了以mm / s为单位的测量振动与RMS中的电动机速度的关系。 在第一种情况下,系统处于健康状态。 在此状态下,执行基线测量。 警告和警报阈值是根据测量的基线得出的。 对于故障情况,通过红色手柄稍微抬起电机底板会产生轴不对中,请参见图5。 在故障情况下测量的振动以绿色显示。

在上面的例子中,驱动器可以清楚地检测到这个故障。 对于其他应用程序,基线数据可能非常不同。 通常,即使在健康状态下,振动也取决于速度。 甚至可以通过监测时需要考虑的共振点来实现。 其他类型的故障,例如不平衡,松动,产生不同的模式。

4.2电子签名分析
还可以通过电子特征分析来监控电动机和应用的状况。 这项技术已经研究多年。 早期的研究已经解决了直接在线机器问题,后来的变速驱动应用也进行了调查[5,6,7]。 凭借当今驱动器中可用的处理能力和内存,这些技术现在可以作为产品功能集成到产品中。

图6说明了基本概念。 可以从电动机电流和电压信号中提取故障状态指示器。 电流和电压的频率分量可能与电动机或应用故障有关,例如轴不对中或定子绕组故障。

无论如何,电流和电压传感器是驱动器的基本组件。 它们为控制电机提供必要的信号。 这些信号可用于监测目的。 因此,不会增加额外的传感器成本。 信号处理和分析技术在这方面发挥着重要作用。

Fig6电信号分析。 状态监测

图6:电子签名分析

作为电动机控制器的驱动器可以将监控值(例如,特定电流谐波)与驱动器内的其他可用信息相关联。 例如,知道控制器状态,驱动器知道何时可以执行有意义的频谱计算。 与振动水平监测一样,可以执行监测值与电动机速度,负载和其他相关过程数据(例如水管中的压力)的相关性,以获得更准确的故障信息。

4.3泵中的负载监控
如上一节所示,驱动器正在测量电机电流和电压,主要目的是使用这些测量来控制电机。 初级电流和电压测量用于计算各种参数,例如电动机功率,能量,实际电动机速度或扭矩。 并且这些值可用于监控电动机负载,例如泵。

在负载取决于电机速度的应用中,扭矩估算可用于确定过载和欠载偏差。 在基线期间,驱动器“学习”负载的正常分布或负载包络 - 如图7所示。 与前面的功能一样,与电机速度有关。

在监控过程中,变频器可以检测到过载和欠载情况,这些情况可能是由泵故障引起的,如:污垢,打磨,叶轮损坏,磨损等。

5结论
状态监测可用于实施基于状态的维护 - 这是从纠正和预防性维护的演变。 但状态监测依赖于传感器数据; 安装额外的传感器可能很昂贵。 但是,如果在应用程序中已经使用了变速驱动器,它们是可用于状态监视的宝贵数据源,从而节省了不必要的费用。

6参考文献:
[1] DIN ISO 10816 Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen
[3] Robert Bond Randall:基于振动的状态监测:工业,航空航天和汽车应用
[4] Ifm:操作说明振动传感器VKV021,https://www.ifm.com/mounting/704575UK.pdf
[5] Hamid A. Toliyat,Subhasis Nandi,Seungdeog Choi,Homayoun Meshgin-Kelk:电机:建模,状态监测和故障诊断,CRC出版社,2013
[6] Howard P. Penrose:电机诊断,成功设计; 2nd编辑。 版(2008)
[7] Sanjeet Kumar Dwivedi,Jorg Dannehl:感应电机定子和转子故障的建模和仿真及其实验比较,2017 IEEE 11th电机,电力电子和驱动器诊断国际研讨会(SDEMPED)

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