Aplicația transformării Hilbert la detectarea defectelor în mașinile electrice

Banca experimentală este formată dintr-un motor de inducție cu colivie de veveriță de 5,5 kW (Figura 1). Motorul este Leroy Somer LS 132S, IP 55, clasa F, T ∘ C= 40 ∘ C. Tensiunea nominală între faze 400 V, frecvența de alimentare 50 Hz, viteza de rotație 1440 r/min, numărul de fante din rotor Nr=28. Numărul de fante în stator Ns=48. Înfășurările statorului sunt cuplate în stea . Motorul este încărcat cu o frână cu pulbere. Cuplul său maxim (100 Nm) este atins la turația nominală.

Bancul de încercare.

4.1 Influența defectului rotoric asupra fazei spectrului curentului statoric

Modulul spectrului și faza curentului statoric al unei cuști rotorice cu patru bare rupte (4b-C100) (figura 2) (conectare la o alimentare trifazată) sunt prezentate în figurile 3 și 4. Este clar că componentele de frecvență (1±2kg)fs sunt prezente în spectrul de amplitudine al curentului statoric, așa cum se arată în figura 3.

Barele rotorului rupte.

Spectrul curentului statoric: cazul sănătos (negru) și patru bare rupte (albastru).

Faza semnalului analitic obținut a vorbit transformat Hilbert.

Pentru a fi siguri că salturile de fază de frecvențe (1±kg)fs prezente în acest spectru se datorează prezenței unei bare de rotor deteriorate, am comparat cu spectrul curentului statoric atunci când mașina de inducție funcționează cu un rotor sănătos. Această analiză ajută la întărirea faptului că apariția unei bare rupte în rotorul mașinii conduce la salturi în spectru la frecvențele (1±2kg)fs .

Am arătat că analiza spectrului curentului statoric ne vorbește despre starea rotorului mașinii de inducție.

Am observat că salturile de fază ale spectrului prezente la frecvențele (1±2kg)fs se datorau în mod clar prezenței uneia sau mai multor bare de rotor deteriorate. Prin urmare, pe baza acestor informații, este posibil să se stabilească un diagnostic de cușcă de veveriță prin analiza spectrului unor picuri particulare.

Pentru a întreprinde o diagnoză a defecțiunilor rotorului fără a fi necesară compararea cu o referință (referință obținută de la o funcționare sănătoasă) , decizia finală, adică „este sau nu este sănătos rotorul?”, trebuie luată exclusiv din semnalul analizat. Acest lucru ne va permite să aplicăm metoda la mașini de putere mică sau mare. Știm că toate mașinile de inducție au o ușoară asimetrie de construcție care induce, în spectrul curentului statoric, o componentă de frecvență (1-2g)fs. Uneori, viteza de oscilație creată de această componentă este suficient de mare pentru a face să apară, în același spectru de frecvență, o componentă suplimentară de frecvență (1+2g)fs. Cu toate acestea, producătorii de motoare cu inducție se asigură că mașinile prezintă o asimetrie cât mai mică posibil, deoarece aceasta ar putea fi principala cauză a defecțiunilor . De exemplu, o excentricitate statică provoacă un curent homopolar închis în rulmenți reduce semnificativ durata de viață a acestora . Din acest punct de vedere, metoda de diagnosticare va fi dezvoltată. Studiem spectrul curentului statoric și în special saltul de frecvență la (1+2g)fs. În mod normal, acest salt este foarte mic sau chiar nul pentru o mașină de inducție sănătoasă, iar acest lucru este valabil oricare ar fi sarcina.

4.2 Transformată Hilbert pentru diagnosticarea defectelor rotorice

În această secțiune se dezvoltă metoda de diagnosticare bazată pe calculul fazei semnalului analitic obținut printr-o transformată Hilbert a amplitudinii spectrului curentului absorbit de mașina de inducție. Cu alte cuvinte, în loc să lucrăm direct pe curentul statoric (semnal temporal), propunem să lucrăm cu modulul transformatei Fourier a acestuia. După cum am menționat anterior, transformata Hilbert a unui semnal returnează o reprezentare a acestui semnal în același domeniu. Astfel, dacă aplicăm transformata Hilbert a modulului transformatei Fourier a curentului statoric, semnalul rezultat va fi deci exprimat în domeniul frecvenței.

Această abordare utilizează transformata Hilbert calculată din modulul spectral al curentului statoric, faza acestuia nu are nicio importanță aici. Figura 4 reprezintă faza analitică a semnalului obținută prin calculul transformării Hilbert a modulului de spectru al curentului statoric, atunci când mașina funcționează cu un rotor sănătos Figura 4(a) și cu un rotor defect Figura 4(b). Aceste figuri relevă prezența unor „salturi de fază” la frecvențe de defect (1±2kg)fs. Mai mult, putem observa că apariția defecțiunii rotorului crește amplitudinea salturilor prezente la faza φHT(f).

Potem observa prezența unei schimbări rapide a fazei la 50 Hz. Deoarece faza FT a curentului, având o schimbare clară de fază la 50 Hz, permite evaluarea amplitudinii saltului de fază la (1-2g)fs mai ușor decât amplitudinea componentei de aceeași frecvență prezentă în modulul spectrului de curent statoric Figura 4(b).

Pentru mașina noastră, nu există nici o problemă în detectarea acestei frecvențe, nici în amplitudinea spectrului, nici în faza HT(f), dar în cazul motoarelor de mare putere, această detecție poate fi dificilă din cauza valorii scăzute a alunecării (aproximativ 1%) din cauza dominanței frecvenței armonicii fundamentale de 50 Hz.

Diferența dintre faza transformării Fourier și faza semnalului analitic constă în faptul că acesta din urmă este calculat din amplitudinea spectrului curentului statoric. Aceasta înseamnă că, de îndată ce componenta de frecvență (1-2g)fs apare în modulul de spectru, aceasta va apărea și în faza φHT(f). Chiar dacă componenta creată de defectul rotoric are o amplitudine relativ mică în modulul spectrului de frecvență a curentului statoric, aceasta apare în faza semnalului analitic φHT(f) deoarece modulul spectrului conține această informație. În plus, trebuie remarcat faptul că amplitudinea salturilor de fază situate la frecvențele (1±2kg)fs ale fazei φHT(f) este direct legată de amplitudinea componentelor situate la aceleași frecvențe în modulul spectrului curentului statoric.

.