Diagnostyka maszyny komutatorowej prądu stałego bazująca na analizie spektralnej pomiarowo dostępnych sygnałów

Abstract

Simulation and measurement investigations as well as spectral analysis of readily accessible measurement signals have been carried out for commutator dc motor with internal rotor asymmetries. Construction of considered motor enables to realize the breaking of one rotor coil and shorting of two groups of rotor coils. Each group contained three rotor coils. The basis of study were transients: current and voltage of field winding, current and voltage of armature winding and velocity of the rotor. Measurements have been carried out for supplying of field circuit from dc generator. Armature circuit was supplied from dc generator and thyristor converter. In each case the dc machine was operating as a motor in open and closed regulation system. Amplitudes of diagnostic harmonic of voltages and currents are strongly depending on rotor velocity. These amplitudes are also depending on intensity of shorting of rotor coils. Amplitudes of harmonies of field and armature voltages as well as field and armature currents in conditions of three coils shorting through resistance 7.7 m$\Omega$ are several dozen greater than those in faultless state. Such relation is sufficient for detection of fault (coils shorting). Amplitudes of harmonies of field and rotor currents in case of breaking of one rotor coil are weakly depending on rotor velocity. Results of spectral analysis indicate that field and armature currents as well as field and armature voltages contain information about the motor state and can be used as diagnostic signals. Badania symulacyjne i pomiarowe oraz analiza spektralna sygnałów pomiarowo dostępnych zostały wykonane dla silnika komutatorowego prądu stałego z wewnętrzną niesymetrią wirnika. Konstrukcja rozważanego silnika zapewnia realizację przerwy jednego zezwoju wirnika i zwarcie dwóch grup zezwojów wirnika. Każda grupa zawierała trzy zezwoje wirnika. Pomiarowo dostępnymi sygnałami były: napięcie i prąd obwodu wzbudzenia, napięcie i prąd obwodu twornika, jak również prędkość wirnika. Maszynę komutatorową poddano badaniom w dwóch przypadkach zasilania: przy zasilaniu z generatora napięcia stałego oraz z przekształtnika tyrystorowego. W każdym z tych przypadków maszyna pracowała jako silnik w otwartym układzie regulacji lub w zamkniętym układzie regulacji, przy czym zastosowano kaskadową strukturę regulatorów prędkości i prądu. W napięciach i prądach wzbudzenia i twornika widoczne są odkształcenia, których powtarzalność i amplitudy są ściśle związane z prędkością wirnika. Amplitudy harmonicznych zależą również od intensywności zwarcia zezwojów wirnika i w warunkach zwarcia trzech zezwojów wirnika przez rezystancję o wartości 7.7 m$\Omega$ są kilkadziesiąt razy większe w porównaniu z amplitudami odpowiednich harmonicznych w stanie pracy bezawaryjnej. Taka relacja jest wystarczająca, aby stwierdzić zaistnienie uszkodzenia (zwarcia zezwojów). Natomiast w porównaniu ze zwarciami, przerwanie zezwoju skutkuje mniejszymi amplitudami harmonicznych prądu wzbudzenia i twornika Wyniki analizy spektralnej potwierdzają, że napięcia i prądy obwodów wzbudzenia oraz twomika są użyteczne jako sygnały diagnostyczne.