[论文] 电机及系统故障诊断的研究精简版.doc

一研究电机及系统的状态监测与故障诊断技术的背景及意义1.1 重要性电机及系统的状态监测与故障诊断技术的研究及其设备的研制极其重要，不但可以保证电机及其所驱动负载及其电机控制系统的可靠、安全、经济运行；而且对电机系统的节能具有直接的作用。特别是在电机系统节能作为我国“十一五”乃至“十二五”期间实施节能减排所重点关注的领域之一的背景下，可见电机系统的状态监测与故障诊断具有广阔的发展前景和市场经济推动价值，这方面的研究具有特别重要的意义。1.2 必要性随着嵌入式技术、传感器技术、信息技术的发展成熟，对电机及系统的监测与诊断提出更多功能的需求：随时可以获取设备运行的各种状态信号，可对设备进行连续的监测，能在早期阶段发现故障，并严密监视其发展情况。针对这种情况则需要研制开发电机及系统的状态监测与故障诊断集成功能系统，这样不但可靠性得到保证，而且能对设备状态进行更精确的检测，具有很强的预判性。目前我国多功能综合性的电机系统状态监测与故障诊断系统还尚未开发，我中心作为电机行业推广标准的归口，对该系统的开发很有必要性和研究意义。1.3 可行性标准和电机基础理论的研究很深入，对系统的开发具有方法和理论支持。1.4 对行业技术进步的作用及预期经济、社会效益本技术及其系统的研究将能提高我国电机系统的运行可靠性，对电机设备状态真正做到实时性监测，可预知性判断，将故障降到最低状态。同时也将极大提高我国在研究开发电机系统的状态监测与故障诊断系统方面的自主创新能力，为推进电机及系统行业的产品的自动化、信息化水平、提升我国电机及其驱动控制产品的国际竞争力起到巨大作用。二国内外研究开发现状和发展趋势2.1.1 技术发展趋势早期的对电机系统的状态监测与诊断往往局限在对于某一故障进行的研究，没有将涉及到基本故障问题整合到一个系统中，这就使得系统的功能单一，在应用方面变得实用性不强。随着嵌入式技术、传感器技术、信息技术等的成熟，国内外学者也对这些故障提出了不同的诊断方法，在技术和方法理论逐渐成熟下，一些集温度、振动、转速等功能于一体的监测与诊断系统出现。而随着自动化智能理论的研究，将先进的控制算法应用到电机系统中是目前各国纷纷研究的主要现状，因此配套的更为先进的电机系统的状态监测和故障诊断系统的研究引起国内外极大的关注，发达国家已不断投入大量的人力物力进行开发研究。2.1.2 国内外发展的现状与差距国外经过多年的发展研究，在交流电机状态监测与故障诊断领域的应用也已取得了长足的发展，一大批状态监测与故障诊断系统相继投入使用，其中PHILIPS公司研制的RMS700旋转机械监测系统、ENTEK与IRD公司研制的MPULSE机械状态在线监测系统以及GE公司研制的MULTILIN多功能电动机检测器最具代表性。我国科研工作者在这一领域也作了大量工作，清华大学研制成功的笼型异步电动机转子断条在线检测仪可视为标志性成果。遗憾的是，我国国内目前尚未开发出类似于MULTILIN的多功能综合性的异步电动机状态监测与故障诊断系统。2.1.3 目前故障监测与诊断技术的不足和发展方向尽管电机的故障监测诊断技术目前己取得了长足的进步，但仍存在相当不足。主要表现在两方面，即故障信号分析方法的滞后以及由此造成的故障检测准确度的不足，使得真正能够进入实际应用的检测装置比较少。有些能给出具有较高准确度的定性的诊断，但要做到具有一定准确度的定量诊断，却会遇到很大的困难。目前技术主要通过小波变换的研究，但仅仅依靠小波分析所获得的故障特征量还难以满足实际的故障检测准确度的要求，人工智能模式识别技术也应用于电机故障的诊断。同时将Fourier变换、小波变换与人工智能模式识别技术结合起来，是电机系统故障诊断关键技术与发展的方向。2.2 技术市场需求分析目前，我国国内尚未开发多功能综合性的电机系统的状态测试与故障诊断系统，这主要局限于技术力量以及研究单位的实力，资金等等方面。该系统的开发需要对电机基本结构、电机故障机理以及电机检测方法等有非常深入的了解和测试基础平台，还同时需要控制技术、检测技术、传感技术和信息传输技术等领域的知识。虽然国外已经出现一些监测系统，但是国外产品价格十分昂贵，且存在无技术而维护不便、缺少汉化而使用不便等问题，因此还难以普及。但是我国大型生产企业，比较迫切的需要能够现场监测和对故障进行预处理的系统出现，因此具有广阔的市场前景和经济价值。2.3 国内同行单位的技术水平及实力比较三、依托单位技术优势和现有的基础条件3.1 主要研究成果及相关知识产权* 旋转电机轴电流电压的检测与标准的制定* 电子电机保护器的专利* 智能短信传输电机综合保护装置的专利* 绝缘方面已经拥有纳米技术耐电晕漆包线漆、低压大功率变频加强绝缘结构专利。3.2 关键性技术研究采用基于Park矢量模平方函数的高分辨率频谱算法，可以消除基波分量频谱泄露，实现特征频率的分离，降低电流波动可能性，有利于实时状态检测。采用基于定子电流小波分析和经验模式分解技术的电机轴承故障检测，利用小波变换对冲击奇异点的敏感性及自相关函数的特征，进行频率分段研究。基于MSCA技术的电机转子断条故障诊断。直流电动机的监测诊断技术问题，同时由于全数字直流调速系统推广速度很快，如何在动态过程中提取故障特征的研究。基于DeviceNet现场总线的具有网络化功能的智能电动机保护器研制的技术。电机与保护，监控部件一体化整合匹配的技术，并且系统采集传输等模块需要采用微处理器编写程序，要注意程序抗干扰性、可扩展性。四、“中心”的主要任务4.1 主要研究开发内容4.1.1 监测与诊断的主要故障与关键技术方法的研究电机及系统的状态监测与故障诊断涉及到包括轴承、电动机、发电机以及电机驱动控制系统的研究。其典型故障主要包括轴承故障，定子绕组匝间短路、过热、绝缘故障，以及转子气隙偏心、断条故障等，下面主要分析以上典型故障的监测与诊断方法的研究。（1）电机轴承的监测与诊断轴承故障的监测与诊断方法可分为轴承振动信号分析法和定子电流信号分析。（2）定子绕组的监测与诊断匝间短路故障监测与诊断目前主要致力于基于定子电流Park矢量分析的匝间短路诊断方法的研究，电机定子某相绕组发生匝间短路，则定子三相电流的平衡遭到破坏，定子电流派克矢量的末端轨迹将变成椭圆形，而且其椭圆率对应故障严重程度，其倾斜方向则与故障相对应。过热故障监测与诊断主要研究采用参数辨识技术的方法，绝缘故障监测与诊断通过局部放电来评估。（3）转子的监测与诊断转子故障主要包括气隙偏心、转子导条或端环断裂故障。气隙偏心监测与诊断采用定子电流Park矢量的轨迹与模值监测气隙偏心，同时还可以对电机定子电流及机座振动信号同时进行频谱分析，可以诊断出气隙偏心模式；转子断条故障的监测与诊断中通过将希尔伯特变换与数字滤波技术结合在一起，能较理想的解决，而利用小波分析技术可以更进一步的分析故障机理。4.1.2基于DeviceNet现场总线的具有网络化功能的智能电动机保护器研制网络化智能电机保护器主要完成对各种电机运行参数的检测、电机控制,以及通过网络将参数上传或下达,以便于上位机实时监控。保护器主要由保护功能模块和通信功能模块组成。保护功能模块对电机过压、欠压、过流、断相、电流不平衡等多种故障进行检测,并发出相应的控制输出指令,从而实现电机保护。在开发阶段,在硬件方面需要采用高性能的Dsp数据处理器，AD转换器件，在软件上要对接口控制要求等编程；并且要针对电动机保护器的DeviceNet设备描述,编写设备的EDS文件,方便上位DeviceNet配置软件对网络的配置；在上述基础上还须通过一致性测试。4.1.3 电机系统的故障诊断监测系统及软件的开发针对电机系统的故障诊断监测系统系统开发主要分为硬件和软件两方面的内容。硬件方面主要以先进的具有高处理性能的工控机和数据采集模块单元为核心，在软件方面主要以Windows XP为操作系统平台，VISUAL C+作为应用软件开发工具。主要技术参数指标：（1.工作电源 220VAC (士20%)，50Hz 功耗:6.5 VA+工控机+显示器+开关电源2.输入电压额定值：100VAC，允许25%超限过电压：2倍额定值(连续)，2500VAC/秒(不循环)测量形式:True-Rms3.输入电流额定值： 5A，允许25%超限过电压：2倍额定值(连续)，2500VAC/秒(不循环)测量形式:True-Rms4.输入功率范围：40-100Hz5 输入负荷PT负荷：0.2VACT负荷：0.3VA6 测量精度电压：0.2%（F.S.）电流：0.2%（F.S.）功率：0.5%（F.S.）频率：0.2 Hz转速：10 r/min7 I/O绝缘任意输入输出