（电力电子与电力传动专业论文）感应电动机故障信号处理方法的研究及软件实现.pdf

、 窒釜堡矍三奎兰：兰竺圭兰竺丝耋 s t u d y o nf a i l u r es i g n a lp r o c e s s i n go fi n d u c t i o n m o t o ra n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n a b s t r a c t e l e c t r o m o t o r sa r ew i d e l yu s e di nt h em o d e mi n d u s t r ya n dt h en o r m a ll i v i n g ， a n dm a n yr e s e a r c h e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da b o u tt h et h e o r ya n dm e t h o do fo n - l i n ed e t e c t i o no fr o t o rf a u l ti ni n d u c t i o nm o t o r s i nt h i sp a p e r b a s e do nt h ew o r k s p r e v i o u s l y , t h et y p eo ft h ef a u l ta n dt h em e t h o do fd i a g n o s i si ni n d u c t i o nm o t o r s a r es u m m a r i z e d ，a n dad i a g n o s t i cs y s t e mo ft h ef a u l ta b o u ti n d u c t i o nm o t o ri s d e v e l o p e d 1 1 l eg e n e r a lf a u l t so f e l e c t r o m o t o ra l et u r n t o - t u r ns h o r ti nw i n d i n go fs t a t o r a n dr o t o r , e a r t hc o n n e c t i o ni nw i n d i n g ，b r o k e n - b a ri nr o t o r , c o l l a p s i n gi ne n dr i n g ， a n da i r - g a pe c c e n t r i c i t y t h ec o m m o nd i a g n o s i sm e t h o d so fr o t o rf a u l ta r em a i n l y b a s e do nt h ep a r a m e t e r se s t i m a t e dm e t h o d sa n db a s e do nt h es i g n a l a n a l y s i s m e t h o d st h a ti n c l u d es t a t o rc u r r e n ta n a l y s i s ，i n d u c t i o nv o l t a g ea n a l y s i s ，t o r q u e a n dh a r m o n i c a n a l y s i s ，a x i a lm a g n e t i cf l u xa n d a x i a lv i b r a t i o n d i a g n o s i s ， r o t a t i o n a ls p e e dd e t e c t i o na n dt h em o d e lc l a s s i f i c a t i o n s a b o v ea l l ，t h em e t h o do f c u r r e n ta n a l y s i si su s e dm o s tw i d e l y i nt h ef a u l td i a g n o s i sd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ek e yi s s u e sa r et oa n a l y s i s a n de x t r a c tt h ef a u l ts i g n a l s ，w h i c ha r ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h ev e r a c i t yo ff a u l t d i a g n o s i sa n dt h er e l i a b i l i t yo ft r o u b l ep r e d i c t i o n s o ，i nt h eb r o k e n r o t o ra n a l y s i s m e t h o d s ，t h ea d a p t i v ef i l t e r i n ga n dt h ed i g i t a lf i l t e f i n gb a s e do nh i l b e r t a n a l y t i c a lm e t h o d su s e dt oi n c r e a s et h er a t i oo ft h es i g n a l t o n o i s e f r o mt h e p r e s e n t a t i o no f r e f e r e n c e s ，i ti ss h o w e d t h a tt h ea d a p t i v ef i l t e r i n ga n a l y s i sm e t h o d n e e d sh u g ec a l c u l a t i o n s ot h ed i g i t a lf i l t e ra n a l y t i c a lm e t h o db a s e do nh i b e r t t r a n s f o r m a t i o ni sa d o p t e di n0 1 1 1 s y s t e r m a n dt h ee x a m i n a t i o nr e s u l t sh a v e t e m i f i e dt h a tt h em e t h o dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ef a u l td i a g n o s i so f b r o k e nb a r si nm o t o t sr o t o r - 竺至耋墨三查耋三兰矍：兰堡篓圣 t h em a i np a r to ft h es o f t w a r es y s t e mi sb a s e do nc + + b u i l d e rp r o g r a m m i n g l a n g u a g e t o c o m p l e t e t h e p a r a l l e l i n t e r f a c e m o n i t o r i n g o ft h ed s o - 210 0 p a r a m e t e r ss e t u p ，d a t ac o l l e c t i o n ，a n dt h ed o m a i nd a t as h o w i n g i no r d e rt o r e d u c et h es o u r c ec o d ec o m p i l a t i o n , t h em i x e dp r o g r a m m i n gm e t h o do fc + + b u i l d e ra n dm a t l a bi su s e dt or e a l i z et h es i g n a ls p e c t r a la n a l y s i sp r o c e s s i n go f t h eb r o k e nb a r s ，t h ef r e q u e n c ys p e c t r u ms h o w i n ga n dt h ep e a kd a t ad e t e c t i n g t h r o u g ht h em e t h o dt h ef u n c t i o n so f t h ea u t o m a t i cd i a g n o s i sa r ea c h i e v e d i no r d e rt oc o n f i r mt h ed i a g n o s t i cs y s t e ma c c u r a c y , t h es y s t e mc a r r i e do n t h eo n - l i n ed i a g n o s i st ot h et w of a u l te l e e t r o m o t o r s a n dt h e n 血et e s tr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h er e a l i s t i cs i t u a t i o n t h r o u g ht h ed i a g n o s i s w ec a l lo b t a i nt h a t w h e nt h ee l e c t r o m o t o r su n d e rt h es a m eb r e a k d o w nd e g r e e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c yv a l u ee n h a n c e sa l o n gw i t ht h el o a di n c r e a s e ；u n d e rt h es a m el o a d ，t h e c h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yv a l u ei n c r e a s e sa l o n gw i t ht h eb r e a k d o w nd e g r e ea n dt h e e l e c t r o m o t o r ss p e e dr e d u c ea l o n gw i t ht h eb r e a k d o w nd e g r e e a tt h es a m et i m e w ea l s oo b t a i nt h a tt h ef a u l te l e c t r o m o t o r sc o n f o r mt ot h el a wt h es p e e dr e d u c e a l o n gw i t ht h el o a di n c r e a s e k e y w o r d s m o t o rf a u h ；c u l t e u ti n s p e c t i n g ：f a u l td i a g n o s i s ：b r o k e n b a r s ： m i x e dp r o g r a m m i n g 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文感应电动机故障信号处理 方法的研究及软件实现，是本人在导师指导下。在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担 作者签名： 宴4 蹋网 、 日期：卿f 年3 月b 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 感应电动机故障信号处理方法的研究及软件实现系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保馥凸 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：空 ) 确两 日期：铆f 年3 月届日 刷稚辄彩坤阻( 战) 聃：硎年；月c ；日 哈尔滨理- 大学t 学顾学位论文 第1 章绪论 1 1 故障监测与诊断技术简介 设备故障诊断技术c d t ( m a c h i n ec o n d i t i o nd i a g n o s i st e c h n i q u e ) 是二十世 纪六十年代后半期在美国出现的。其基本原理是根据机械、电气等各类设备进 行过程中产生的各种信息，实现设备在带负荷运行时，或基本上在不拆卸的情 况下，通过对其状态参数的检测和分析，判断是否存在异常和故障以及故障的 位置和原因，并对设备未来状态进行预测，故它又称为机械故障诊断。 故障检测及诊断技术分为两类，一类是以被诊断系统的数学模型为基础的 技术，第二类是以观测数据为基础的技术。基于数学模型的技术主要用于电力 和化工领域，少数简单的机械系统诊断也用了这类技术，其思想是对放诊断对 象建立有关的包含故障特征的微分方程，采用参数或状态估计技术，对系统的 参数、状态和特征函数进行预测、估计和判断。这种方法仅适用于那些有条件 获得精确数学模型的系统。而以观察数据为基础的诊断技术主要思想为：在掌 握诊断系统信息传递性的基础上，认为测量数据与诊断源存在着因果关系，采 用信号处理手段分析测量数据，提取与故障信号相关的特征量，运用模糊数学 和统计方法判断观测对象的运行状态，探明故障的性质、位置和严重程度”。 电机故障诊断技术发展到今天已经经历了三个阶段： 第一阶段：诊断结果在很大程度上取决于领域专家的感官和专业经验，对 诊断信息只作简单的数据处理，比如人工的定期维修制度。 第二阶段：是以传感器技术和动态测试技术为手段，以信号处理和建模处 理为基础的现代化诊断技术，在工程中得到了广泛的应用。 第三阶段：为了满足复杂系统的诊断要求，随着计算机及人工智能的发 展，诊断技术进入以知识处理为核心，信号处理、建模处理与知识处理相融合 的第三发展阶段智能诊断技术阶段”。 1 2 电机故障诊断系统的研究概况及发展方向 1 2 1 研究概况 电机故障诊断技术是设备诊断技术的一个部分，由于电机的工作原理和结 l 构上的种种特点，其诊断方法和采用的检测技术和其它设备有所不同。电机状 态监测和故障诊断涉及的知识领域主要有：电机理论、电磁测景、信号处理、 计算机技术、热力学、绝缘技术、人工智能等”1 。在二十世纪初，各国纷纷对 电机的故障诊断技术进行了研究，发现只要电机出现故障，电机电流必定重新 分布，由于电流的变化肯定会引起电机磁场的重新分布。1 9 7 8 年j u f e r 用数学 的方法推断出电机转子断条故障是如何对供电电流进行调制的”l ，这一推断在 1 9 8 2 年得到h a r g i s 等人的支持”1 ，并阐述了检测电机转子故障的几种方法：定 子电流法、转速波动法和振动分析法。k a m a s h 证明了故障可以通过定子铁心 的振动来检测。同年，s t e e l e 提出，感应电动机绕组和端环故障能够通过监测 定子电流的方法加以检测”。w i l l i a m s o n 也提出了一套完整的旋转磁场理论 嗍，说明电机在恒速运行情况下，转子导条和端环故障是怎样对定、转子电流 产生影响的。1 9 9 8 年，w i l l i a mt o r b a tt h o m s o n 提出了利用有限元分析法和快 速傅里叶变换( f f t ) 对三相感应电机定子电流进行分析，提取故障特征频率 来判断电机转子故障发生的原因“1 。随后s a y a r i 也提出了对电机振动信号 采用有限元分析法来检测气隙偏心故障“”。2 0 0 1 年，z h o n g m i n gy e 提出了基 于小波包分解和人工神经网络方法的三相感应电机在线转子导条断裂诊断方 法，利用小波包变换将信号从时域转换到时频域，然后在时频谱中计算特征系 数，这些系数用来区分正常和故障状态，故障诊断的过程则由人工神经网络来 执行“”。w i l l i a mt 分析了短时f o u r i e r 变换和w i g n e r 分白在感应电机转子断条 故障诊断中的不足，并通过空载起动定子电流的小波变换幅值来判断断条的严 重程度，不过三维谱图的故障特征显示不是很明显“”。 二十世纪九十年代初我国也开始在电机故障领域垦探索。如1 9 9 0 年，温仲 元提出了通过分析电机电流对感应电机故障进行诊断“”。1 9 9 1 年，黄志勇提出 了定子电流谱分析法诊断电机故障“”。1 9 9 2 年，清华大学的姜建国提出了基于 最优原理的噪声抵消法和模式分类法，并介绍了这两种方法在电机故障诊断中 的应用实例“”。1 9 9 3 年，清华大学的窦玉琴、付立军通过测量电机的轴磁通和 电流信号分别进行了断条和偏心模拟试验“”。1 9 9 4 年，哈尔滨工业大学的王风 昌曾用频谱分析仪分析过模拟断条故障电机的频谱，得出与国外号家相同的结 论。哈尔滨理工大学的时献江利用计算机分析了数十台电机的电流频谱，用来 分析电机及其拖动设备的故障，编制了专门的软件，并取得了一例断条诊断成 功的实例m ，嘲。1 9 9 5 年，北京理工大学的周东华首先建立了电机的七阶动念模 型，然后基于一种强跟踪滤波器和修正的贝叶斯算法对在线故障检测进行了仿 真研究“。1 9 9 6 年，叶立明提出了电机常见故障的模糊诊断法2 1 。1 9 9 7 年。清 2 哈尔滨理t 大学t 学够卜学位论文 华大学邱阿瑞提出了提取感应电动机转子故障特征的新方法。，通过对电动机 定子电流信号作h i b e r t 变换解调处理，提取故障特征分量，试验结果表明此方 法适用于负荷波动较大的电动机转子故障的诊断1 。1 9 9 7 年，清华大学自动化 系叶吴提出一种基于小波分析的动态系统故障检测方法该方法不需要模型， 具有灵敏度高、克服噪声能力强的特点。1 9 9 8 年，华北电力大学许伯强提出 了连续细化分析的傅立叶变换方法，但是要借助异步电动机定子电压过零时刻提 取电路。该方法可以提高检测转子断条故障的灵敏度1 。2 0 0 1 年，许伯强对用 小波包分析实现转子断条在线检测作了可行性研究，指出根据电动机定子电流 信号的小波包分解系数完全可以检测转子断条故障。在此基础上，提出了一种 新的基于小波包分析的转子断条在线检测方法，其突出优点在于可正确识别电 动机转子断条故障与负荷波动”1 。2 0 0 2 年，中船重工集团公司7 1 2 研究所李明 勇提出用b u r g 算法的a r 谱估计方法来诊断异步电机转子断条故障。2 0 0 3 年，蒋斌，颜钢锋对谐波小波所存在的时域特性差的缺点，提出了一种改进的 具有良好时频域局部特性的谐波小波，并基于改进的谐波小波，给出了一种新 型的异步电机转子断条故障特征检测方法，即利用复小波变换从笼型异步电机 启动过程时的定子绕组电流中提取故障特征分量。2 0 0 4 年，刘振兴，尹项根 提出了以平均瞬时功率为监测量进行鼠笼式异步电动机转子复合故障的监测与 诊断方法，该方法不需要已知电动机的定、转子参数，可以实现复合故障的准 确分离1 2 0 0 4 年，华北电力大学电气工程学院许伯强首次将连续细化傅黾叶 变换、自适应滤波、转子齿槽谐波转差率估计、检测阈值自整定技术有机结 合，形成了笼型异步电动机转子断条故障检测新方法”。 到目前为止，对感应电机的故障检测方面的研究大部分仍采用对电机定子 电流的检测“，通过各种方法对信号进行分析”，提取故障特征频率，并 根据特征频率下幅值的变化，判断电机故障的类型。 1 2 2 发展方向 随着诊断技术的发展，诊断系统也在不断更新。目前故障诊断系统的发展 方向主要趋于以下几点： 1 便携型：图1 1 为美国e n t e k 公司的m m 故障诊断系统的结构框 图，与以前的诊断系统相比，它在结构上已经简化，硬件只采用了传感器和频 谱分析仪，其他的功能基本上都用软件来实现，大大减小了系统的体积，携带 比较方便。但同时我们也可以看到，尽管m m 系统结构上已有很大的简化， 哈尔滨理工大学 学硕十学位论史 但它采用了频谱分析仪对数据进行频谱分析，这在一定程度上对现场测试是很 不方便的。若将频谱功能由软件完成，那么距离真正的便携型产品又将边进一 步。 图1 - 1e n t e k 公司的m m 专家系统框图 f i g 1 - im me x p e r ts y s t e md i a g r a mo f e n t e k c o m p a n y 2 智能型：诊断技术发展到今天已经进入到智能阶段，而诊断系统是与 诊断技术的发展相辅相成的，所以对于今天的诊断系统智能化是它的一大特 点。所谓诊断系统的智能化就是它可以有效的获取、传递、处理、再生和利用 诊断信息，从而具有对给定环境下的诊断对象进行成功状态识别和状态预测的 能力，它是由人、当代模拟脑功能的硬件及其必要的外部设备、物理器件以及 支持这些硬件的软件所组成的系统，该系统以对诊断对象进行状态识别与状态 预测为目的。在m m 系统中，软件根据频谱分析结果对电动机的转子和偏心 故障进行诊断，为用户提供详细的诊断报告，同时还完成对频谱分析仪的设冒 和自动控制。可见，该系统在某种意义上讲，可以称为智能型的产品。但若将 人工神经网络系统应用于其中，必将为开发智能化的诊断系统锦上添花。 3 经济型：一种产品若想占领较大的市场，被更多的人接受，除了它的 功能强大之外，还必须保证价格低廉。这就要求系统开发的成本要降低到能够 被大多数人接受的程度，因此诊断系统经济性将是未来发展的一个重要趋势。 1 3 电机故障诊断的必要性 现代工业生产及我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机。电机已是 当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。电机的数量之多，应 用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之相比的。众所周知， 电机类型很多，每类电机又有不同规格、结构形式和使用条件。而解析每台电 机，其内部结构又可分为机械结构、电路、磁路、绝缘结构等部分。电机运行 对润滑、通风、安装环境又有很多具体要求。电机的故障现象比较复杂，而且 与电机类型、运行方式、负荷性质、安装调试、制造质量等诸多因素有关，因 此，电机维修工作的技术难度较大，要求维修人员具有较高技术水平与经验， 才能发现和判断电机故障。鉴于上述原因，将各种设备诊断技术迅速用于各种 运行方式的各种类型电机的故障诊断，是一项十分迫切需要解决的任务。电机 啥尔滨理丁大学t 学硕十学竹论文 故障诊断的目的就是要依据设备振动、噪声、温度、压力等参数的变化，来判 断和识别设备的工作状态。对故障进行早期预报、识别保证设备安全、稳定、 长周期，满负荷优质运行，提高经济性和安全性。为了减少故障停机造成的损 失，在生产中应用电机故障诊断技术，改变维修方式，减少突发性的事故停 产，降低维修费用，其经济效益比较显著，。 电机绕组故障主要包括转子断条，定子绕组匝间短路及定子绕组过热故障 发生概率如表1 1 所示，本文将分析其故障特征，研究其检测方法。必须指 出，这里所说的“故障”是指渐进性( 初发性) 故障，而非速断性( 灾难性) 故 障。 表1 1 感应电动机故障类型及其发生概率 t a b l e1 - lf a u l t t y p e s a n d o c c u r l e n c c $ o f i n d u c t i o n m o t o r 故障类型 发生概率( ) 转子断条 约1 0 定子匝间短路约1 5 定子绕组过热约6 根据表1 1 可知，异步电动机绕组故障是经常发生的，研究其检测方法具 有重要意义对异步电动机绕组故障进行早期检测，可以向现场工作人员提供 必要信息以合理安排、组织预知维修、避免事故停机，具有显著经济效益。 1 4 研究的主要内容 本文主要对感应电动机转子故障信号处理方法进行研究并对诊断系统的软 件进行设计。研究的内容主要有： 1 本文首先对感应电动机常见故障类型和诊断方法进行总结，对 电机转子断条、气隙偏心等故障原因，故障机理进行详细分析。最后确定采用 基于信号分析法中的定子电流检测法对电机转子断条故障进行在线诊断。 2 为了能够准确的提取故障特征信号值，克服其它于扰信号的影响，本 文对自适应滤波、希尔伯特变换的解调原理及在转子断条故障诊断中的应用进 行分析研究。分析得到基于希尔伯特变换的数字滤波方法可以达到这个目的。 3 采用c + + b u i l d e r 编程语言，完成系统对d s o 2 1 0 0 的并口硬件监 测，参数设置、数据采集以及数据的时域显示功能。通过调用m a t l a b 引擎 完成信号的分析处理，实现系统的自动诊断功能。 竺垩堡矍三奎兰三茎窒：兰竺丝兰 4 采用本系统对两台电机进行模拟断条在线检测。来验证本系统诊断 结果与实际情况是否相符。最后对采集得到的信号进行分析，总结出相应的结 论。 一6 - 窒玺至耋三查兰三兰堡圭兰垒丝耋 第2 章常用故障诊断原理及诊断方法的研究 2 i 常见故障类型 异步电机的故障是多种多样的，也很复杂，常见的电磁及机械故障有以下 几种： 1 转子绕组匝间短路、相间短路和绕组接地故障这种故障出现的原 因，主要是由于电机长期运行发热，绝缘老化或工作环境中水分、尘埃等物质 与绝缘相互作用，使绝缘击穿，以及电机工作中由于各种电磁力、机械力的冲 击作用，也可使绝缘损坏。 2 鼠笼式转子的断条、裂环、弯曲变形等故障。这种故障出现的原因有 生产制造过程中的潜伏隐患，运行过程中的疲劳损坏，以及起动、过载运行中 有较大的热负荷、电磁力冲击等。 3 转子偏心故障。可分为静态偏心和动态偏心两种类型。静念偏心，主 要是由于定子铁心呈椭圆形或定转子定位不准确( 即定转子不同轴心) 引起的。 而动态偏心是由于转轴弯曲、高转速时机械共振或轴承损坏等原因引起的。 2 2 常见故障诊断原理 2 2 1 转子断条诊断原理 在冷却效果较差时，起动电流产生的热应力和机械应力较大，当在重载和 频繁起动情况下，导条与端环焊接处是经常发生开焊和断裂的部位。 笼型绕组断条的发生和发展过程如下： 1 在即将断裂的部位经常出现过热、很高的热应力或机械应力。 2 达到疲劳极限时导条断裂，并产生电弧。 3 在继续起动时，相邻的导条通过更大的电流，并承受更大的机械力和 热应力。 4 。造成更多导条断裂，故障更加扩大，产生较大的单边磁拉力，使电机 产生振动、噪声、定子电流摆动、温升增加以及转速波动。 理想的感应电动机定子电流的频率是单一的，即电源频率。但是当转子回 哈尔滨理工大学t 学碜士学位论文 路出现故障时，定子电流频谱图上就会在与电源频率相差二倍转差频率( 2 颐) 的位置上各出现一个边频带，这一现象已经由英国h a r g i s 等学者的理论所证 实，并且特征频率( 1 一知) 石和电源频率，石非常接近，两者相差约为o 5 5 h z 。 一台极对数为p 的感应电动机，当电网供电频率为时，电机定子绕组上 将产生磁动势帆，其基波表达式为： 玛= 五 s m ( 彩t p 一) ( 2 一1 ) 式( 2 - 1 ) 中蜀与极对数、绕组系数有关的常数； 定子绕组每相匝数； 定子电流； 口电网角频率： 护以机械角度表示的初相角转子绕组相位角。 妒= 口一国，r 式( 2 2 ) 中国，转子旋转角速度。 对于两极( p = 1 ) 电机来说，其磁动势为： = 墨1 s i n ( 一q ) f 一) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 转子转速与定子旋转磁场之差即为转差率，转子绕组在定子旋转磁场作用 下，将感应电势产生电流，建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动势，转 子磁动势基波的表达式为： m 2 = 如2 ls i n ( ( 国一q ) f 一妒) ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 5 h墨与极对数和转子绕组系数有关的常数； 转子绕组匝数： l 转子电流。 当转子绕组存在故障时，例如，有一根断条时，转子电流的磁动势被 s i n 2 # 所调制，这时转子绕组磁动势将变为以下表达式： ，= k 2 2 ls i n ( ( 缈一，) t - # ) s i n 2 # ( 2 - 5 ) 因此， 伤= 半 c o s ( c o - - ( o r ) 妒 c o s ( ( 0 - o r ) 州 ( 2 - 6 ) 由于转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的，并将式( 2 3 ) 代入，则得到反 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 映定子磁动势的表达式为： = = 半 c o s 一物，) r 一3 p 一c 。s ( 一2 q ) r + 护 ( 2 - 7 ) 对于两极电机，其转差率： j ：竺竺 m ( 2 - 8 ) 即( - o r - - 0 - s ) o , ( 2 9 ) 式( 2 - 9 ) 代入式( 2 7 ) 即得： 埘，= ! 学 c o s ( 3 2 s ) m t - 3 0 - - c o s ( 1 2 s ) c o f 一口 ) ( 2 一l o ) 由式( 2 1 0 ) 可以发现，磁动势表达式中第一项磁动势分量含有3 c o t 和阳， 将在三相定子绕组中产生一个零序电动势，此电动势对电源电流并无影响。第 二项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2 s c o 的分量，这个分量将使异步电 机定子绕组中出现一个比电源电流角频率低2 s e a 的三相电流分量，它与电源电 流频率十分接近，由于它的调制作用，定子电流将会出现周期性变化，电流周 期性的脉动将使定子电流表指针发生摆动，也使电机的转矩随之而脉动，从而 使异步电机转子转速也将按2 倍转差频率而波动。 转速波动将使异步电机的电流在以电源频率为中心，在2 颤上、下限之 间变化，由于电机定子中三次谐波磁通的调制作用，这种转速和电流的波动将 更加明显。边频带电流和基波电流的比值，与感应电动机转子断条损坏程度有 着直接的关系“”。电机转子断条数目可2 ( 2 1 1 ) 式估计： n * 2 r i ( i i ，厶+ 2 p ) ( 2 - 1 1 ) 其中，和l 分别表示石和( 1 2 s ) f , 频谱幅值，r 表示转子铁心槽数，p 表示 电机极对数，表示转子断条数目l * o l 。 2 2 2 转子偏心故障诊断原理 由于制造公差和运行磨损，转子外圆和定子内圆之间会产生偏心。如果电 机存在静态偏一f l , ，转子中心偏离定子中心的距离为坑= 8 0 占，其中s o 为无偏心 时的均匀气隙长度，e 为- d , 于1 的小数，定义为相对偏心率。静态偏心后定 转子中心不完全重合，偏心的位置不随电机的旋转而变化，那么气隙长度只是 一个空间角度的函数： 兰筌堡墨三查兰：兰堡圭兰堡竺兰 艿8 0 - 4 1 - 2 e c o s 8 + 8 , 2r 2 1 2 ) 若电机存在动态偏心，由于转轴与定子同心，转子旋转时偏心的位置也在 变化，那么气隙表达式既是空间角位移的函数，又是时间的函数。总的来说， 由于偏心，使定转予间的气隙不均匀，设按余弦规律，则气隙表达式为： 6 p ，t ) - - - 6 0 - 3 , c o s ( o 一。f ) 式中， 口为机械角度，国。为转予旋转时，偏心气隙的旋转角速度。 静偏心t q = o ；若为动偏心，则q 将等于转子旋转的角速度，即： 国；q ：竺l ( 1 一s ) p ( 2 一1 3 ) 若转子为 ( 2 1 4 ) 考虑气隙偏心后，气隙磁场由下面五部分组成： 乱基波磁场： b 定子绕组和转子绕组磁势的齿谐波磁场； c 定子齿和转子齿谐波磁场： d 气隙偏心谐波磁场： e 磁路饱和谐波磁场。 包括a 、b 、c 的磁导谐波可表示为； a 。喇( 护，) = a 州删c o s 【( 玎。r + n 。s ) 口一胛。r 2 t 】 ( 2 - 1 5 ) h = o n - i o 其中震、s 分别为转子槽数和定子槽数，为转子角速度。 静态偏心磁导谐波为一空间函数，表示为： 旦 a 。( 9 ) = a 。e o s ( n ；0 ) ( 2 1 6 ) 儿暑。 动态偏心磁导谐波为时间和空间的函数，可表示为： 人幽( 口，f ) = a 耐c o s d ( p f - t ) ，) 】 曲 磁路饱和磁导谐波可表示为： ( 2 1 7 ) a 。( p ，) = a 。c o s n 。( 2 p o - 2 凹。f ) 】 ( 2 18 ) - o 由( 2 - 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 可得总的磁导谐波为： 竺查堡至三查兰三兰至三茎堡丝塞 人。( 口，f ) = a 。 如- 嘶- - a o 卸正o e o s ( n n r n , f l ，0 2 n 。p ) 一 【( 玎。r ”d ) c o ，2 n 。国l 】f ( 2 1 9 ) 由磁场理论可知，气隙合成磁动势可表示为： f ( a ，f ) = ( 口，r ) + l ( o ，f ) + ( 口，f ) ( 2 - 2 0 ) p口 其中兀( 口，) 是主波合成磁势，它是机械角位移口和时间f 的余弦函数。 可表示为： 厶徊，f ) = c o s ( p 8 一q t 一) ( 2 2 1 ) 式( 2 - 2 1 ) 中 ，主波合成磁势的幅值； p 主波合成磁势的极对数； q 主波合成磁势的角频率； 主波合成磁势的初相角 f a a ，f ) 是定子绕组谐波磁势，可表示为： 工( 口，t ) = e c o s ( v 8 一m l t 一伊，) f 2 2 2 ) 式( 2 2 2 ) 中e l ，次谐波磁势幅值； 钆v 次谐波磁势初相角。 l ( 口，f ) 是转子绕组谐波磁势，可表示为： 厶( 口，f ) = f e o s l u e 一埘，t 一吼) ( 2 - 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中 次谐波磁势幅值5 矿。次谐波磁势的初相角； 国。次谐波磁势相对于定子的角频率。 将( 2 1 5 ) 式和( 2 1 6 ) 式相乘，可得到一系列谐波磁场， b ( o ，) = 口榭ne o s ( m ，e - f ，口) + 巩，m e o s ( m ，口一q ，f ) ( 2 - 2 4 ) 埘j ，q 珥胛， 式( 2 - 2 4 ) 中辨，= 打h 矗r l u s 疗，k + 2 n , o p n a p q ，= ( 以h r 万一) c o r + 2 n 埘0 9 l 厅w c 吼 m ，= n h r n , f l 珂。疗d 2 n 埘p 玎毋p 哈尔滨理工大学工学劫士学位论文 q r = ( 玎胄疗d l i a r p ) c o ，2 n 甜印2 i 1 w r $ o ) 2 式中 ”。定子磁动势时日】谐波次数； 厅。转子磁动势时间谐波次数： 捍。定子空间谐波次数； 转子空间谐波次； 疗任意整数； 偏心次数，0 ，l ，2 静态偏心时n 。= 0 ； 动态偏心时n a = 1 2 。 可见，磁通密度为时间和空间的函数，在时间上其变化频率为： 五l = i ( 。r d ) ( 1 一s ) p 2 n 。疗。m ( 2 2 5 ) 一般取一。= 0 ，所以有： 缸；i ( 足) 坦n 。k ( 2 - 2 6 ) l p j 感应电动机转子有偏心后，定子电流中因齿槽磁导变化所引起的高频谐波 强度增强。谐波磁通的变化，在定子绕组上感应出电流谐波，因此，在定子电 流的频谱中检测该谐波频率成分，就可以诊断电机的偏心状况，这也成为在线 监测异步电机转子有无偏心的依据。 2 3 常用故障诊断方法 在实际运行过程中，鼠笼电机故障一般多出在转子上，而且以转予断条和 静动态偏心居多，因此国内外进行的研究工作正着重于转子断条和偏心故障诊 断技术的发展上。转子故障是作用于转予的各种压力综合作用引起的，所以故 障发展过程中电机的各种物理化学表征就成为检测故障特征信号与判断电机状 态的依据。当存在转子断条或静、动态偏心时，气隙中会产生谐波磁通量它 在定子线圈中产生感应电流，由于它对供电频率的调制作用，引起铁心振动及 转矩和速度等技术指标和定、转子电阻的变化。因此我们就把这些变化作为故 障特征信号，以此进行故障诊断。目前已有的用于三相感应电动机故障检测的 方法主要有基于参数估计和基于信号分析两种方法。基于信号分析法有定子电 流检测法、感应电压检测法、转矩谐波检测法、轴向磁通和轴向振动检测法， 转速检测法和模式分类法，其中定子电流检测法采用最为普遍。 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 2 3 1 参数估计法 平衡、稳态运行的感应电动机通常可用单相模型来描述，如图2 1 所示。 图中r 为定子电阻，耳为转子电阻，t 为定子电感，l ，为转子电感，m 为 定、转子互感，虬为定子电压，为定子电流，f ，为转子电流。 图2 - 1 平衡、稳态感应电动机单相模型 f i g 2 - ie q u i l i b r i u ma n dm a d ys i n g l e - p h a s em o d e lo f t h ei n d u c t i o nm o t o r 当电机出现故障时，r 。、r ，、工。、三，或m 必将发生变化，因此待估计的 参数通常选为r 。、r ，、工，、三，、m 或它们的组合。一般而言，将定、转子电 阻作为待估计参数会取得较好效果，但电机温度的变化会引起转子电阻的明显 变化，例如，对于铸铝导条，当温度从2 0 上升到1 0 0 ，电阻率将上升 3 4 。这种由温度引起的转子电阻的变化往往会使人误解为是由转子断条引起 的，所以需要由热模型来补偿转子电阻的热变化，经过温度校正后，所测得的 电阻变化才是由故障引起的。因此使电机在定载、变载等不同的工作情况下运 行，同时采集。和，由正常电机的数学模型，经数学处理( 如最小误差估计、 贝叶斯分类算法等) 可得到多阶故障模型及其输出方程，根据己知条件算出故 障电阻，将该值与电机标准转子电阻相比较即可判断转子有无故障。 2 3 2 信号分析法 2 3 2 1 定子电流检测法鼠笼型异步电机转子的每一根导条都相当于单匝，短 极距、单相绕组，转子电流包括以滑差频率旋转的基波电流和以同样频率反向 旋转的电流，当转子正常时，反向电流之和为零。而当转子出现断条或偏心 时，其和为非零，该反向分量就在定子线圈中感应出相应的频率成分，如式( 2 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 所示： 哈尔滨理工大学t 学母 学位论史 抽- ，字地 z ，名曲= 【( 1 一s ) ( 6 后1 ) 土s 】石 其中式( 2 - 2 7 ) 为转子偏心引起的定子电流谐波成分， 起的定子电流谐波成分。 ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 式( 2 - 2 8 ) 为转子断条引 式中p 为电机极对数； r 为转子铁芯槽数： 为动态偏心级数，当存在静态偏心时，为0 ，存在动态偏心 时，嘞为1 ； 托。为定子磁动势谐波次数； ，= 为供电频率； 厶。为故障频率； s 为转差率； 后为整数( 0 ，1 ，2 ) 当k 为0 时，式( 2 2 8 ) 故障频率为2 9 , ，称之为二倍转差频率。由于它对供 电频率的调制作用，以致在供电频率两侧出现边带，频率分别为( 1 十2 j ) 和 ( 1 2 s ) 石，因此通过检测定子电流频率中的特征频率成分来判断电机转子有无 断条和偏心故障以及故障程度，就成了定子电流法的检测依据。 2 3 2 2 感应电压检测法这种技术是指在内部定子齿、定子轭或在外部机座上 放置探测线圈，当电机完好时，线圈中的感应电压频率为基频频率，而当转子 导条断裂时，气隙磁场中出现一个反向旋转的磁场使得气隙磁场发生畸变，并 以滑差频率脉动。因而与导条断裂相关的磁场以式( 2 2 9 ) 所示的特征频率在线 圈中调制出感应电压，该电压是时间或者是频率的函数。该故障频率会随着负 载和供电电压的增加而更加明显。所以使电机在不同的负载和不同的供电电压 下运行，同时用快速的数据采集系统采集线圈内的感应电压数据，并进行高分 辨率频谱分析，由边频带分量来确定转子导条是否断裂。 厂，、 知= l 丛i o - s ) + s f ( 2 2 9 ) p 2 3 2 3 转矩谐波检测法在转子无故障的平衡三相感应电机中，前向旋转的磁 场与转子电流相互作用产生稳定转矩输出，而故障电机，磁场中将产生反向分 量，该分量同样与转子电流相互作用，产生二倍转差频率2 轿的转矩波动叠加 于稳定转矩之上因此转子故障就产生了低频转矩谐波，进而会导致噪葺和振 哈尔演理t 大学_ 学硕七学伊论文 动的增加。转矩的波动可用各种转矩传感器进行测量，使电机运行于多种负载 下，应用数据采集系统在线采集数据，井对转矩频谱进行分析。根据其二倍转 差频率的有无可以判断转子故障是否存在。 2 3 2 4 转速检测法具有转子断条