（电机与电器专业论文）基于emd与zoomfft结合的感应电机转子断条检测.pdf

a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o r sa r ew i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wp r i c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mi n d u s t r i a ls y s t e m ，t h ec a p a c i t yo fas i n g l e m o t o ri sk e e p i n gi n c r e a s i n ga n dt h el o a di sa l s ob e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e dn o w a m o t o rf a i l u r en o to n l yc a nr e s u l ti nd a m a g et ot h em o t o r , b u ta l s ou n s c h e d u l e d m a c h i n ed o w n t i m ea n dt h es h u t d o w no fap r o d u c t i o nl i n e ，w h i c hw i l lc a u s eh e a v y f i n a n c i a ll o s s e sa n dc a t a s t r o p h i cf a i l u r e s t a t i s t i c a ls t u d i e sh a v es h o wt h a tt h er o t o r b r o k e nb a rf a u l t w h i c ha c c o u n t sf o rn e a r l y10 o ft o t a li n d u c t i o nm o t o rf a i l u r e s ，i s t h em o s tf a m i l i a rf a u l tf o ri n d u c t i o nm o t o r s i n d u c t i o nm o t o rr o t o rb a rf a u i td e t e c t i o n h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n gi s s u e s i ti sw e l lk n o w nt h a tb r o k e nb a r sc a nb ed e t e c t e db ya n a l y z i n gt h es t a t o rc u r r e n t s p e c t r u m ，w h e nb r o k e nb a r so c c u r b r o k e nr o t o rb a r si ni n d u c t i o nm o t o rc a u s et h e p r e s e n c eo fs i d e b a n d sa tf r e q u e n c y ( 1 2 s 狮a r o u n dt h em a i nf r e q u e n c yc o m p o n e n t i n t h es t a t o rc u r r e n ts p e c t r u m ，w h e r e f ii st h es u p p l yf r e q u e n c ya n dji st h es l i p b u tt h e s i d e b a n dc o m p o n e n ti sm u c hc l o s e dt ot h em a i nf r e q u e n c y 石，a n di t sa m p l i t u d ei s v e r ys m a l l a l t h o u g ht h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) i sa ne f f e c t i v em e t h o da n d w i d e l yu s e di ns i g n a lp r o c e s s i n g ，i ti ss u i t a b l ef o rs t a t i o n a r ys i g n a lp r o c e s s i n ga n d s o m et i m ed o m a i ni n f o r m a t i o nm a yb el o s t r e c e n t l yd i f f e r e n td i a g n o s t i ct e c h n i q u e s ， w h i c hi ss u p e r i o rt ot h ef f t s p e c t r u ma n a l y z em e t h o df o rn o n s t a t i o n a r ys i g n a l ，h a v e b e e nd e v e l o p e dt oi d e n t i f yr o t o rb a rf a u l t s ，m o s to fw h i c ha r es t r o n g l yd e p e n d e n to n d e t e c t i n g t h et w i c e s l i pf r e q u e n c y m o d u l a t i o ni ns t a t o rc u r r e n t ，s u c ha s t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ，w a v e l e t a n dw a v e l e t p a c k e tt r a n s f o r m a t i o n ，h i l b e r t t r a n s f o r m a t i o n ，e ta 1 t h ep r i n c i p l ea n df e a t u r e so ft h er o t o rb r o k e nb a r si ni n d u c t i o nm o t o r , e s p e c i a l l y t h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d si nf a i l u r ed i a g n o s i sa n dt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a l s t a t o rc u r r e n tf o u r i e rt r a n s f o r md a t a p r o c e s s i n g a r e p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m a t i o ni san e wt y p eo fs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，w h i c hi s i d e a lf o rh a n d l i n gn o n l i n e a r , n o n - s t a t i o n a r ys i g n a l s t h i sa p p r o a c hi sa na d a p t i v e s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，w h i c hi n c l u d e st w op r o c e s s e s ：e m d ( e m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n ) w h i c h i st h em o s tc r u c i a l p a r t a n dh i l b e r tt r a n s f o r m a t i o n z o o m f f ti sar e f i n e m e n to ft h ee l e c t i o nw i t hf o u r i e rt r a n s f o r m h a sah i g h f r e q u e n c yr e s o l u t i o na n di sc o n d u c i v et os m a l ld i f f e r e n c e si nt h ef r e q u e n c y t h e r e f o r e ， a c c o r d i n gt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so fb r o k e n b a ri n d u c t i o nm o t o r s ，t h em e t h o do f e m da n dz o o m f f ti s p r e s e n t e di n t h i sp a p e rt od e a lw i t ht h es t a t o rc u r r e n t s a m p l i n gs i g n a l t h es t a t o rc u r r e n ti sf i r s t l yd e c o m p o s e dw i t he m d t h e nt h ei m f ( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ) c o m p o n e n tw h i c hc o n m i n st h eb r o k e nb a rf a u l tf e a t u r ei s s p e c t r u ma n a l y z e db yu s i n gz o o m f f t t h ep r o p o s e dm e t h o di sd e m o n s t r a t e d e f f i c a c i o u s l yb yt h es t a t o rc u r r e n ta n a l y s i sr e s u l tf r o mt h es i m u l a t i o na n da c t u a l m e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：i n d u c t i o n m o t o r ；r o t o rb r o k e nb a r s ；e m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n ；i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ；z o o mf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：认讧茛 签字同期：客年占月2 吕同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：狄讧霞 导师签名： 1 髯釜了。 签字日期：缈莒年岁月订目。签字日期：弘g 年月功日 第一章绪论 1 1 课题的现实意义 第一章绪论 随着经济建设的发展和电气化程度的提高，感应电机作为一种驱动设备，以 其结构简单、价格低廉、使用方便而在工农业、交通运输、国防工程以及日常生 活中取得了广泛的应用，是一种用量最大、覆盖面最广的电机。比如在电力系统 的各类发电厂中，除了作为系统核心的少数几台发电机外，其余的辅助动力设备 几乎全部是由感应电机组成，如球磨机、输煤机、给水泵及风机等；在其他工业 领域，如钢厂的轧钢机、矿井提升机、化工厂用的压缩机、建筑业用的起重机、 海上石油钻井平台和船舶上的旋转机械等大部分都是由感应电机驱动剃卜3 | 。 感应电机作为动力设备并且使用量较大，其正常工作对保证生产过程的安 全、高效、敏捷、优质及低耗运行意义十分重大。通常情况下，感应电机结构比 较牢固，其寿命也比较长，但是由于感应电机的自然老化以及电机制造水平、运 行管理水平、检修质量等方面的限制，其寿命终究是有限度的。如电力系统中的 高压电动机必须反复启动、制动，运行机制非常复杂，加上电机本身某些结构设 计不合理，生产制造时存在缺陷，故障隐患非常多。有时人为的操作不当甚至违 章操作等，也会使电机寿命大打折扣。如能及时发现感应电机故障，并能在故障 早期进行维修，则可延长电机的使用寿命；反之，则其故障状态将迅速蔓延，造 成恶性事故一一j 。 在实际中，大多数电厂为了预防故障的发生，采用设备轮换制，例如一个季 度就将正在运行的机组的所有电机换下来检修。采用这种措施对预防电机意外故 障具有一定的积极性，但也有很大的盲目性，势必会出现以下两种情况：一方面， 完好无损的电机拆下来检修会浪费大量的人力物力，并且可能由于拆卸、重装时 的意外而造成人为的故障隐患；另一方面，电机在未到轮换期的时候发生故障， 不能被及时发现，会使故障不断扩大，造成严重事故，导致系统无法正常的工作。 另外，计划检修要耗费大量的人力、物力、财力和时间，各类资源不仅没有得到 合理的利用，还减少了正常的生产时间，降低了生产效率，实际上也给企业造成 了很大的经济损失。市场经济的年代，现代企业都讲究减员增效、提高生产效率， 所以现代设备维修制度提出了按照设备运行状态进行预知维修的要求，这样不但 可以防范设备工作精度的下降，减少和杜绝事故的发生，而且可以最大限度地发 挥各设备的使用潜力、节约开支，具有重要的意义1 8 - 1 0 j 。 第一章绪论 因此，为使电机的安全可靠运行，对感应电机故障机理的分析、对电机故障 诊断方法的研究以及对电机故障诊断装置的开发都是十分必要的，不但具有重大 的理论意义，而且具有相当的工业、社会经济价值。 1 2 感应电机转子故障诊断技术研究现状 电机故障诊断技术是设备诊断技术的一个重要环节，而设备诊断技术则是近 年来兴起的一门包含很多科技内容的综合技术。其基本工作原理是根据机械、电 气等各类设备运行过程中产生的各种信息，判断设备运行是属于正常还是发生了 异常，进而识别设备或机器是否发生了故障。它能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，判定是否存在异常、 故障及故障的位置和原因，并对设备的未来状态进行预测。 1 2 1 感应电机故障主要类型及主要原因 感应电机是由定子、转子、轴承和气隙等几个部分组成，虽然其总体结构比 较简单，却具有极为复杂的机、电和磁等物理甚至化学的演变过程。长期运行的 感应电机，由于受到供电电源、负载性质、运行机制、安装环境以及地基等的影 响，其某些部件的性能会逐渐劣化，其中常见的故障主要有定子绕组的匝间短路、 转子导条及端环断裂、轴承磨损以及气隙偏心等 9 - 1 0 j 。 定子绕组匝间短路故障主要是同一相绕组相邻两匝线圈之间由于出现绝缘 破坏而发生的短路。感应电机的绝缘系统无论在机械强度、耐热性、对环境的抵 抗力以及耐久性等方面，都是电机结构中最为薄弱的环节之一，其发生故障的几 率也较高。定子绕组为了减少附加铜耗，通常在股线之间需要换位，在制造过程 中，线圈的压型或换位不当时，易造成匝间短路。另外，由于各种原因引起的碰 磨、老化、过热、受潮、污染和电晕等都会造成绝缘损坏，使短路线圈处温度较 高，长期发展下去将会引起周围绝缘破坏，导致更为严重的多匝线圈间短路，甚 至发生相间短路、单相对地短路等严重故障。 转子导条和端环开裂是感应电机最主要故障类别之一，大约占其故障种类的 l o 左右 1 2 - 1 3 】。感应电机在启动时，导条内短时间流过很大电流，不仅承受很大 冲击力，而且升温快，产生较大热应力，端环还要承受较大的离心力。反复的启 动、运转、停转，使导条和端环受到循环热应力发生变形，由于各部分位移量不 同，受力不均匀，加上生产及制造时导条的铸造质量、导条与端环的材质和焊接 也会存在一些问题，使导条在转子槽内不能充分紧固，最终造成导条和端环因应 力分布不均而断裂。转子导条断裂后继续使用会使与其相邻导条的应力增大，断 2 第一章绪论 条故障将进一步扩大，出现多根断条，导致电机烧坏现象，严重时还会由于转子 扫膛而擦伤定子铁芯，导致整机报废。 气隙偏心故障主要是由于长期运行中由于电机负载过重，使得轴承过热而发 生弯曲变形，造成转子与定子之间的气隙不均匀，有时候也会因为安装不良引起。 气隙偏心有两种类型：一种静态偏心，是由定子铁芯内径的椭圆度或装配不正确 造成的，与转子位置无关；另一种动态偏心，是由转轴弯曲，轴颈椭圆、临界转 速时的机械共振、轴承磨损等造成的，其偏心位置在空间是变化的，通常与转子 位置和旋转频率有关i l m l 2 j 。 1 2 2 感应电机转子故障诊断方法研究现状 由感应电机工作原理可知，其内部存在着几个相互关联的系统：电路系统、 磁路系统、绝缘系统、机械系统和通风散热系统等。所以，电机故障的起因和故 障征兆往往表现出多元性。有时一个故障，常常表现出多种征兆，比如电机转子 发生导条断裂时，就会出现振动增加，启动时间延长，定子电流摆动，转差率增 大，转速、转矩波动，温升增高等故障征兆，而且它们往往是相关联的；另一方 面，几个故障也可能同时反映出一个征兆，比如，电机振动增加，除了可能是转 子断条故障之外，还有可能是由定子绕组匝间短路、定子端部绕组松动、机座安 装不当、铁芯松动、转子偏心、定转子相擦、轴承损坏等故障引起。因此，对这 种运动状态复杂、影响因素众多的电气设备，必须对其结构、原理、运行特征、 工作方式、负载特征进行深入研究。目前已有的用于感应电机故障检测的方法多 种多样1 1 4 - 1 6 。 由于定子电流信号相对于其他参数受环境等外界环境影响最小，也因为电流 传感器安装方便而最容易获取，因此，长期以来是电机各类故障诊断的主要参数。 当感应电机发生转子断条故障时，定子电流中将引入频率大小为a r = ( 1 2 嘲( s 为转差率， 为电网频率) 故障特征分量。对感应电机定子电流进行傅立叶变换， 分析定子电流频谱中有无该故障特征分量及其幅值大小来判断电机是否存在转 子断条故障及故障严重程度，就是传统的基于定子电流频谱分析的转子断条故障 诊断思想f 1 7 0 引。但是，转子故障特征分量在故障初期相对于基频分量的幅值很小， 且电机稳态运行时转差率s 一般很小，导致频谱故障特征分量和基波的频率十分 接近，由于傅立叶分析时的频谱泄露的影响，故障特征分量往往被基频和环境噪 声淹没而难以识别，这也成为电机转子故障诊断长期以来的一大难题。 近年来，随着信号处理技术以及人工智能的飞速发展，基于定子电流信号的 转子断条故障定性分析涌出了很多成熟的方法，在保证电机可靠运行、降低维修 费用上表现出良好的效果，因此基于定子电流信号分析的方法已广泛应用于电机 第一章绪论 状态检测与故障诊断领域。随着工业技术的飞速发展，感应电机越来越多的应用 于各种场合中，而电机在不同的运行条件下，对其诊断要求也可能存在很大的差 异，仅仅依靠定子电流信号的傅立叶变换频谱分析来解决感应电机转子故障诊断 问题，显然还有很多不足，比如如何识别转子断条故障与负荷波动、电机故障严 重程度因子获取等l l 牝1 。 综上所述，感应电机故障的有效、可靠诊断必须依靠电机故障及其对应征兆 的关联分析，同时电机运行参数的选择以及先进有效的信号处理技术也是决定感 应电机故障诊断可靠性的决定性条件。在现有信号测量装置和技术的基础上，首 先要选择那些比较敏感而又容易获取的参数如定子电流、电磁转矩、瞬时功率等， 其次要结合合理的信号处理技术对感应电机参数中的故障特征分量进行分析，从 而识别感应电机故障。 1 2 3 感应电机转子断条故障信号处理技术的研究现状 用于感应电机故障诊断的信号有振动、噪声、温度、压力、电流、电压等， 统称为检测信号。检测信号中蕴含了反映设备运行状态的重要信息，但一般情况 下很难直接观察出信号的特征，必须采用合适的方法对原始信号进行处理以提取 敏感的反映故障征兆的特征。故障信号处理技术就是对这些检测信号进行加工、 变换，提取出对诊断有用的特征量，所以信号处理技术在整个故障诊断过程中是 起着重要的桥梁作用。目前，常用的方法有信号时域分析方法、信号频域分析方 法和时频分析方法f 1 7 以9 1 。 ( 1 ) 信号时域分析方法 自适应滤波、时域平均与自相关分析是常用的几种时域消噪方法，这些方法 在消噪的同时保留了信号的时域特征，可用于分析信号特征。时间序列模型参数 与统计分析参数( 如方差、自相关系数等) 是常用的信号时域特征参数提取方法， 这些参数可用于电机故障诊断。 ( 2 ) 信号频域分析方法 以快速傅立叶变换( f f t ) 为核心的经典信号处理方法在故障诊断中发挥了 巨大的作用，它包括频谱分析、相关分析、相干分析、传递函数分析、细化谱分 析、时间序列分析、倒谱分析、包络分析等。常用的特征参数就是f f t 谱和功 率谱，f f t 谱的幅值和相位充分反映了信号的各个组成频率成分；功率谱是现代 谱分析方法的代表，特别适于分析短序列随机信号。 ( 3 ) 信号时频分析方法 短时功率谱方法 短时功率谱分析的基本思想是用一固定的滑动窗沿时间轴将信号截取，划分 4 第一章绪论 为短片段，允许前后片段之间有部分数据重叠，计算每一段短信号的功率谱，将 计算结果按时间顺序排列就可以观察出信号频谱结构的时变特征。短时分析方法 突出了信号的局部特征，己在电机监测、故障诊断中得到一定的应用【1 9 - 2 0 , 2 7 】。 时频分布方法 量子物理学家w i g n e r 和v i i l e 首次提出了w i g n e r - v i l l e 时频分布，c l a s s e n 等 人系统地研究了这种方法在信号时频分析中的应用，l c h o e n 提出的c h o e n 类时 频分布统一了在此之前所提出的各种时频分布，即各种时频分布都可以表示成原 信号的时频分布与一核函数的时频分布的二维卷积( 己经证明短时功率谱也是一 种时频分布) ，时频分布的性能是由核函数所决定的。信号的时频分布具有很高 的时频分辨率，但它不是待分析信号的线性函数，所以多频率成分信号的时频分 布中包含有严重的交叉干涉项，交叉干涉项的存在使时频分布容易受到噪声的干 扰，如何减少时频分布中的交叉干涉项也是目前研究的热剧列d 2 | 。 小波分析方法 小波分析是近年来出现的一种新信号时频分析方法，它通过一个变尺度滑动 窗沿时间轴对信号进行分段截取和分析，与短时f o u r i e r 分析很相似，但小波分 析中的滑动窗特性不是固定的，而是随着尺度因子而改变：在时间一频率相平面 的高频段，滑动窗的时窗宽度变窄而频窗宽度变宽，具有较高的时间分辨率和低 的频率分辨率，在时间一频率相平面的低频段，滑动窗的时窗宽度变宽而频窗宽 度变窄，具有较低的时间分辨率和高的频率分辨率。由于良好的时频局部化特征， 小波变换可以准确地抓住瞬变信号的特征，对信号中短时高频成分进行准确定 位，也能对信号中的低频缓变趋势进行估计，这一点正是小波分析的精华所在。 离散小波变换的基础上w i c k e r h a u s e r 进一步提出了小波包分析方法，可以根据信 号特征灵活地调整分析结果在各频段的时间分辨率和频率分辨犁2 2 。26 | 。小波分析 方法已在电机监测、故障诊断中得到一定的应用。 h i l b e r t h u a n g 分析方法 h i l b e r t h u a n g 变换是一种新型的信号处理方法，非常适合处理非线性、非平 稳信号。这种方法包括两个过程：经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ， e m d ) 和h i l b e r t 变换，其中最关键的部分是e m d 方法。e m d 方法基于信号的 局部特征时间尺度，能把复杂的信号函数分解为有限的内禀模态函数( i n t r i n s i c m o d ef u n c t i o n ，i m f ) 之和，每一i m f 所包含的频率成分不仅与分析频率有关， 且最重要的是随信号本身变化而变化，因此e m d 方法是自适应的信号处理方法。 更重要的是对信号进行e m d 分解后，使得瞬时频率具有了物理意义。自 h i l b e r t h u a n g 变换方法问世以来，它就引起了众多学者的极大关注。作为一种新 型的信号处理方法，h i l b e r t h u a n g 变换的出现虽只有短短几年的时间，但它已被 第一章绪论 广泛地应用于流体力学、结构动力学、地球物理学、机械故障诊断等领域 3 3 , 3 8 - 4 1 】。 1 3 本文主要目的和研究内容 在现今的工业生产中，电机故障的及时发现和在线检测成为人们关心的话 题。各国的专家和学者对电机的故障机理进行了大量的分析和实验，使电机故障 的诊断理论得到了深入的发展，也在工程应用中得到了不断的提升。转子断条是 大中型三相笼形异步电动机常见的一种故障，由于起动时绕组内短时间流过很大 的电流，绕组不但承受很大的冲击力，而且升温很快，产生的热应力和机械应力 较大，当在重载和频繁起动、停转的情况下，笼条与端环焊接处由于受力不均匀， 经常发生开焊和断裂，严重的使笼条翘起划伤定子，造成恶性事故。 感应电机检测转子断条的一般方法是判断定子电流中是否存在( 1 2 s 狮频率 分量，通常称为故障特征分量，其中而是电源频率，s 是感应电动机的转差率， 根据( 1 2 s 狮分量的幅值大小就可以判断电机断条故障程度的大小。所以本文的 研究目的是研究感应电机转子断条故障的信号处理方法，研究对采样数据采用何 种方法进行分析，可以方便、明显地判断出定子电流中是否存在故障特征分量， 为进一步的故障诊断做准备。 课题主要研究内容如下： i 在阅读大量国内外相关技术研究文献的基础上，通过对本课题研究的国 内外现状进行了全面、深入的调研，总结出国内外现有的电机故障诊断方法及各 自优缺点，对目前电机故障诊断技术所存在的几个关键问题进行归纳总结。 2 根据断条检测的原理，详细研究了检测定子电流中是否存在故障特征分 量而采用的各种信号处理方法，其中包括对应于电机稳态运行分析的定子电流信 号傅立叶变换频谱分析；对应于电机稳态运行时的时频分析。对于每一种信号处 理方法将给出简单的理论介绍、仿真计算验证。 3 h i l b e r t h u a n g 变换是一种新型的信号处理方法，非常适合处理非线性、非 平稳信号。这种方法包括两个过程：经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ， e m d ) 和h i l b e r t 变换，其中最关键的部分是e m d 方法。e m d 分析是当前信号 处理的热门研究课题，是一种自适应的信号处理方法。更重要的是对信号进行 e m d 分解后，使得瞬时频率具有了物理意义。因此根据感应电机转子断条故障 信号的特点，本文提出了将e m d 方法应用于故障信号检测中，发挥其自适应的 信号处理能力。 4 z o o m f f t 是一种选带的细化傅立叶变换，在进行频谱分析时具有较高 的频率分辨率，有利于分析频率差别小的频率分量。感应电机转子断条时的定子 6 第一章绪论 电流中存在( 1 2 s ) 频率分量，而对故障时的定子电流进行e m d 分解，只能得到 包含了不同特征时间尺度的i m f 分量，不能得到频率点的分析结果。z o o m f f t 虽无时间分辨力，却可以得到较高的频率分辨率，得到各频率点的分析结果。所 以，本文提出了将e m d 分析与z o o m f f t 结合一起处理感应电机转子断条时 的定子电流信号，即先对定子电流仿真信号进行e m d 分解，提取反映故障信息 的i m f 分量，再对该i m f 分量进行z o o m f f t ，可以取得较好的频谱分析结果。 5 通过仿真、实验，验证了此方法是有效可行的。 第二章感应电机转子断条故障分析 第二章感应电机转子断条故障分析 对于具体的故障诊断对象，必须通过故障机理分析，才能获取各状态特征， 进行有效的辨识，实现故障诊断。因此，要获取电机转子断条故障的特征量，只 有通过对电机这个诊断对象进行理论上的研究分析，才能进一步进行数据的处 理，提取故障特征量，实现故障诊断的目的。 2 1 感应电机转子断条故障的机理分析 感应电机转子故障大多数是导条断裂或端环开裂故障，这与转子导条的结构 有关，与电机运行特点有关，还与转子使用的材料有关。感应电机转子绕组中感 应电流大小与转差率有关，感应电机在起动时，绕组内短时间内流过很大的起动 电流，不仅承受很大的冲击力，而且很快升温，产生热应力，端环还要承受较大 的离心应力。反复的起动、运行、停转，使转子导条和端环受到循环热应力和变 形，由于各部分的位移量不同，受力不均匀，会使导条和端环因为应力分布不均 匀而断裂。另外从电磁转矩看，起动时的加速力矩、工作时的驱动力矩均是由导 条产生的，电机制动时，导条又承受制动力矩，由于负载的变化和电压波动时， 导条就要受到交变负荷的作用，容易产生疲劳。当电机绕组的铸造质量、导条与 端环的材料和焊接质量存在问题时，导条和端环断裂、开焊更易发生转子绕组故 障，还与绕组所用的材料有关。 大中型笼型三相异步电动机导条大多是铜条，铜条与端环之间的焊接是其制 造的薄弱环节。在冷却条件较差时，在电动机起动过程中，由于起动电流可达到 额定电流的5 7 倍，重载和频繁起动使转子导体在较长时间内有很大的电流通过， 致使转子导体过热，并产生很大的热应力和机械应力使转子导体疲劳，当达到其 疲劳极限时，转子铜条与端环焊接处断裂，并产生电弧。如果感应电动机继续运 行，相邻转子导体的电流也要增大，并承受很大的机械应力和热应力，造成更多 的转子导体断裂，这就是转子断条的发生和发展过程。 当转子出现断条后会出现以下现象，电机起动时间加长：通过窥视孔时常可 以发现电弧；由于转子导体过热，造成电机局部温度升高；定子电流摆动，转子 转速波动，使整个电机产生振动。这些都可以作为断条故障检测的特征量，但是 由于测量方法和仪器的限制，以上特征量都难以得到，在实际中经常使用定子电 第二章感应电机转子断条故障分析 流频谱分析法来检测断条故障，下面将介绍这种方法基本原理。 2 2 感应电机转子断条故障检测的基本原理 理想的感应电机定子电流的频率是单一的，即电源频率。但是当转子回路出 现故障时，定子电流频谱图上，在与电源频率相差二倍转差频率( 1 2 j 狮的位置 上将各出现一个旁频带，这一现象已被英国h a r g i s 等学者的理论所证实。 从旋转磁场的角度来阐述，感应电机以转速n ( 转差率为s ) 正常运行时， 定子电流只含有频率为万的基波分量，产生转速为n 。的同步旋转磁场，在转子绕 组内感应出频率为奶感应电动势，由于转子电路系统对称，转子绕组中的电流 对称，只产生正向的旋转磁场，此转子电流产生的旋转磁场相对于转子的转速为 n 2 = s n l = ，l l 一刀 ( 2 - 1 ) 它相对于定子的转速就是 n 2 + 刀= n l ( 2 - 2 ) 定子绕组与转子绕组产生的磁动势相对静止，达到磁动势平衡。 如果感应电机出现转子断条故障使转子不对称后，转子电路的对称性就会破 坏，这样频率为奶的不对称转子电流系统产生的磁场就可分为相对转子正向旋 转和反向旋转的磁场。相对于转子正向旋转的磁场与定子基波电流产生的同步旋 转磁场相对静止，相互作用产生同正常感应电机一样的感应转矩。而相对于转子 反向旋转的磁场，其旋转方向与转子旋转方向相反，该磁场相对对转子的转速为 n 2 一= 一s ? i l ( 2 - 3 ) 它相对于转子反向旋转的磁场相对于定子的转速为 n 3 = n + n 2 一= n - s 7 l = ，z 1 ( 1 2 s ) ( 2 - 4 ) 它会在定子绕组内感应出频率为( 1 2 s ) 一的感应电动势。由电路知识可知，频率 为五的电网电源，对于频率为( 1 2 s ) f 的电动势相当于短路，于是在定子绕组内 部出现了频率为( 1 2 s ) 一的断条故障特征电流，即故障特征分量。 从以上的原理分析可以得出下面几点： ( 1 ) 当转子出现断条，在定子电流中会感应出( 1 2 s ) f 故障特征分量； ( 2 ) 故障特征分量的位置与转差率有关，即与电机的转速有关； ( 3 ) 故障特征分量幅值的大小和转子的电流大小有关。 这就是用定子电流频谱法来分析、诊断感应电机断条故障的依据。但是这个 故障特征频率分量有两个特点，使检测工作遇到困难： 9 第二章感应电机转子断条故障分析 ( 1 ) 其频率与基波频率 接近，并随s 的变化而变化。感应电机稳态运行 时转差率很小，一般小于o 0 3 ，大型的铜条转子感应电机j 更小。 ( 2 ) 其幅值很小，与基波幅值的比值更小。 因而用快速傅立叶变换直接作频谱分析时，基频五频率分量的泄露会淹没 ( 1 2 s ) f 分量，使检测故障特征分量( 1 2 s ) f , 是否存在变得非常困难，这就要求 检测系统具有很高的运算精度和频率分辨率。 2 3 感应电机转子断条故障检测中定子电流频谱法的仿真实现 由以上的分析可知，感应电机转子出现断条故障时，会在定子电流中感应出 ( 1 2 s ) f 频率分量，这个频率分量的位置与电机的转差率有关，大小与电机的负 载有关。因此，为了提取这个故障特征量，对常用的电流频谱分析法的可行性进 行了仿真。 假设z 为5 0 h z ，也就是电机的电源频率，( 1 2 s ) f 为4 8 5 h z ，则s = 0 0 1 5 。 设电流信号为x ( f ) = s i n ( 3 1 4 t ) + o 0 3 s i n ( 3 0 4 5 8 t + 0 4 ) ，采样间隔1 0 微秒，4 8 5 h z 为感应电机转子断条故障特征频率分量，其幅值为主频幅值的3 ，对x ( f ) 进行 快速傅立叶变换，得到的频谱图分别如图2 1 和图2 2 所示。 从图2 1 和图2 2 上，可以清楚地看出在4 8 5 h z 左右的位置上存在一个分量， 因此可以得出这样一个结论：定子电流频谱法是可以分析感应电机转子断条故障 的特征量的存在与否，而且也可以通过计算来得到故障分量的幅值与主频幅值大 小的比值。但是存在一个问题，一旦当故障特征分量较小时，而且与主频5 0 h z 很接近，完全有可能被5 0 h z 主频的泄露所淹没。 图2 1 和图2 2 研究的感应电机断条故障分量的幅值占主频幅值的比例在3 左右，由于大型感应电机的转子断条故障特征频率分量( 1 2 s ) f 的幅值占主频 l 0 8 0 6 趔 馨0 4 0 2 0 r i | _ ， 一i 4 04 24 44 64 85 05 25 45 65 86 0 f m z 图2 1 故障信号m a t l a b 仿真频谱图 1 0 第二章感应电机转子断条故障分析 l o 8 0 6 趔 罂o 4 o 2 0 f h z 图2 - 2 故障信号m a t l a b 仿真频谱对数坐标图 】i 。 卜 4 04 24 44 64 85 05 25 45 6 5 86 0 f m z 图2 3 故障信号m a t l a b 仿真频谱图 分量的l 3 ，这时转子故障特征频率分量幅值如果只占主频幅值的1 ，傅立 叶变换后能否在频谱分析中显现出来，同样对此仿真信号 x ( t ) = s i n ( 3 14 t ) + 0 01s i n ( 3 0 4 5 8 t + o 4 ) 进行频谱仿真分析比较。 0 5 0 4 0 3 遥 l 垃 。0 2 0 ，1 0 r _ 一 一 _ i 4 44 54 64 74 84 95 05 15 2 5 3 f h z 图2 - 4 故障信号m a t l a b 仿真频谱局部放大图 从图2 3 和图2 4 中可以看出在4 8 5 h z 位置的确存在一频率分量，由于该频 率分量的幅值只占主频的1 左右，因此这一频率分量很容易被5 0 h z 主频所湮 没。从这一比较直观的图像上来分析，单纯的进行数据的f f t 变换并不能很好 的反映出电机的转子断条故障的( 1 - 2 s ) f , 这一频率分量，因此必须采用合适的方 法对原始信号进行加工处理分解出各种频率成分的有效值，获得敏感的反映故障 第二章感应电机转子断条故障分析 征兆的特征量。至于如何利用有效的数学方法提取故障特征量，将在以后的章节 中结合实际进行详细的讨论。 2 4 本章小结 在实际中，对于具体的故障诊断对象，必须通过故障机理分析，才能获取各 状态特征，进行有效的辨识，实现故障诊断。因此，通过对感应电机转子断条这 个诊断对象进行理论上的研究分析，才能进一步进行数据的处理，提取故障特征 量，实现故障诊断的目的。为了获取感应电机转子断条故障的特征量，本章阐述 了感应电机出现转子断条故障的机理，以及使用定子电流分析法检测断条故障的 基本原理，为后面进行感应电机转子断条故障诊断奠定理论基础。 1 2 第三章故障信号分析理论基础 第三章故障信号分析理论基础 信号具有能量，它描述了物理量的变化过程，在数学上可以表示为一个或几 个独立变量的函数。信号表示方法有很多种，除了时间之外，最重要的表示就是 频率。法国科学家f o u r i e r 于1 9 世纪初在寻找支配热性能的方程时发现的基于 f o u r i e r 变换的信号频域表示揭示了信号在频域的特征，在传统的信号分析与处理 方法中发挥极其重要的作用【27 1 。但是f o u r i e r 变换是一种纯频域的分析方法，它在 频域的定位性是完全准确的，而其在时域却没有任何定位性，l i p f o u r i e r 变换所反 映的是整个信号全部时间下的整体频域特征，不能提供任何局部时间段上的频率 信息。因此，f o u r i e r 变换只能分析信号的统计平均结果，适合对平稳信号进行分 析，而对非平稳信号却无能为力l 2 弛圳。 但是，在电机故障诊断领域，故障特征信号很多时候呈现出非平稳性，如对 于一台转子发生断条故障的感应电动机，其暂态启动过程中定子电流中的转子故 障特征分量即是一个频率和幅值渐变的信号。有时即便是电机处于稳态状态下， 定子电流信号也会由于电网频率的轻微波动等各种复杂因素表现出非平稳性。这 类信号的统计量( 如相关函数、功率谱及倒谱等) 都是时变函数。对它们进行分 析，只了解其在时域或频域的全局特性是远远不够的，最希望得到的乃是信号频 谱随时间的变化情况。为此，需要使用时间和频率的联合函数来表示信号，这种 表示称为信号的时频表示。时频表示分为线性时频表示和非线性时频表示。典型 的线性时频表示有短时傅立叶变换、小波变换、g a b o r 展开和h i l b e r t - h u a n g 变换 等；非线性时频表示主要有魏格纳一维尔( w i g n e r v i l l e ) 分布、c o h e n 类和仿射 类等二次型能量分布【2 7 - 3 3 】。时频分析的主要任务是描述信号的频谱含量是怎样随 时间变化的，研究并了解时变频谱在数学和物理上的概念和含义。其最终目的是 要建立一种分布，以便能在时间和频率上同时表示信号能量或者强度，得到这种 分布后，就可以对各种信号进行分析、处理，提取信号所包含的特征信息，或者 综合得到具有期望的时频分布特征的信号，改进了f o u r i e r 变换分析方法的不足。 3 1 傅立叶变换 傅立叶( f o u r i e r ) 分析包括傅立叶级数( f o u r i e rs e r i e s ) 与傅立叶变换( f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ，f t ) ，是由法国科学家j bj o s e p hf o u r i e r 在19 世纪初创立并发 第三章故障信号分析理论基础 展起来的- - f - j 学科，是理论分析与工程应用领域的一种重要工具。 令r ( o ，2 冗) 表示( o ，2 7 c ) 内的所有可测且满足r “i 厂( f ) 1 2d t 的函数空间，其 中的函数周期拖延到实直线( 0 0 ，佃) ，即f ( t ) = f ( t + 丁) 对所有的t 成立，则定义 r ( 0 ，2 t o 为丁周期的平方可积空间，任一函数厂( f ) 都可以用f o u r i e r 级数表示 f ( x ) = + 磐c o s 孚川s i n 芋功椰 ( 3 - 1 ) 其帆= ；r 似m 铲亍2j c r 似) c o s 芋础，饥= 彳2r m ) s i 译池。 f o u r i e