（电机与电器专业论文）异步电动机故障检测方法研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文： 多电纳舣瞵碰酬毛涵甜绐，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垒塾窒 日 期 知如玉t 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：至塑 日期：9 - l - e t 翩签名捌 日期： 华北电力人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 异步电动机因其结构简单、坚固耐用、控制简单、使用方便以及能适应于各种 复杂的工作环境而广泛应用于人类社会的生产和生活中，是一种用量最大、覆盖面 最广的电机。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由电动机组成，如送粉机、磨煤机、给水泵、风 机等。很多其它工业领域中，绝大多数的生产设备也是依靠电动机驱动的，如钢厂 的轧钢机是由电动机驱动的，矿井提升机是依靠电动机升降的等等。人类社会的生 产和生活已经离不丌电动机，它服务并影响着人们生活的各个方面。1 。 异步电动机作为工业系统的主要传动元件和执行元件其正常工作对保证生产 制造过程的安全、高效、敏捷、优质及低耗运行意义十分重大，其故障不仅会损坏 电机本身，还将会影响整个生产系统，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失和 恶劣的社会影响。 长期以来，针对大型电动机的各种严重故障，主要采取了各种成熟可靠的继电 保护措施。这些保护措施主要包括过电流保护、过电压保护、欠电压保护、差动保 护、负序保护、逆电流保护、接地保护、过速保护、振动保护、过热保护、润滑油、 冷却水、风机联锁保护等 z - 4 。继电保护功能已很完善，但并不意味着能够预防事故 的发生，它只能在事故发生后采取行动。而且，当继电保护系统动作后，电动机被 突然切断而使生产流程意外r l 止，仍然可能导致重大的经济损失。为了将困电动机 故障造成的损失降低到最小的程度，迫切要求对电动机的初发故障进行检测。 异步电动机初发故障检测一般是通过使用先进的技术手段，在线监测异步电动 机的相关运行参数( 如电压、电流、磁通、转速、温度、振动、局部放电等) ，判 断设备是否处于j f 常状态，以确定合理检修时间和方案，达到减少事故停机损失、 提高设备运行的可靠性、降低维修费用的目的。该项技术的出现引发了异步电动机 维修体制的一次革命，使传统的事后维修方式逐步转变为预知维修( 状态维修) 方式。 异步电动机典型故障包括转子断条、定子绕组匝间短路和轴承故障。统计结果 表明，这三类故障约占异步电动机故障总数的8 0 ：转子断条故障的发生概率达1 0 左右“1 ，定子绕组匝间短路及其相关故障的发生概率约为3 0 ”1 ，而轴承故障约 占3 8 ”1 。运行经验表明，转子断条故障将导致电机出力下降，若不能及时发现会 使故障进一步扩大；定子绕组匝问短路故障往往导致相问短路或接地短路故障，危 害严重；轴承故障将使电动机振动增加，局部过热，冲击性负荷会激发扭转振荡， 华北电力火学硕+ 学位论文 使轴系疲劳甚至断裂。因此对这三类故障进行早期检测非常重要。 分析异步电动机故障特征，丌发一套能准确、灵敏、有效地检测初发故障的系 统，对保证生产系统安全可靠运行、有针对性地减小电机故障率都是十分必要的。 1 2 本课题的发展及现状 电动机长期处于高速运转或高电压工作状态之下，运行环境恶劣，加之电动机 的规格型号繁多，内部电磁关系非常复杂，且各种故障征兆分散、模糊、交叉或重 叠，给故障检测带来了很大的困难。多年来，国内外许多学者和专家一直在探索方 便、快捷、准确的电动机故障检测方法，尤其是自二十世纪九十年代以来的十余年 间，由于各种新的分析方法的出现以及微电子技术的发展，该领域内的检测技术取 得了很大的进展。 1 21 转子断条故障检测方法 转子断条故障是指异步电动机转子导条断裂( 端环丌裂) 故障。异步电动机在 运行过程中，转子导条受到径向电磁力、旋转电磁力、离心力、热弯血挠度力等交 变应力的作用，加之转子制造缺陷，导致断条故障。 常用的转子断条检测方法有：定子电流检测、磁通检测和机械信号检测。其中 定子电流检测为典型的检测方法。研究表明，笼型异步电动机发生转子断条故障后， 在其定子电流中将出现( 1 2 s ) f , 频率的附加电流分量( s 为转差率，j ，：为供电频率) “”，该电流分量可以作为转予断条故障特征。定子电流信号易于采集，因此基于傅 立叶变换的定子电流信号频谱分析方法被广泛应用于转子断条故障检测，并逐渐形 成了自适应滤波、希尔伯特变换、派克矢量、起动电流时变频谱分析、小波分析等 各具特色的转子断条故障检测方法“” 。 自适应滤波方法已经广泛应用于生产实际，其核心是通过自适应滤波抵消定子 电流z 频率分量，再进行频谱分机，这可以在频谱圈中突出转子断条故障特征分量 一一( 1 十2 s ) f 频率分量，从而大幅度提高转子断条故障检测灵敏度。 希尔伯特变换方法的立足点在于：异步电动机存在转子断条故障时，定子电流 信号可以看作一个载波频率为z 、调制频率为2 甄的幅度调制信号。该方法利用希 尔伯特原理对定子电流信号进行解调，获取反映转子断条故障特征的调制信号，继 而对该调制信号做频谱分析，并根据频谱图中是否存在2 s f , 频率分量判断转子断条 故障存在与否。 在理想情况下，异步电动机定子三相电流对称并按正弦规律变化，其派克矢量 复平面轨迹是一个以坐标原点为圆心的圆形。在转子断条故障时，由于定子三相电 流中出现( 1 2 s ) f , 频率分量，派克矢量复平面轨迹成为圆环形。据此可判断转子有 2 华北电力人学硕士学位论文 无断条。 起动电流时变频谱分析方法采集异步电动机在启动过程中的定子电流信号，对 其做分段频谱分析，获取时变频谱，据此判断转子有无断条。该方法具备以下特点： ( 1 ) 在启动过程中s 较大，因而在频谱图中( 1 2 s ) f 频率分量可以远离_ 频率分量， 这可以降低对频率分辨力的要求；( 2 ) 在启动过程中( 1 2 s ) f , 频率分量与：频率分 量幅值之比远大于稳态运行时的幅值之比，因而使( j 2 j ) z 频率分量易于检测。但 是，该方法存在一个很大的弊端，就是必须等待电机启动爿+ 能应用。 近年来，小波分柝发展很快，并丌始应用于异步电动机转子断条故障检测，基 本思路是：对定子电流进行小波分解( 多分辨率分析、小波包分析) ，计算小波系 数，进行频谱分析，并重构，从而突出转子断条故障特征分量一一( 1 2 s ) f 频率分 量。其出发点与自适应滤波相同，但目前的研究效果并不如自适应滤波方法理想。 由于电动机实际运行状况的复杂性，上述各种检测方法存在一定的局限性，有 时可能出现错误判断。因为研究表明，电动机在拖动波动负荷时，其定子电流中除 含有，频率分量之外，还包括以f 为中心频率的各种调制分量，而它们有可能被错 误地解释为( 1 2 s ) 一频率分量一一断条故障特征分量，从而造成误报警。再者，由 于电机本身所固有的非对称性、气隙偏心、转予不对中及其它因素，异步电动机即 使处于f 常状态，其定子电流中亦可能包含( 1 2 s ) f 频率分量。这将在很大程度上 影响上述转予断条故障检测方法的灵敏度与可靠性。 目的，针对解决这些问题的研究比较活跃。比如：为了消除负荷波动影响，文 献 1 8 采集定子三, f f t 电压、电流，并利用同步旋转咖系统数学模型( 转子磁链定位d 轴) ，计算出实际的电机定子电流d 轴分量，同时估计出电机在理想情况下的定予电 流d 轴分量，并把二者之差作为频谱分析对象。但这种方法的效果依赖于电机电阻 等参数的精度，因此鲁棒性很差。文献 1 9 、 2 0 将希尔伯特变换、数字滤波技术 与小波分析技术结合在一起。为了消除电机本身的影响，文献 2 1 采用基于贝叶斯 最小误差分类器的模式砂 别技术对f 乜机健康与故障状态进行辨识。文献 2 2 则联合 应用时间序列数据挖掘及有限元一一状态空| 日j 模拟技术检测、诊断转子断条故障。 但这些检测方法仍有待于进一步完善，增强实用性。 1 2 2 定子绕组匝间短路故障检测方法 定子绕组匝问短路故障有可能引起定子电流的高次谐波和分数次谐波。文献 2 3 对异步乜动机正常运行及具有不同程度匝阳：j 短路故障时的情况进行了研究，发 现匝间短路时定子电流的第5 、7 、1 1 次谐波显著增加，其中第5 次谐波增加较多。 由于高次谐波频率远离基波频率，可以通过检测定子电流中的谐波分量进行电机定 华北电力人学硕十学位论文 子绕组匝间短路故障检测。文献 2 4 通过检测频率近似为专z ，寺z ，告_ ，的定子 电流谐波分量扣i 可实现匝洲短路故障检测( p 为极对数，工为供电频率) 。但是由于 电力系统中存在着大量谐波，故这两种方法并不可靠。 电机定子绕组匝间短路故障会引起定子三相电流的相位不平衡。文献 2 5 指 出，异步电动机定子某相绕组发生匝间短路故障后，定予三相电流相位对称关系遭 到破坏，因而定子三相电流彼此间的相位差可以作为匝间短路故障特征量。但在实 际情况下，异步电动机定子三相电压相位关系也存在一定程度不对称，这同样影响 定子三相电流相位对称关系。 文献 2 6 通过探测轴向漏磁通并分析其谐波成分对匝间短路进行检测与诊断， 由于需装设磁通探测线圈及定位辅助线圈，且只能检测足以引起磁通畸变的严重故 障，故该方法并不实用。 文献 2 7 、 2 8 提出了定子电流派克矢量方法，类似于转子断条故障派克矢量 检测方法。当定子绕组存在短路故障时，定子电流的派克矢量轨迹变成椭圆，据 此检测定予绕组故障。但是山于实际供电电源的电压不平衡及电机结构不对称，即 使电动机在正常情况下，其派克矢量轨迹也非圆形。 文献 2 9 提出了一釉切实可行的匝间短路故障检测方法，即通过测量电动机定 子电流的负序分量判断匝削短路是否发生及其严重程度，该方法采用样本自学习与 检测闽值自适应调整策略以计及供电电压不平衡、负荷变化等因素对故障检测的影 响。但是，该方法在工程实际中不能丁f 确识别异步电动机转子断条与定子绕组匝恻 短路故障。 由此可见，上述各种检测方法针对不同的影响因素存在相应的问题，甚至有可 能出现误判断。因此，在综合考虑各种因素影响的情况下，寻找新的故障特征标准， 研究更加可靠、有效的检测方法是当务之急。 1 2 ，3 轴承故障检测方法 在异步电动机中用于支承转子的滚动轴承占压倒优势。滚动轴承由内圈和外圈 组成，其问有一组钢球或滚子在滚道内转动。在平衡负载和良好对中的正常工作条 件下，疲劳失效从位于滚道和滚动体表面下的微小裂纹开始，逐渐扩展到整个表面， 从而引起可检测出的振动，增加噪声水平，继续引起材料碎片脱落的局部疲劳现象。 这种失效最终使轴承产生不平稳运转。 轴承故障检测与诊断方法可分为两类：轴承振动信号分析法与定子电流信号分 析法。轴承振动信号分析法采集轴承时域振动信号并将其变换至频域，进而将频域 振动信号与轴承固有的频域振动特性作对比，以判断轴承故障是否发生。这种方法 华北电力人学硕士学位论文 准确率相当高，但需要在轴承上装设振动传感器。定子电流信号分析法采集定子电 流信号并作进一步处理，相对轴承振动信号分析法而言，该方法更加简捷、实用， 是今后的发展趋势。轴承故障引起转轴振动，转轴振动又引起电动机内膛气隙振动， 使气隙磁通受到调制，调制的磁通又在定子绕组中感应相应的谐波电流，因此，可 以通过定子电流的波形分析，即频谱分析，提取与振动相对应的谐波分量，从而实 现轴承故障检测。文献 3 1 中论证了定子电流谐波与振动谐波之间确实存在着良好 的线性关系，并将大多数电动机轴承故障振动特征频率简化为下式表示： 厶= 0 4 n f r o ，；= 0 6 即厶， ( 卜1 ) 式中：厶、分别为轴承内圈、外圈故障的振动特征频率，厶，为电动机转频，” 为轴承滚珠数目。这对于粗略确定轴承故障振动特征频率无疑是有好处的。但由于 定子电流中轴承故障特征频率分量幅值一般很小，因此，其用于轴承故障检测的准 确性仍有待于进一步的研究。 1 3 本文的主要工作 进一步研究异步电动机故障检测方法，提高其准确性和实用性，是非常必要的。 对此，本文主要做了以下工作。 1 对本课题目内外研究现状做了全面、深入的调研工作，总结了各类故障检 测方法的优缺点，指出所存在的问题。 2 基于多回路数学模型，在m a t l a b 环境下，对一台2 极、3 k w 、3 8 0 v 、5 0 h z 三 相笼型异步电动机( y l o o l 一2 型) 进行正常和定转子故障仿真。同时，完成相关物理 实验，为转子断条和定予绕组匝问短路故障特征仿真分析及实验分析奠定了基础。 3 对异步电动机转予断条故障特征做了机理分析，基于仿真和物理实验结果， 利用连续细化傅立叶变换、自适应滤波、数字带通滤波及希尔伯特变换技术对 定子电流信号进行处理提取其回转半径作为故障特征，进而实现转子断条故 障检测。 4 针对异步电动机定予绕组匝问短路故障，基于仿真和物理实验结果，提出 了以定子电流信号小波变换极大模、相位差、负序分量突变信号作为故障特征的检 测方法，该方法适用于异步电动机连续监测系统：提出了以定子负序视在阻抗滤波 值作为故障特征的检测方法，该方法适用于异步电动机巡回监测系统。 5 分析轴承故障特征，进行轴承故障实验，介绍小波包分频特性，提出了基 于定子电流信号小波包“能量”的轴承故障检测方法。 6 开发异步电动机初发故障检测系统。 华北电力人学硕士学位论文 第二章异步电动机定转子内部故障瞬变过程仿真 转子断条和定子绕组匝间短路是典型的异步电动机定转子内部故障。基于多回 路理论，本章建立了y n 接、y 接、d 接笼型异步电动机在正常、转子断条与定子绕 组匝问短路故障情况下的多回路数学模型。据此，对故障瞬变过程进行数字仿真。 这一工作为转子断条和定子绕组匝间短路故障检测方法研究奠定了理论基础。 2 1 多回路数学模型 多回路数学模型已经成功应用于电动机与发电机内部故障的数字仿真“4 ”， 在此加以介绍。以笼型异步电动机为例，并假设其满足理想电机条件。”1 ，即做如下 假定： ( 1 ) 转子为圆柱形，气隙均匀； ( 2 ) 定、转子具有光滑的表面，定、转子齿槽效应用卡氏系数表示： ( 3 ) 计算电机各回路的电感系数时，将铁心磁阻归算到气隙中，忽略铁磁饱 和、磁滞及涡流的影响，不计铁心和导线的集肤作用； ( 4 ) 笼型转予的导条与铁心绝缘； ( 5 ) 电机故障前是理想对称的。 2 1 1 异步电动机定转子回路 假定异步电动机定予三相绕组采用图2 1 所示三种方式之一接线，即：星形接 线且中线引出( y n 接) 、星形接线( y 接) 与三角形接线( d 接) 。对于笼型异步电 动机，转子回路电流取法示于图2 2 。 ( b ) y 接线( c ) d 接线 图2 - 1异步电动机定了回路 l e 图2 - 2笼型异步电动机转子回路 。 黛生 兰! ! 生垄叁堂堡主堂垡堡壅 2 1 ，2 异步电动机在正常情况下的基本方程式 假定异步电动机定子三相绕组y n 接线，根据图2 - 1 ( a ) 、图2 2 ，可列写出正 常电机的基本方程式： p 】_ 【r 口 + d q u ，d 础 一 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式中，眇】、 ，】为+ 4 ) 1 阶列矩阵，陋 、 m 为+ 4 ) 阶方阵，其展开形式分别 示于式( 2 4 ) ( 2 7 ) ，式( 2 7 ) 中的各电感系数可根据式( 2 8 ) ( 2 眇】= l ，。0000o 】t ， - l 。i 。f 。i i ：i ，i 。f 。】7 嘲= 0 一，h 00 0 r。rre 。lm tm o ，帆； ： 。 ，c m ： 屯 m 。厶，：m ， f ，2 鸭厶：鸩， 慨。鸭。：k m l b 。岷。：a m 。m 女m 。m 。lm nm 。 0 0 00 0 0 “r e 0 ，t 0 ，rr c ” m 。 帆。 怔。 m 。 蝇。 托。 k m b c 幔。 m 。 鸠。 惦。 k 吐n 咄= 筹g 昙( 双烈爿2 心。 e se ”，嚣l ”j ” i m b = m b 。= 幔。= 帆= m 。= m 。= m i 幔= 笔昙眦丢降) 2 c o s 5 - 7 1 6 ) 计算1 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) o 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o 气0 0 0 k o 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o o 0 o o o o k忆帆岷 华北电力人学硕十学何论文 “吐：吐m = 筹刀字+ 2 ( u 吖。= ：兰- j l 小= i l 帆= m = i 2 p i d i 可w i 善等s j n 警kc 。s i z + ( j - i ) 2 p 。，) = m + = 2 j l i 4 , i d i f 叫委等s - n 等t c 。s l ( ，+ 等+ u 叫等刁 l l = 3 i = 2 忑p i d i f w l 丢争s t n 竿kc 。s - p + 等+ t ，一”等) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 若异步电动机定子三相绕组y 接线，如图2 一l ( b ) 所示，显然i a + i 。+ i 。= 0 。相 应地，对式( 2 1 ) 做如下修改： ( a ) 将矩阵眇 、陋 和 m 的第1 行元素减去第2 行对应的元素； ( b ) 将矩阵眇 、陋 和阻 的第2 行元素减去第3 行对应的元素： ( c ) 令矩阵眇 的第3 行第l 列元素为零： ( d ) 在矩阵【r 】和 m 】的第3 行中，令第1 、2 、3 列元素为1 ，其余元素均为o 。 若异步电动机定子三相绕组d 接线，如图2 - 1 ( c ) 所示，此时以，。，z f 。分 别替换式( 2 一1 ) 矩阵p 中的“。，“。即可。 2 13 异步电动机在转子断条故障情况下的基本方程式 由图2 - 2 可知，若导条断裂，则国路电流i 。= i j + 1 口这相当于把回路，与回路j + l 合并成一个回路。相应地，对式( 2 - 1 ) 做如下修改： ( a ) 将矩阵陋】和 m 】的第- ，+ 4 行元素加到第，+ 3 行对应的元素上，矩阵眇 的第 ，+ 4 行元素加到第- ，+ 3 行元素上。 ( b ) 在矩阵陋】和 m 】的第+ 4 行中，令第+ 3 列元素为1 ，第+ 4 列元素为一1 ， 华北电力人学硕十学位论文 其余元素均为0 。 ( c ) 若断条数大于1 ，可做类似处理。 2 1 4 异步电动机在定子绕组匝问短路故障情况下的基本方程式 现场经验表明，异步电动枫定子绕组匝间短路故障大多发生于定子相绕组的第 一个线圈。假定定子a 相绕组发生匝问短路故障，如图2 - 3 所示，并且定子三相绕 组y n 接线( 对于其它情况，处理方法类似) 。 图2 - - 3 定予绕组匝间短路故障示意图 显然，定子方面增加一个新的电流回路一匝间短路回路，其回路电压方程为： 0 。d v 。g 国+ ( r g + ：g ) r t + f a 。g i 。 ( 2 17 ) 而此时的定子a 相回路电压方程为： 2 f 。= d 雌出+ d v ；d t + ；i 。+ 铅f g ( 2 - 1 8 ) 根据式( 2 1 7 ) ，式( 2 一j 8 ) 可简化为式( 2 一1 9 ) 。 “a 3 d ：d t + ( k 一。) - i 。+ ( - r 。) f g ( 2 1 9 ) 相应地，矩阵p 】、 ，】、陋 和瞳 的展丌形式如下： p 】= l ，。z ，。“。0 0 0000 1 1 ( 2 2 0 ) 【，】= f 。t f 。，：i 。 r ( 2 2 1 ) 旧= 一r 0 0 r + r ，。 0 0 0 0 000 00 0 000 r “ ( 2 - 2 2 ) 0 0 0 o o 0 o o 0 0 0气 o 0 o o 气 0 o o o 0 0 0 0 o 0 0 0 0 k o o o 0 o o。 华北电力人学硕士学位论文 m = m 。 t 蚝玩 m 。m 。 m 。 0 m m 。 m h m k 鹄。m 。 忆m nm 。m tm ：k 垠 蟾虬虬m 。m m z 忆k ( 2 2 3 ) 将匝阃短路环看作一个线圈，根据文献 3 2 ，可以推导出匝问短路环各相关参 数的计算公式，详见式( 2 - 2 4 ) ( 2 - 3 4 ) ，此处f i x 代表向下取整运算。 ：-。ra。(2-24)r a s g2 矿s 。慕饼每w - ! 阱饼岛 心磁。糕罐研盼卜 一卜6 伴游 噬= 咝一w ，c = 1 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 2 比一叫，以2 二3 ， 蚝= 咏= 糕等。曼哌。萎( 爿c 。球。专刁勘n 一一呻n ( 等小 c z z ， 盼耻糕等熹哌。萎阱。s 忙辨椰伴) 一卜删俘淖 z s ， 虬也。糕警一萎他v j 艘2 咖半c o s ，+ - k 1 + ( j - 1 ) 刁啦，n z 。， ：。= l 。一l 一2 m i 。 ( 2 3 0 ) m ：b = m 孟= m “- m b 。 ( 2 3 1 ) m ：。= m ：。= m 。一m 。g( 2 3 2 ) m ；= m j 。= m q m 目，j = l ，2 ，一， ( 2 3 3 ) m ：c = m ：。= 0( 2 - 3 4 ) 2 2 转子断条故障仿直 目前，转子断条故障仿真研究已取得长足进展，文献 3 3 采用简单方法完成了 转子断条故障暂态仿真。由于转子导条电流随时间交变，它将在某一时刻过零，因 忆蚝岛峨虬k忆忆“m 玩以k 肌以玩忆虬k帆扎峨k蚝慨圪吮蚝帆帆魄 华北电力人学硕士学位论文 此如果假定在恢时刻发生转子断条故障，则断条后瞬间各回路电流的初值就恰恰等 于断条静瞬间各回路电流的取值。转子导条电流过零时刻的确定可以通过分析正常 电机的仿真结果完成。 基于多回路数学模型，对一台2 极、3 k w 、3 8 0 v 、5 0 h z 三相笼型异步电动机 ( y i o o l 一2 型) 进行转子断条故障数字仿真。图2 - 4 表示电机在满载且1 ，2 号导条 持续断裂情况下的仿真结果。 ( a ) 定ra 相电流( b ) 转了1 弓导条电流 ( c ) 转了2 弓导条电流 图2 4转了断条战障仿真结采 2 3 定子绕组匝问短路故障仿真 基于多回路数学模型，对y i o o l - 2 型异步电动机进行定子绕组匝问短路故障数 字仿真。似定异步电动机定子三相绕组y 接，供电电压为额定值并理想对称。图2 5 表示电机满载且定子a 相绕组l 匝金属性短路情况下的定子- - f l 电流。 ( a ) 定了a 相电流( b ) 定了b 相电流( c ) 定予c 相电流 幽2 5 定了a 相绕组1 匝金属性短路故障仿真结果 2 4 小结 基于多回路理论，建立了y n 接、y 接、d 接笼型异步电动机在正常、转子断条 与定子绕组匝间短路故障情况下的多回路数学模型，以此进行故障瞬变过程数字仿 真。瞬变过程数字仿真结果与相关文献结论吻合，表明多回路数学模型与数字仿真 是正确的。上述工作为异步电动机转子断条与定子绕组匝问短路故障检测方法研究 奠定了理论基础。 华北电力人学硕十学位论文 第三章异步电动机转子断条故障检测方法研究 电动机在长期运行中，由于周期性间歇运行或频繁启动，造成转予上电磁应力 急剧变化，容易引起电动机转子导条过热，振动加剧，从而导致转子断条故障。轻 微断条故障发生后，般不会立即对电动机的运行产生很大影响。但随着电动机长 时间运行，已断裂的导条容易诱发周围其它导条断裂，而且断条有可能逐渐移出槽 轨，发生扫膛故障，毁坏整个定子绕组，使电动机严重损坏。因此，及时地将断条 故障检测出来，对于保障电力生产安全及电动机正常运行，具有重要意义。 在获取电动机故障信号时，由于电动机本身结构的整体性和封闭性，一般不便 于采用侵入式的检测方法，通常都是在机端采集电动机的电流或电压信号进行分 析，其分析方法主要是基于傅立叶变换的定子电流信号频谱分析法，并逐渐形成了 自适应滤波、希尔伯特变换、派克矢量、起动电流时变频谱分析、小波分析等各具 特色的转子断条故障检测方法1 2 - 17 。遗憾的是，这些方法在检测过程中单独使用， 未能优势互补。本章在进行大量数字仿真和相关物理实验的基础上，致力于将连续 细化傅立叶变换、自适应滤波、数字带通滤波和希尔伯特变换技术有机的结合起来， 分析定子电流信号，提取回转半径作为故障特征量，从而提供了一种新的检测方法。 3 1 定子电流中的转子断条故障特征分析 理想电动机的定予电流频率是单一的，即只有供电频率的电流存在。但是当转 子出现断条故障时，在定子电流频谱图上，与供电频率相差二倍的转差( 2 颐) 的位 置上将各出现个边带，这一现象已为英国j l a r g is 等学者所推论证实。 当供电频率为一时，定子绕组极对数为p 的电动机，产生磁动势f ，在机械角 目处只有奇次谐波，因此基波为 鼻= n i ，ls i n ( 2 顽f p o ) ( 3 - 1 ) 式中，| v 为定子绕组匝数，为定子电流。 设转子的旋转角速度为厂，相位角为庐，显然有 d = 0 2 a - j t ( 3 - 2 ) 因此，两极电机( 即极对数p = 1 ) 的磁动势为 f = n i ls i n 2 e r ( f , 一、l ) l 一庐】 ( 3 - 3 ) 浚磁动势以转差速度* n x , t 于转子向前转动。在证常情况下，转子产生感应磁动势e 来平衡定子磁动势： 疋= n 2 1 2s i n 2 1 r ( f 一：) ，一】 ( 3 - 4 ) 如果转子有缺陷，例如有一根断条，则转子电流的磁动势将被s i n 2 所调制， 华北电力人学硕十学位论文 也即： = n 2 ，2s i n 2 7 r ( f k l ) t 一 s i n 2 妒 ( 3 - 5 ) 对上式进行积化和差，可得 岛= ! 笔冬 c o s 2 口( ：一，) f 一3 一c o s 2 z r ( f 一，v + ) ( 3 - 6 ) 上 将( 3 - 2 ) 式代入上式，并考虑到转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的，即曩= 互， 则可得反映到定子的磁动势为 一= 三笔等 c o s 2 7 r ( ；+ 2 l ) t 一3 口 一c o s 2 n ( f i 一2 z ) t + 口 ) ( 3 - 7 ) z 对于两极电机，用转差率s = ( 一一l ) ；，即，= ；( 1 一s ) 代入上式，则有 e = 三笔拿 c o s 2 7 r ( 3 2 s ) f , t 一3 0 一c o s 2 n - ( 1 2 s ) f , t + 口 ) ( 3 - 8 ) 上 由此可见，磁动势表达式中第一项分量含有3 ，：f 和3 0 ，将在三相定子绕组中感 应出零序电动势，但不会在三相定子绕组中产生相应的电流。磁动势表达式中的第 二项将感应出一组供电频率的三相电流和比供电频率低2 积的单边带分量。 定子里基频电流分量被两倍转差频率调制，这种幅度周期变化的电流反作用到 转子上，产生两倍转差频率的力矩。如果转予的惯量不是无穷大，就会引起转子的 转速产生两倍转差频率的速度扰动。这种扰动会减小在f l 一2 s ) z 处的下边带和电流 摇摆的幅度，同时又产生了在( 1 + 2 s ) f , 处的上边带。实际上，更进一步的分析表明， 定子中( 1 2 s ) f 双边带电流频率分量与有故障的转子之旺1 j 的相互作用还会产生 ( 1 4 s ) f ，双边带分量。 图3 1 为转子断条故障数字仿真分析结果。从中可以看出，笼型异步电动机发 生转子断条故障后，在其定子电流中将出现( 1 2 s ) f , 频率的附加电流分量，且其数 值伴随转子断条故障严重程度的加剧而增大。注意：在图3 1 中，定子a 相电流频 谱为自适应滤波频谱，采用文献 1 2 方法获得。 ( a ) ( b )( c ) 图3 - i ( a ) 正常叫的a 相电流频谱：( b ) l 号导条断裂时的a 相电流频谱：( c ) l ，2 号 导条断裂时的a 相电流频谱 华北电力大学硕十学1 _ i ) = 论文 3 2 基于连续细化傅立叶变换、自适应滤波、数字带通滤波和希尔伯特 变换技术的笼型异步电动机转子断条故障检测方法 上述研究结果表明，如果笼型异步电动机发生转予断条故障，在其定子电流中 将出现( 1 2 k s ) f ，频率的附加电流分量( k 为整数) ，其中k = l 时的特征频率最强。 一般情况下，将主特征频率( 1 2 s ) f , 作为转子断条故障特征分量。定子电流信号易 于采集，因此基于傅立叶变换的定子电流信号频谱分析方法被广泛应用于转子断条 故障检测。但转子断条故障的特征频率分量与基频分量非常接近，而其幅值又远远 小于基频幅值，又加之负载变化，电机本身所固有非对称、气隙偏心等因素的影响， 给检测工作带来很大的困难。针对此问题，基于第二章转子断条故障数字仿真结果， 进行了大量研究。 3 2 1 连续细化傅立叶变换 连续细化傅立叶变换是指应用连续的傅立叶变换频域曲线，对快速傅立叶变换 ( f f t ) 谱在指定区域内，特别是在一个，_ 频率间隔内，进行指定密度的细化川。应 用连续细化傅立叶变换方法，可以求出待分析信号中某一主要频率分量的精确解析 表达式，即频率、幅值与初十日角，该方法具有工程实际意义。 对于采样频率为，采样点数为的时f i 自j 序列f ( ，。) ，离敖的傅立叶级数为： 日( 月) = 寺f ( ，。) c o s ( 2 z r k n n ) ( 3 9 ) i = 0 6 ( ”) = 吉f ( ，。) s i n ( 2 z & n n ) ( 3 l o ) j t 0 1 一l 订( o ) = 吉f ( f 。) v ；0 ( 3 1 1 ) 胛= 0 ，1 ，2 ，。，n l 其中，t = k r ，i = 1 ，k = o ，1 ，2 ，一1 。 f f t 谱是上述离散傅立叶变换的一种特殊情况，即n = 2 ( m 为正整数) 时的 情况，在这种情况下，傅立叶变换可采用递推的快速算法。以上变换的频率分辨力 为= 工n ，和采样点数成反比，为一定时，频率分辨力无法再提高。 时间序列i ( t 。) 中已含有从0 至工2 的频域信息，所以如果把频谱曲线看成是连 续的，即把公式( 3 - 9 ) 、( 3 - 1 0 ) 中的n 看作是一个在区间【0 ，n 2 】内的连续实数，公 式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 变为 华北电力人学硕十学位论文 彤) = 斋乳) c o s ( 2 彬 6 ( ，) = 万2 刍n - i 咿。) s i n ( 2 彬，正) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 用改进的离散傅立叶变换( d f t ) 算法计算全景谱速度较慢，故采用f f t 算法计 算全景谱。在用f f t 谱做出全景谱的前提下，对某些感兴趣的范围用改进的d f t 算 法，即用公式( 3 一1 2 ) 、( 3 一l3 ) 进行细化，细化密度可以任意设定。在用改进的d f t 算法进行计算时，细化范围可以从大到小，细化密度可以从低到高地逐级往下进行。 连续细化傅立叶变换对提高笼型异步电动机转子断条故障检测的灵敏度与可 靠性具有重要意义。首先，借助连续细化傅立叶变换可以精确确定电机定子电流基 波频率一；其次，可以确定电机定子电流基波分量精确解析表达式，据此形成参考 信号，以对定子电流信号做自适应滤波处理。 3 2 2 基于自适应滤波和数字带通滤波的笼型异步电动机转子断条故障特征 提取方法 作为- c o 数字信号处理手段，自适应滤波在笼型异步电动机转子断条故障检测 中的应用非常成功”，其基本思路是：采用自适应滤波方法抵消电机定子电流，：分 量，在频谱图中突出( i 2 s ) f , 分量一一转子断条故障特征。从而大幅提高转子断条 故障检测的灵敏度。 自适应滤波原理如图3 2 所示。图中t 含待提取的信号s ，和噪声”，而虬是另 外一种噪声，它与噪声，7 是同频率的。这旱，f 。代表电机定子电流信号，r 即为定 子电流( 1 2 s ) f , 分量，叶则为定子电流一分量。根据e ，的大小，由自适应算法调整 滤波器的参数，从而改变自适应滤波器的响应y 。使得 ( g ；) = r a i n ( 3 14 ) 可以证明，如满足上式，则有 e ( y 7 一竹7 ) 2 】= m i n ( s ，一, e t ) 2 】= m i n ( 3 15 ) ( 3 一1 6 ) 式( 3 1 5 ) 表明：滤波后的输出y ，将在最小均方误差的意义下抵消h ：式( 3 一1 6 ) 表明：抵消的结果e ，将存最小均方误差的意义下逼近提取信号s ，。注意：噪声u s 可 以通过应用连续细化傅立叶变换确定定子电流_ ，：分量精确解析表达式来获得。 、“，和y ，离散化后的信号分别汜为i s ( k ) 、“，( ) 和y ， ) ，则 y 7 ，( ) = a u ，( k ) + b u ，( k 一1 ) ( 3 1 7 ) 其中，爿、b 为滤波器的参数，采用最小二乘法确定，在适当的采样频率下，根据 华b 电力大学硕士学位论文 下式计算。 一ii=st+nt 举时厶一1 r 删：i 。f 三 l ej 图3 2自适应滤波原理 ( 3 - 1 8 ) 其中，t 为采样时问，r 为采样周期，i n t 表示取整。 电机处于稳态运行时，f = 5 0 0 2 胁，s 在0 0 i 一0 0 5 范围内变化，( 1 土2 k s ) f l 故 障特征频率主要集中在4 0 h z 6 0 h z 频带范围内。为了突出转子断条故障特征信息， 排除电网谐波的影响，设计了一个1 0 阶的带通巴特沃斯数字滤波器，其通带范围 为4 0 h z 6 0 h z ，在带边频率处的衰减不大于3 d b ，其转移函数如式( 3 一1 9 ) ，对数幅 频特性见图3 3 。巴特沃斯数字滤波器具有逼近理想滤波器幅频特性的优点。 比) = 纂a ( 1 祭a ( 2 ) 窘z 蔫a ( 11 ) z 、。 、+叫+ + 叫” ( 3 一1 9 ) 其中，b = o 0 7 8 90 0 3 9 4 500 7 8 8 90 0 7 8 8 900 3 9 4 50 0 0 7 8 9 1 0 5 a = t 一9 1 4 7 3 8 0 7 6 2 9 4 9 5 4 2 1 5 7 0 6 5 2 1 8 0 0 4 0 5t 4 4 8 3 0 9 8 0 7 3 8 1 2 9 8 5 4 2 6 6 1 3 4 0 , 6 6 6 7 】。 1 6 华北电力火学硕士学位论文 1 0 0 口 1 0 0 趔 坚一2 0 0 3 0 0 4 0 0 、 厂 k 、 、 05 01 d 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 04 5 05 0 0 频率( h 2 ) 3 2 3 基于希尔伯特变换的特征信号分析 对经由数字带通滤波器滤波后得到的信号进行希尔伯特变换”j 的信号记为4 。h i l b e r t 变换器的单位抽样响应h ( k ) 为： m ，：一1 - ( - 1 ) ：1 吾0 篡 l 七7 r “” 设序列 的h i l b e r t 变换为，则 转相差竽 求出茸后，即可构成的解析信号： 。己离散化后 ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) z ( 女) = 8 ；( 女) + ，薛( 女) ( 3 - 2 2 ) 其中，为虚数单位。 信号4 经过h i lb e r t 变化后，观察其解析信号z ( ) 的复平面图。图3 4 和3 5 为仿真实验中笼型异步电动机在满载和空载时正常与l 、2 号导条断裂情况下得到 的复平面图。 ( a ) 正常情况( b ) l 弓导条断裂( c ) 1 ，2 号导条断裂 图3 - 4 满载时转了正常与故障情况下的复平面图 17 华北电力人学硕十学位论文 ( a ) 正常情况( b ) 1 弓导条断裂( c ) 1 ，2 号导条断裂 图3 - 5 空载时转了正常与故障情况下的复平面幽 出图3 - 4 和图3 - 5 可以看出，复平面图所覆盖圆的面积随着故障程度的加剧而 增大。受此启发，引入了回转半径，用，来表示，由式( 3 2 3 ) 确定： ( 3 2 3 ) 其中，为信号的采样点数。 通过比较，的大小，可以判断断条故障发生与否，及故障严重程度。表3 一l 为 仿真实验中电机满载和空载时转子正常及故障情况下的回转半径，可以看出：在满 载时，一根导条断裂时的回转半径约为正常的3 5 倍，两根导条断裂时的回转半径 约为一根导条断裂时的3 倍：在空载时，一根导条断裂时的回转半径约为f 常的6 倍，两根导条断裂时的回转半径约为一根导条断裂时的3 倍。显然，回转半径伴随 故障严重程度的加剧将显著增大。因此，将回转半径作为故障特征量进行转子断条 故障检测，有利于提高灵敏度与可靠性。 表3 一i转了断条仿真实验结果 正常1 根断条2 根断条 满载 o 0 0 l o0 0 3 4 9o 1 1 4 3 回转半径r 空载0 0 0 0 3 o 0 0 1 8 0 0 0 5 l 3 3 转子断条故障实验及结果分析 为了验证该检测方法的有效性，进行物理实验，其接线图示于图3 - 6 。实验电 机采用一台y l o o l 一2 型三相笼型异步电动机( 3 k w 、3 8 0 v 、5 0 h z 、2 极) ，负载为直 流测功机，数据采集系统为w s - p 6 0 3 1 6 c 型1 6 通道、3 0 0 k h z 、1 6 b i t s 信号采集仪， 霍尔电压、电流互感器变比分别为2 2 0 v r m s 4 4 v m 、2 0 a r m s 4 4 v r m s ，异步电动机 转子转速采用光电式转速测量。除j 下常转子外，另配备一个故障转子以模拟一根断 条故障。 华，i t 电力人学硕士学位论文 电 网 幽3 - 6 实验接线 基于上述装爱针对电机空载、半载和满载进行了大量实验，在此仅给出了一组 空载、半载和满载情况下转子正常与一根导条断裂的实验分析复平面图和回转半 径，分别见于图3 7 、图3 8 、图3 - 9 和表3 - 2 。采样频率为1 0 0 4 h z ，采样点数8 0 0 0 点 ( a ) 4 ，正常( b ) i 根导条断裂 i 到3 7 满载情批下转了正常及故障刚的复甲面图 ( a ) 转j 7 止常 ( b ) i 根导条断裂 图 3 - - 8 半载情2 | ! - 下转予正常及故障时的复下面图 9 华北l l 土力人学硕士学位论文 ( a ) 转了正常( b ) 1 根导条断裂 幽3 - 9 空载情况下转予正常及故障时的复平面图 表3 - 2 转予断条物理实验结果 正常i 根断条倍值 满载 0 0 3 4 70 0 7 1 62 0 6 回转半径，半载 0 。0 3 0 7o 0 7 1 42 3 2 空载 0 0 1 9 30 0 2 7 61 4 3 表3 2 数据表明，在满载、半载情况下一根导条断裂时的回转半径约为f 常时 的2 倍，空载情况下的此倍值为1 4 3 。大量的物理实验结果表明，转子发生断条故 障时，回转半径显著增大，验证了其作为转子断条故障特征实现转子断条故障检测 的可行性。通过样本学习、适当设置检测闽值，可以在一定程度上考虑电机本身固 有非对称、气隙偏心等因素的影响，从而进一步提高转子断条故障检测方法的灵敏 度和实用性。 3 4 小结 本章基于笼型异步电动机转子断条故障数字仿真和物理实验，利用连续细化傅 立叶变换、自适应滤波、数字带通滤波及希尔伯特变换技术对定子电流信号进 行处理，提取其回转半径作为故障特征，进而实现转子断条故障检测。该方法滤 除基波z 分量，无需测量转差率s ，并将( 1 2 j ) i 特征分量发展为回转半径，通过 样本学习、适当设置检测闽值，进一步提高转子断条故障检测方法的灵敏度与实用 性。 2 0 华北电力人学硕十学位论文 第四章异步电动机定子绕组匝间短路故障检测方法 电动机定子绝缘系