基于定子电流希尔伯特模式的笼型异步电动机转子断条在线检测方法

1、基于定子电流希尔伯特模式的笼型异步电动机转子断条在线检测方法             基于定子电流希尔伯特模式的笼型异步电动机转子断条在线检测方法许伯强 李和明 孙丽玲(华北电力大学电力工程系保定071003)    摘  要 利用图形缩放技术，对笼型异步电动机转子正常及断条情况下的定子电流信号希尔伯特模式做了研究，并概括出内在规律。以此为基础，提出了一种基于定子电流希尔伯特模式的笼型异步电动机转子断条的线检测方法。数字仿真及实验结果表

2、明该方法是切实可行的。    关键词 异步电动机 转子故障 在线检测 希尔伯特变换 图形缩放1前言  转子断条是笼型异步电动机常见故障之一。研究表明，如果笼型异步电动机发生转子断条故障，则在其定子电流中将出现(1-2S)f1频率的附加电流分量(S为转差率，f1为供电频率)13，可以将其作为转子断条故障特征分量。而定子电流信号易于采集，因此基于傅里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在线检测46。这些方法仅需采集定子一相电流信号，因而非常实用。文献7，8另辟蹊径，提出了基于定子三相电流派克矢量的转子断条在线检测方法，该广泛简单、直观，但

3、需胯集定了三相电流信号，实用性稍差。受此启发，本文提出了一种基于希尔伯特变换与图形缩放技术的笼型异步电动机转子断条在线检测方法，该方法仅需采集定子一相电流信号。相对于文献7，8，该方法同样具有简单、直观的优点，并且更为实用。2希尔伯特变换与图形缩放技术    对于给定信号iS(t)，其希尔伯特变换为    简单而言，图形缩放技术就是指对图形作缩小或放大处理。一般来讲，缩小是为了观察图形全局轮廓；放大则是为了进一步研究图形某一局部细节。目前这一技术已得到广泛应用，例如，MATLAB、LABVIEW均内置图形缩放技术。3希尔伯特变换与图形

4、缩放技术应用于转子断条在线检测的可行性研究    笼型异步电动机正常运行时，其定子电流信号可以写成如下形式(忽略高次谐波)：  而一旦发生断条故障，在其定子电流中将会出现(1-2S)f1频率的附加电流分量，此时定子电流信号具有如下形式(忽略高次谐波)：其中：f1为供电频率；      S为转差率；      Im、分别为频率为f1分量的幅值和初相角；      Im、分别为频率为(1-2S)f1分量的幅值和

5、初相角。    式(5)为笼型异步电动机转子正常时的定子电流仿真信号，这里Im=1.0，f1=50 Hz，S=0.02，ø=0。针对该仿真信号，根据式(2)构造复数信号z(t)，其复平面模式如图1所示。为强调起见，将这种复平面模式定义为希尔伯特模式。    iS(t)=1.0sin(100t)0t5.12(5)    式(6)为笼型异步电动机转子断条时的定子电流仿真信号，这里Im=1.0,f1=50 Hz，S=0.02，Im=0.05,ø=ø=0。针对该仿真信号，根据式(2)

6、构造复数信号z(t)，其复平面模式如图2所示。    对比图1、图2可知，在转子正常与断条两种情况下，定子电流信号的希尔伯特模式具有显著差别，这种差别在本质上就是转子断条故障特征的体现。另外，通过观测基于图形缩放技术的局部放大模式，可以更加清楚、细致地了解这种差别。这就说明，利用希尔伯特变换与图形缩放技术实现笼型异步电动机转子断条在线检测是完全可行的。    需要特别注意，上述研究是在忽略高次谐波这一前提下进行的。因此，在作转子断条检测时必须首先对定子电流信号进行模拟与数字低通滤波，以滤除其中的高次谐波分量。4基于希尔伯特变换与图形缩

7、放技术的转子断条在线检测方法    通过上述研究，可以概括出如下规律：    (1)在转子正常情况下，定子电流信号的希尔伯特模式近似为一圆型；    (2)在转子断条情况下，定子电流信号的希尔伯特模式近似为一圆环型。应用图形缩放技术可进一步观测该圆环形的宽度，它在一定程度上反映了转子断条特征分量的幅值。    根据上述规律，提出了一种基于希尔伯特变换与图形缩放技术的笼型异步电动机转子断条在线检测新方法。其基本思路如下：    (1)采样一相定子电

8、流信号，将其记为iS；    (2)对iS作希尔伯特变换，结果记为；    (3)根据式(2)构造复数信号z(t)；    (4)作出z(t)在复平面上的模式图；    (5)利用图形缩放技术，对z(t)的希尔伯特模式进行观测；    (6)根据希尔伯特模式特征判断转子是否存在断条故障。5实验结果    为了验证检测方法之功效，进行了一系列的数字仿真与实验，在此列举2例。    图3为实

9、测的转子正常情况下的一相定子电流信号，图4为对应的希尔伯特模式。从图4可以判断，该电动机转子正常。    图5为一实测的电动机定子电流采样信号，该电动机转子断条。应用该检测方法对其进行测试，图6为最终的希尔伯特模式。从中可以看出，该电动机存在断条故障。    以上两例表明，该方法可以有效检测转子断条故障并做出正确判断。6讨论    (1)前文已指出，在应用本文方法进行断条检测时，必须首先对定子电流信号作模拟及数字低通滤波，从而滤除其高次谐波分量。对一台转子正常电动机进行实验，图7(a)为实测定子电流信号的

10、希尔伯特模式，图7(b)为定子电流信号经滤波处理之后的希尔伯特模式。显然，根据图7(b)可正确判断电动机转子正常；但是，若仅根据图7(a)则可能做出错误判断。因此，这种滤波处理是必要的。    (2)在以上分析中，曾做出如下假定：笼型异步电动机一旦发生转子断条故障，在其定子电流中将会出现(1-2S)f1频率的附加电流分量。事实上，(1-2S)f1频率的电流分量与基波电流分量相互作用还会产生2Sf1频率的脉动转矩，并最终在定子电流中感应出其它频率的附加电流分量，如(1+2S)f1频率分量。研究表明，这些分量并不影响本文方法的可行性，在此仅举一例。式(7)为笼型异步电动机转子断条时的定子电流仿真信号，这里考虑(1+2S)f1频率分量，复平面模式如图8所示。    (3)前文提及，在转子断条情况下，定子电流信号的希尔伯特模式近似为一圆环形，它的宽度在一定程度上反映了转子断条特征分量的幅值。根据希尔伯特变换物理意义及希尔伯特模式定义，这一点是容易理解的。利用MATLAB SIMULINK与POWER SYSTEM工具箱进行了大量仿真实验，结果证明了这一规律，此处不予赘述。7结论    在转子正常及断条情况下，笼型异步电动机定子电流信号