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小波分析在异步电机转子断条故障诊断中的应用

编号:( )字 号

本科生毕业设计(论文)

题目:

姓名:

学号: 班级:

二〇一一年六月

小波分析在异步电机转子断条故障 诊断中的应用 电气工程与自动化2007-4班

***大学

本科生毕业设计

姓名:学号:

学院:信息与电气工程学院

专业:电气工程与自动化

设计题目:小波分析在异步电机转子断条故障诊断中的应用专题:

指导教师:职称:副教授

2011年6月

****大学毕业设计任务书

学院信电学院专业年级电气工程与自动化2007-4班学生姓名

任务下达日期:2011年2月21日

毕业设计日期:2011 年2 月21 日至2011 年 6 月15 日

毕业设计题目:小波分析在异步电机转子断条故障诊断中的应用毕业设计专题题目:

毕业设计主要内容和要求:

1、掌握异步电机转子断条故障的诊断原理和方法。

2、学习小波理论,掌握MATLAB小波工具箱的使用。

3、应用小波方法对断条故障进行检测。

4、完成应用小波方法检测断条故障的MATLAB仿真。

院长签字:指导教师签字:

****大学毕业论文指导教师评阅书

指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):

成绩:指导教师签字:

年月日

****大学毕业论文评阅教师评阅书

评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规范程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):

成绩:评阅教师签字:

年月日

****大学毕业论文答辩及综合成绩答辩情况

提出问题

回答问题

基本

正确

有一

般性

错误

有原

则性

错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩:

答辩委员会主任签字:

年月日学院领导小组综合评定成绩:

学院领导小组负责人:

年月日

摘要

三相异步电机以其结构简单、价格低廉、可靠性高、维护方便而在工农业生产中取得了广泛的应用。电机故障不仅会损坏电机本身,严重时还会使电机突然停机、生产线崩溃,造成巨大的经济损失和灾难性后果。而转子断条故障是电机最常见的故障,约占电机全部故障种类的10%。因此,研究异步电机转子断条故障诊断技术以在电机故障早期发现故障并及时检修,具有重大的理论意义和社会经济价值。

本文应用小波分析方法对异步电机转子断条故障进行了数据仿真分析。首先简要介绍了电机故障诊断技术的研究现状和基本内容,阐述了异步电机基本工作原理和断条故障机理,并概括了异步电机转子断条故障的产生原因及主要诊断方法。阐述了小波分析的基本理论和特性,对采集到的数据分别进行了小波软阈值降噪处理和傅里叶降噪处理,并对比分析验证了小波降噪优于傅里叶降噪的结论。在对数据进行小波降噪的基础上,分别应用傅里叶分析方法和小波包频带-能量重构方法对电机稳态运行状态下采集的信号进行了故障分析,应用小波分解方法对电机启动采集信号进行了故障分析,验证了应用小波分析方法对异步电机转子断条故障诊断的可行性。

关键词:异步电机;转子断条;故障诊断;小波分析

ABSTRACT

Induction motors are widely used in the industrial and agricultural production because of its simple structure, low price, high reliability and convenient maintenance. A motor failure not only can result in damage to motor, but also can result in unscheduled machine downtime and the shutdown of a production line, which will cause heavy financial losses and catastrophic failure. The rotor broken bar fault, which account for nearly 10% of total induction motor failures, is the most familiar fault for induction motors. Consequently, researches on rotor broken bat fault diagnosis able to detect this kind of fault at an early stage and also to allow for carefully planned repair actions are of great theoretical significance and socioeconomic benefits.

This paper aims at the induction motor broken rotor bar fault to carry on the data analysis by wavelet analysis. First introduces the researches and basic content of the Motor Fault Diagnosis briefly, and describes the basic working principle of the induction motor, as well as the motor failure. Furthermore, summarizes the induction motor rotor bar breaking fa ult causes and the main diagnostic method. Describes the basic theories and characteristics of wavelet analysis and reduce the noise of the collected data by using the wavelet soft threshold for noise reduction and Fourier for noise reduction. Compared with Fourier for noise reduction, wavelet soft threshold for noise reduction can reach a better result in reducing noises. Based on the Noise reduction for the collected data, apply Fourier analysis and wavelet packet frequency-energy reconstruction method to the rotor fault diagnose under steady-state operation of induction motor; make use of wavelet decomposition to diagnose the fault of motor under the starting-state operations. This paper verify the application of wavelet analysis of induction motor broken rotor bar fault diagnosis is feasible.

Keywords: induction motor; broken rotor bar; fault diagnosis; wavelet analysis

目录

1 绪论 (1)

1.1本课题的研究背景和意义 (1)

1.2电机转子断条故障诊断技术的研究现状 (2)

1.2.1故障诊断技术的产生和发展 (2)

1.2.2异步电机的常见故障类型 (3)

1.2.3异步电机故障诊断常用技术 (4)

1.3本文的主要工作 (4)

2异步电机转子断条机理分析 (6)

2.1异步电机基本工作原理 (6)

2.2异步电机转子断条故障检测的基本原理 (7)

2.3异步电机转子断条故障分析 (8)

2.3.1异步电机转子断条原因分析 (8)

2.3.2异步电机转子断条故障特点 (8)

2.4异步电机转子断条故障诊断的方法 (9)

2.5本章小结 (12)

3 小波分析理论 (13)

3.1傅里叶分析 (13)

3.2小波分析 (13)

3.2.1连续小波变换 (14)

3.2.2离散小波变换 (14)

3.2.3多分辨分析 (15)

3.3小波包分析 (17)

3.3.1小波包基本理论 (17)

3.3.2小波包的性质 (18)

3.4信号分解与重构的Mallat算法 (19)

3.5本章小结 (20)

4小波分析用于信号降噪 (21)

4.1基于傅里叶降噪的局限性 (21)

4.2基于小波变换的信号降噪 (21)

4.2.1降噪问题的描述 (21)

4.2.2小波变换模极大值降噪 (22)

4.2.3基于小波变换尺度间相关性的降噪 (23)

4.2.4小波阈值降噪法 (23)

4.2.5三种小波降噪方法的比较 (24)

4.3基于小波阈值降噪的信号仿真分析 (25)

4.3.1小波阈值降噪的方法 (25)

4.3.2小波阈值的选取 (26)

4.3.3不同阈值对仿真信号的降噪分析 (28)

4.4实验数据的小波阈值降噪分析 (30)

4.5本章小结 (33)

5基于小波分析的异步电机转子断条故障诊断 (34)

5.1仿真软件MATLAB及小波分析工具箱简介 (34)

5.2小波基选择的原则和方法 (35)

5.2.1小波基的性质 (35)

5.2.2小波基的选择 (35)

5.3傅里叶分析方法的电机转子断条故障诊断分析 (38)

5.3.1仿真数据分析 (38)

5.3.2电机稳态实验数据分析 (40)

5.4基于小波包频带—能量重构的转子断条故障稳态数据分析 (40)

5.5基于小波分析的电机转子断条故障启动数据分析 (42)

5.6本章小结 (44)

6 结论与展望 (45)

6.1本文主要结论 (45)

6.2对未来的展望 (45)

参考文献 (47)

翻译部分 (49)

中文译文 (49)

英文原文 (55)

致谢 (62)

1 绪论

1.1本课题的研究背景和意义

自19世纪发明电机以来,由于电能应用方便,电机性能日益完善,其使用、操作简单,易于控制,在工农业生产中得到了广泛的应用[1]。如今,在日常生活和生产活动中,已经离不开各种各样的电机作为原动力和驱动装置,其中,异步电动机以其结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用和维护方便等优点,已成为一种覆盖面最广、使用量最大的电机。随着现代工、农业技术的发展,生产规模不断扩大,电机的使用数量不断增加,电机单机容量也不断加大。电机的运行状态直接影响了生产活动的正常与否,其故障不仅会损坏电机本身,而且会影响整个生产系统的运转,甚至危及人身安全,产生不良的社会影响,而电机的突发故障对生产活动带来的经济损失和影响往往超过电机本身的价值。电机的故障诊断,可以避免故障扩大造成的设备损坏和事故停机,降低维修费用,消除对现场工作人员的安全威胁,为电机状态维修和预知维修提供条件,因此对电机的故障进行诊断和研究,具有重大的经济意义。

根据生产实际的需求,人们不断研究故障诊断的新方法,推动了电机故障诊断技术的发展。目前,电机故障诊断技术有了很大进展,但由于电机类型很多,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、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[1]。导致目前电机故障诊断存在着几个较突出的问题:具有较好的在线检测可行性的方法较少;故障检测的准确度有待提高;对故障检测结果的定量化描述还很欠缺;利用电机的启动过程来研究故障诊断的方法还较少,研究故障主要集中在对稳态运行中的故障检测[2]。因此,探索电机故障诊断的新方法,提高故障诊断的准确性具有重要的理论价值和现实意义。

电机发生故障时,信号中往往含有大量的时变、短时冲击、突发性质的成分,这使得电机故障诊断和保护中广泛应用的基于稳态信号的传统分析方法,如傅里叶变换、最小二乘法等产生了较大误差,不利于故障的及时诊断和排除。因此,寻找一种能有效处理时变信号的信号处理技术,成为电机故障诊断的迫切要求。

小波变换是一种时频分析方法,具有时频局部化和多分辨率的特点,能在时域和频域表征信号的局部特征,被成为“数学显微镜”[3]。它是在傅里叶基础上发展起来的新方法,具有良好的时频分析能力,分析低频信号时,时窗变宽,频窗变窄,分析高频信号时,时窗变窄,频窗变宽。因此可以将暂态或非稳态信号在某一时间段内的相应频率提取出来,为电机故障诊断提供了良好的技术支持。

1.2电机转子断条故障诊断技术的研究现状

1.2.1故障诊断技术的产生和发展

故障诊断技术是根据设备运行状态信息查找故障源,并确定相应决策的一门综合性的新兴科学。它能实现设备在带负载、不停机的情况下,通过使用先进的技术手段,对设备状态参数进行检测和分析,判断设备是否存在异常或故障、故障的部位和原因及故障的劣化趋势等,以确定合理的检修时间和方案[4]。

故障诊断技术是20世纪60年代后半期首先在美国出现,最初的目的是用于对航天、核能、军事装备进行早期异常检测。这些设备往往要求具有很高的安全性和可靠性,机器设备的故障必须事先发觉,并采取防御,否则一旦发生事故,将会导致人员伤亡和严重的环境污染和公害[1,4]。随着计算机技术和电子技术的发展,生产设备不断向着大型化、高速化、连续化和自动化方向发展,对设备的生产性能和精度都有更高的要求。从而使设备向复杂化、昂贵化方向发展,出现事故损失大,影响广,维修成本高。此外,现代化大规模生产以提高产品质量和生产效率、降低生产成本、节约生产资料和劳动力为目的,采用技术先进、结构复杂、精度高的生产设备。这些设备维护的点检工作量很大,检查项目很多,检查工作质量要求较严格,又不允许随便解体检查。此外,设备故障造成的停产损失越来越大,设备故障维修费用越来越高,维修成本在总生产成本中的比重日益增大。设备的现代化对设备的维修体制提出了变革要求。

上述这些原因说明,故障诊断技术随着生产活动对设备的安全性、可靠性和维修的迫切性要求应运而生,科学技术和工业发展给设备维修管理提出了新的课题。在现代的各个新技术领域和工业生产中,设备的高可靠性运行和最合理的维修方式,己经成为关键和焦点。设备诊断技术、计算机技术、信息技术作为它们的技术基础,已经逐步形成而迅速崛起,并很快的在各个领域得到推广和应用。

故障诊断技术由于其重要的现实意义和生产活动的要求,在国内外都得到了快速的发展。在美国,从20世纪60年代起,先后成立了机械故障预防小组,齿轮、噪声及动力学研究室,锅炉、压力容器检测中心,赛格研究所等,以研究机械故障机理、检测、诊断和预测技术、齿轮轴承的诊断等故障诊断工作。在英国,从20世纪60年代末期起,英国机器保健中心首先开展了诊断技术的宣传、培训、咨询和开发,此后,曼彻斯特大学等也相继开展了此项工作的研究。在欧洲其他国家,故障诊断技术也得到发展,并形成了各自的特色。丹麦B&K公司的声学和振动的检测和监测技术得到世界公认;瑞典AGEMA公司的红外测温技术被普遍用于电力部门及生产活动的测温中;日本钢铁、化工、交通、电力等部门在故障诊断技术的开发和应用也发展比较快,在各部门中先后成立了故障诊断机构,并在东京大学等高校中开展了故障诊断技术的研究工作。

我国故障诊断技术的研究和开发始于20世纪70年代末期。1983年国家经委制定的《国营交通设备管理试行条例》规定“根据生产需要,逐步采用现代故障诊断和状态检测技术,发展以状态维修为基础的预防性维修”促进了我国故障诊断技术的发展。80年代初西安交通大学东北大学等先后成立了故障诊断研究室,清华大学、浙江大学、北京科技大学、南京航空学院、北方交通学院等相继开展了该项技术的研究,为国内该项技术的发

展奠定了基础。1987年5月中国振动工程学会故障诊断学会成立,并召开了第一届旋转机械故障诊断对策研讨会。此后,全国各大城市相继成立了机械设备诊断技术委员会或研究开发中心,积极开展宣传、咨询、培训、技术交流等活动,有力地推动了该项技术的推广和应用。

1.2.2异步电机的常见故障类型

异步电机是应用最广泛的一种电气设备,它由转子、定子、轴承及气隙等几部分构成。在长期运行中,异步电机常见的故障类型主要有转子断条故障、定子绕组的匝间短路故障、轴承故障、气隙偏心故障[5,6]。

1、转子断条故障

转子故障主要有导条脱焊和断裂以及端环的损坏,产生这些故障的内因是工艺问题,外因是工作环境恶劣,电机频繁启动等。可是在实际中,制造工艺受到制造厂家技术水平的限制,频繁启动和工作条件又是实际所要求的,所以转子导条或端环经常发生开焊和断裂等故障是难免的。

转子导条或端环出现轻微故障时,通常只引起电机在恒转矩负载下的转差率增大,相应地引起定子电流和输入功率的增加。当转子导条出现比较严重的断裂时,电机的启动时间明显加长,甚至启动失败。转子导条断裂故障若没有及时被发现并采取措施,会造成更严重的故障,如导条断裂可能引起相邻导条连续断裂;断裂的导条在高速运转的情况下和定子绕组可能产生划擦,造成扫膛故障,从而使定子绝缘损坏,带来定子绕组故障等。

2、定子绕组的匝间短路故障

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绝缘破坏而出现的短路。电机的绝缘系统在机械强度、耐热性、对环境的抵抗力等方面都是电机结构中最薄弱的环节之一,其发生故障的几率也比较高[5]。在制造过程中,线圈的压型或换位不当,易造成匝间短路。此外,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,长期发展下去将会导致更为严重的多匝线圈间的短路,甚至发生相间短路、单相接地短路、线圈和定子铁芯的烧损等严重故障。

3、轴承故障

电动机的机械故障也是影响其正常运行的重要因素,而其主要表现形式就是电动机的轴承损坏。轴承故障主要是由负载过重、安装不正、润滑不良、轴电流、异物进入等原因引起的。主要表现为表面剥落、轴承磨损、碎裂、腐蚀和胶合等现象。轴承出现故障后,将引起电动机的异常振动。

4、气隙偏心故障

异步电机的气隙较小,因而对磁动势和磁拉力比较敏感。当电机生产或装配不正确,轴承磨损,轴承弯曲以及电动机转速太高时,容易造成电机的气隙偏心。气隙偏心包括静态偏心和动态偏心。静态偏心是由定转子铁心内径的椭圆度或装配不正确造成的,其偏心的位置是固定的,与转子位置无关;动态偏心,是由转轴弯曲、轴承磨损、轴颈弯曲、临界转速时的机械共振等因素造成的,其偏心位置在空间是变化的,通常与转子的位置和旋转频率有关。

1.2.3异步电机故障诊断常用技术

电机虽有不同的类型,但它们的基本原理相同,都由电路、磁路、绝缘、机械和通风等系统构成,因而都可以采用诊断技术对电机进行故障诊断。异步电机常用的故障诊断技术主要有[1,7]: 振动诊断、电流分析法、温度诊断、换向诊断、绝缘诊断和振声诊断技术。

1、振动诊断

通过对电动机的振动检测,对信号进行各种处理和分析,诊断电机产生故障的原因和部位,并制定处理方法。

2、电流分析法

通过对负载电流幅值、波形的检测和频谱分析,诊断电机故障的原因和程度。

3、温度诊断

用各种温度检测方法和红外测温技术,对电机各部分温度进行检测和故障诊断。

4、换向诊断

对直流电机的换向进行检验和诊断,通过机械和电气检测方法,诊断出影响换向的因素和制定换向的方法。

5、绝缘诊断

利用各种电气实验和特殊诊断技术,对电机的绝缘结构、工作性能以及是否存在缺陷做出结论,并制定处理方法。

6、振声诊断技术

振声诊断技术是对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号,分别进行信号处理,然后综合诊断,因而可以大大提高诊断的准确率,因此,振声检测和诊断受到广泛地重视和应用。对电机的故障诊断来说,振声诊断同样具有重要价值。

1.3本文的主要工作

本文在参考大量国内外转子故障诊断方面文献的基础上,运用小波变换科学理论,进行了仿真和试验研究。通过小波分析方法和傅里叶分析方法的对比,得出小波分析方法在电机转子断条故障诊断中的优越性。利用小波分解和小波包频带-能量重构方法分别对电机启动和稳态时的转子断条故障进行了分析。本文的结构安排如下

第一章介绍了该课题研究的背景和意义以及故障诊断技术的产生和发展,并概括了异步电机常见的故障类型及其常用的故障诊断技术。

第二章介绍了异步电机转子断条机理,包括异步电机的工作原理、转子断条故障的检测原理、转子断条故障的产生原因和特点等,阐明了电机转子断条故障诊断的基本方法及各种方法的实现理论。这一章是本文研究的理论基础,对下文的研究具有重要的理论指导意义。

第三章介绍了小波分析的基本理论,其中包括傅里叶变换的局限性、连续小波变换、离散小波变换、多分辨率分析、小波包分析、信号分解与重构的Mallat算法等。这一章是本文研究和分析的信号处理方法。

第四章研究了小波降噪方法:阐述了传统傅里叶降噪的基本原理和局限性,并介绍了小波降噪的三种方法:小波变换模极大值降噪法、基于小波变换尺度间相关性的降噪和小

波阈值降噪法的降噪原理,以及三种方法的区别。对小波软阈值降噪中的四种不同阈值方法进行了信号仿真分析,通过分析对比选择了本文的降噪方法:无偏似然估计软阈值降噪法,并对实验采集的转子一根断条和三根断条时的异步电机定子电流信号进行了降噪处理。这一章是本文的核心内容之一,本章对信号的降噪效果直接影响电机故障诊断的效果,具有至关重要的作用。

第五章是对信号的仿真分析,是本文的核心内容。这一章简要介绍了仿真软件,对仿真信号进行了时域和频域的分析,证明了故障电机诊断方法的可行性;利用傅里叶分析方法对实验采集信号进行了分析,证明了傅里叶在故障诊断中的局限性;用小波包频带-能量重构方法对电机在稳定运行状态下发生转子一根断条和三根断条故障进行了分析;用小波分解方法对电机在启动过程中发生一根断条和三根断条故障进行了分析。通过仿真分析验证了电机断条故障诊断的小波分析方法的可行性和优越性。

第六章主要是对本文研究工作的总结,并且对进一步深入研究做了粗浅的展望。

2 异步电机转子断条机理分析

2.1异步电机基本工作原理

异步电机由定子和转子两大部分组成,定子和转子之间是空气隙。电动机靠旋转的定子磁场切割转子导体产生感应电流,此旋转磁场对转子感应电流作用而带动转子转动,从而实现机电能量的转换[8]。

当向电动机送电后,定子三相对称绕组流过三相对称电流,在气隙圆周上产生一个旋转磁场。该磁场的转速1n 称为同步转速,它与电源频率1f 及电机极对数p 之间的关系

1160f n p

= (2.1) 该磁场旋转时,在转子短路绕组中产生感应电动势,设磁场顺时针方向旋转,当转到如 图2.1所示位置时,根据右手定则,转子导体感应电动势的方向是上半部为?,下半部为?,因转子绕组是短路的,所以在转子绕组中有电流流过,转子电流的方向在大多数导体中与电动势方向是一致的,根据左手定则可知,这些载流导体在磁场中受力所形成的总电磁力矩是顺时针的。该电磁力矩就是拖动电动机旋转的电磁转矩,它使转子沿旋转磁场方向 n

??

????

?

U ’U

V

V ’W W ’N

S

F F

图2.1 异步电机工作原理

转动。当电动机电磁转矩与负载阻转矩在某一转速下相等时,电动机就在该转速下正常运行。转子的转速n 总是比旋转磁场的转速1n 低,以保证转子始终切割磁场,产生感应电动

势以提供电磁转矩,维持电动机继续运行。旋转磁场与转子转速存在着转速差1n n n ?=-是异步电机工作的一个特点。通常,n ?与1n 之比称为转差率,用s 表示

1n n s n

-= (2.2) 转差率s 是反映异步电机运行状态的一个重要参数,当异步电机接通电源启动瞬间,0n =,所以1s =;当电机稳定运行后,由于1n n <,所以0s >。所以电动机转差率变换

范围为: 01s <≤。

2.2异步电机转子断条故障检测的基本原理

理想的感应电动机定子电流的频率是单一的,即电源频率。但是当转子回路出现故障时,定子电流频谱图上就会在与电源频率相差2倍转差频率12)sf ±(的位置上各出现一个边频带,且特征频率12)s f -(1和电源频率1f 非常接近,两者相差约2-5Hz [4]。一台极对数为

p 的感应电动机,当电网供电频率为1f 时,电机定子绕组上将产生磁动势,其基波表达式为

1111s i n ()

m K N I t p ωθ=- (2.3) 式中1K 为与极对数、绕组系数有关的常数;1N 为定子绕组每相匝数;1I 为定子电流;ω为电网角频率;θ为以机械角度表示的初相角。

转子绕组相位角

r t φθω=- (2.4)

式中r ω为转子旋转角速度。

对于两极(p =1)电机来说,其磁动势为

1111sin(())r m K N I t ωωφ=-- (2.5)

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

2222s i n (())r m K N I t ωωφ=-- (2.6) 式中2K 为与极对数和转子绕组系数有关的常数;2N 为转子绕组匝数; 2I 为转子电流。

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sin 2φ所调制,这时转子绕组磁动势将变为以下表达式

2222s i n (())s i n 2r m K N I t ωωφφ=-- (2.7)因此

2222{c o s [()3]c o s [()]}2r r K N I m t t ωωφωωφ=-----

(2.8) 由于转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的,并将式(2.5)代入式(2.8),则得到反映定子磁动势的表达式为

22212{cos[(2)3]cos[(2)]}2

r r K N I m m t t ωωθωωθ==----- (2.9) 对于两极电机,其转差率s 为

r s ωωω

-=

(2.10)

(1)r s ωω=- (2.11) 式(2.11)代入式(2.9)即得

2221=

{cos[(32)3]cos[(12)]}2

t t K N I m s s ωθωθ----- (2.12) 由式(2.12)可见,磁动势表达式中第一项磁动势分量含有3t ω和3θ,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2s ω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2s ω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12sf ±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由式(2.13)估计

122/(/2)N R I I p ≈+ (2.13)

式中1I 和2I 分别为1f 和

12)s f -(1频谱幅值;R 为转子铁心槽数;p 为电机极对数;N 为转子断条数目。

2.3异步电机转子断条故障分析

2.3.1异步电机转子断条原因分析

转子故障通常表现为转子断条和端环开裂故障。异步电机在启动时,转子绕组内短时间流过的电流较大,通常为额定电流的5~7倍[9],导条不仅承受很大的冲击力,而且快速升温,产生热应力,端环还需承受很大的离心应力。异步电机在反复启动、运行、停转过程中,笼条和端环受到循环热应力而变形,由于各部分位移不同,受力不均匀,会使笼条和端环因应力分布不均匀而断裂。从电磁力矩角度看,启动时的加速力矩和工作时的驱动力矩都是用笼条产生的,减速时笼条要承受制动力矩的作用,当负载变化和电压波动时,笼条要承受交变负荷的作用,因此电机容易产生疲劳。此外,当笼条绕组铸造质量、导条与端环的材质和焊接质量存在问题时,笼条和端环将更容易发生断裂和开焊故障。同时,电机经常过负载运行和受到冲击负荷时电机也容易发生转子断条故障。

2.3.2异步电机转子断条故障特点

当电机发生故障后,可以根据出现的一些特点初步判断电机的故障,这有利于电机的进一步诊断和电机的经济运行。当电机发生断条故障后,在电机启动过程中,电流将不断摆动,且启动十分困难,严重时将使电机无法启动;当电机运行时发生断条故障后,电机将出现剧烈的振动,同时电机的滑差增加;断条故障电机的换向火花比正常电机大。

2.4异步电机转子断条故障诊断的方法

异步电机在工农业生产中得到广泛应用,其转子断条故障检测的方法一直是科学工作者研究的热点。目前,异步电机转子断条故障检测方法主要有

1、基于信号检测的诊断方法

转子断条故障是异步电机常见的故障之一。对异步电机转子故障进行检测,以便实施有效的诊断,有着重要的研究价值。常用的转子断条故障检测方法有多种,根据检测信号的不同可分为电流分析法、失电残压法、瞬时功率法、脉振磁场分析法、电磁转矩分析法、振动噪声分析法等。

(1)电流分析法

当转子出现导条断裂时,三相对称电流将被破坏,从而产生一个反向磁场,它在定子电流中引起一个频率为1(12)s f -的特征分量(s 为转差率,1f 为基波频率),通过分析频谱图,

看是否含有该分量来判断转子有无出现断条故障[10,11]。由于这种方法是对定子电流信号进行检测,故称之为电流分析法,它具有特征信号采集简单、方便的特点。

分析法存在一定的缺陷:在对定子电流进行频谱分析时,由于1(12)s f -频率分量的幅

值相对基频分量的幅值较小,容易被淹没,从而降低了故障诊断的灵敏度,增加了分辨率的要求。针对电流分析法的这些不足,人们在不断研究,如何能提高诊断的灵敏度,以提取微弱的特征信号。

(2)失电残压法

异步电机突然失去外加电源后,定子绕组中会有失电残余电压产生。当转子出现断条故障后,转子电流将在失电残余电压中引起(61)m ±次谐波分量0,1,2,3...m = ,通过检测与分析该分量,便可诊断转子故障[12]。该方法有不受电源电压不对称、电压波动影响,也不受负载大小、性质、波动影响的优点。文献[13]对电机失电后定子绕组的残余电压进行分析,并将其用于诊断电机转子断条故障,通过仿真与实测研究,验证了该方法的可行性。

但是,在电机失电后,转子电流会很快衰减,故它对失电残压的影响也会很快减小,这便给失电残压的信号检测带来影响。此外,在转子没有出现故障情况下,定子的失电残余电压也会存在小幅值的谐波分量[14,15]。

(3)瞬时功率法

当转子出现断条故障时,异步电机的瞬时输出功率信号中便会包含直流分量及一些边频分量。根据这一事实,可以应用瞬时功率法,过滤瞬时功率信号中的直流分量,其余频率分量经过快速傅立叶变换,看信号频谱图中是否存在频率为12sf 的故障特征量来判断转子有无断条故障[16] 。该方法具有特征信息量多(直流分量、12sf 分量、12(1)s f ±分量)、诊断灵敏度高、采样分辨率要求低的特点。但是,它只能判断有无断条故障,难以判断故障严重程度。因此,还需要克服如何提高诊断精度的缺陷。

(4)脉振磁场分析法

脉振磁场分析法[17]的工作原理是:电机正常运行时,气隙磁场为一个圆形旋转磁场;当出现断条时,气隙磁场可看作是圆形旋转磁场和一个脉振磁场的叠加,在定子铁心上放节距为二倍极距的探测线圈,可探测脉振磁场,并判断转子有无断条情况。应用该方法时,转子既不需通电也不需转动,给检测带来方便。当探测线圈的节距偏离电机极距的偶数倍时,气隙的旋转磁场与脉振磁场会同时被线圈探测到,从而影响诊断结果。此外,该方法也

难以对故障严重程度作出判断。

(5)电磁转矩分析法

当异步电机转子发生断条故障时,转子绕组不对称运行将会使转子旋转磁场引入反向分量,该反向旋转磁场和定子旋转磁场相互作用,将会使电磁转矩信号中引入频率为12sf 的转矩波动分量。转矩的波动可用各种转矩传感器进行测量,对转矩频谱进行分析,根据其2倍转差频率是否存在,可以判断转子是否出现断条故障[18]。

由于电磁转矩包含了电机定转子全部磁链和电流的相互作用,其对转子故障非常敏感,将其作为转子故障特征来检测转子故障,可以很好的突出故障特征能力。但是,在电机稳态运行时,电网频率的波动、电机负荷波动等引起的s 波动会与转子故障特征相混淆,给诊断带来困难。

文献[19]提出一种基于电机启动电磁转矩信号分析的转子故障诊断方法。对电机启动电磁转矩信号进行复值小波变换,根据分析小波在特定中心频率条件时信号瞬时频率与其对应小波脊线的关系,提取出故障特征转矩频率变化规律,实现转子故障的可靠检测。同时, 对应尺度上小波系数的模值还能够反映该故障特征转矩在电机启动过程中的幅值变化规律,将其作为故障严重程度指标则可以进一步判断转子断条根数。

(6)振动噪声分析法

转子的振动信号是其故障特征识别与诊断的重要信息来源,对所采集的转子振动信号进行频谱分析,根据频谱图中反应出的特征分量来判断转子的故障情况。然而,振动信号往往是由多个信号混叠在一起的,所检测的信号必然会有其他信号的干扰,给故障特征识别与诊断带来困难[20,21] 。

2、基于信号处理的诊断方法

在故障早期,一些故障特征信号往往被其他信号和噪声所淹没,这便给诊断工作带来困难。利用有效的数字信号处理技术可以实现对故障特征信号和干扰信号的分离,对干扰信号进行抑制,同时提取故障诊断信号中包含故障特征信号的频率成分,从而检测出设备的故障信号。对于笼型异步电机的转子断条故障,在作定子电流信号处理时,较为常用的处理方法有:快速傅立叶变换(FFT)、希尔伯特变换、自适应滤波、Park 变换、小波脊线分析等。

(1)快速傅立叶变换( FFT)

快速傅立叶变换是信号处理技术中的一种基本方法,被广泛应用于故障信号的处理。通过对定子电流信号作快速傅立叶变换,再进行频谱分析,看是否含有1(12)s f - 频率分量,便可判断有无断条故障。快速傅立叶变换处理过程简单、方便。但它只适用于平稳负荷运行情况, 而且可能出现基波频率分量泄漏及噪声频谱淹没1(12)s f -频率分量的情况。因此,还需要解决提取微弱故障特征信号的问题。

(2)希尔伯特变换

当给定实时信号()x t 时,对其作希尔伯特变换,变换后的信号幅值不变, 相位作90 度改变。将变换前、后的信号作平方和,得到一新信号, 对其进行频谱分析, 看是否存在12sf 频率分量来判断有无断条故障。这种对故障信号处理的方法叫希尔伯特变换法,它也具有处理过程简单的特点。

文献[22]提出一种基于定子电流希尔伯特模量频谱分析的方法,对异步电机转子故障

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