电机转子断条故障诊断方法探讨_韩天

故障所对应的频率 2sf 和 4sf 的两个边频交流分
量。这样, 故障特征边频交流分量远离电源基频分 量, 从而消 除了基频 分量带来 的不利影 响。文献
第 1 期 韩 天等: 电机转子断条故障诊断方法探讨
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[ 17] 就是采用此方法研究了在变频电源供电情况 下诊断笼型异步电机转子断条故障, 取得了理想的 效果。该方法的不足之处在于由于平方项的引入而 产生的众多交叉项, 使频谱幅值较大的谐波成分很 多, 显得有些凌乱, 这就造成了对电机转子断条故 障诊断的困难[ 18] 。 1. 5 基于定子电流的经验模式分解法
除交叉项的影响, 导致频谱的复杂化。 文献[ 13] 提出基于 Hilbert 变换和图形缩放技
术进行电机故障诊断的监测方法。这一方法主要是 通 过 将 信 号 的 Hilbert 变 换 定 义 到 复 平 面 上 ( Hilbert 模式) , 通过对比转子正常情况和转子断 条情况, 得出定子电流信号在转子正常情况下为一 圆形, 而转子断条情况下为一圆环形这一结论。并 利用图形缩放技术进行观察, 从而得出电机转子有 无断条故障的诊断结果。这一方法回避了从频谱中 提取故障特征分量这一难点, 但是电机即使在转子 正常情况下, 由于采集到的电流信号中的误差影响 其 Hilber t 模式仍为圆环形, 因此现场中利用该方 法存在一定的困难。 1. 3 定子电流 Park 矢量法
and T echnolo gy Beijing , Beijing 100083, China)
Abstract : Inductio n moto r is widely used in industr y and agr icult ur e, and it s o per ating conditio n directly affects pro ductiv ity effect and pro ductio n co st. A mo ng mo tor fault s, bro ken r o tor bar is one of the co mmo n faults. T he br oken ro tor ba r fault diag no sis fo r squirr el cage induct ion mot or is inv estig ated based o n the inter natio nal and domestic r elate theor y. A ll of t he methods ar e tested by simulat ion or ex per iments to identify their v alidity in mot or ro tor fault analysis. A nd the development tendency o f t he r ot or bar s fault diag no stic metho ds is pr esent ed. It also pr ov ides one r eview on mo tor br oken ro to r bar diag no sis fo r m oto r r esea rchers. Key words: induction mot or ; fault diagno sis; bro ken r ot or bar
对电流信号进行谱分析时频谱泄漏会淹没转 子故障特征, N ejjar i 等人[ 14] 提出了基于定子电流 P ar k 矢量的异步电机转子故障检测方法。其基本 思想是把电机定子三相电流变换到 d q 坐标系下, 在理想情况下, 三相电流 i a、ib 、i c 相互平衡, Park 矢 量的形式为
( 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083)
摘要: 通过综合国内外相关理论, 对笼型异步电动机几种转子断条故障诊断方法进行 了研究。仿真或实验验 证结果表明, 所有的方法对检测笼型异步电动机的转子故障是有效的。在此基础上 讨论了转子断条故障诊断 方法的发展趋势, 为电机转子断条故障研究者提供了理论指导。 关键词: 异步电动机; 故障诊 断; 转子断条故障 中图分类号: T M 307. 1 文献标志码: A 文章编号: 1003-8930( 2009) 01-0093-06
电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 第 21 卷
( f ast Fourier transf orm , F FT ) 直 接 作频 谱 分 析 时, 基波 f 频率分量的泄漏会淹没( 1 - 2s) f 频率 分量, 因而使得检测( 1 - 2s) f 频率分量是否存在 变得非常难题。为解决这一困难, 文献[ 8] 提出通 过对采集电动机起动过程定子电流信号进行时变 谱分析, 从时变谱图中观察是否存在( 1 - 2s) f 分 量来诊断转子有无故障。由于在启动过程中, 转差 率是不断变化的, 所以在启动过程中, 在相当的时 段内( 1 - 2s) f 分量的频率可以远离 f 频率分量, 因此在一定程度上克服了稳态运行时作 FF T 分析 方法的不足。但是这一方法对电动机启动时间有比 较严格的要求, 对启动时间短的电动机, 必须通过 降压启动以延长启动时间。而且实际工作环境中, 电动机并不是可以经常启停的。这就造成了该方法 的局限性。文献[ 9] 提出利用连续细化的傅里叶变 换方法, 并用傅里叶变换的结果作为参考信号抵消 f 分量, 从而解决 f 分量泄漏淹没( 1- 2s) f 分量问 题。一倍频与故障频率之间幅值的不同显示了电机 转子条的工作情况, 当转子条开始出现缺陷, 电阻 增大。电机转子条故障状况可以参考表 1 判断[ 10] 。
id =
6 2
iM
s
in
(
t)
( 1)
iq =
Fra Baidu bibliotek6 2
i
M
cos
(
t)
( 2)
由式( 1) 和式( 2) 可得
i
2 d
+
i2q =
3iM2 2
( 3)
式中, i M 为相电流幅值。
由式( 3) 很明显地看出异步电机定子电流在
( d , q) 坐标下的轨 迹是一个圆。当电机转 子断条 时, 定子电流除了基波分量外, 还有( 1 - 2s) f 的边
1 基于定子电流的分析
1. 1 基于定子电流的快速傅里叶变换频谱分析 研 究表明, 当电机转子出现断条故障时, 定子
电流会出现( 1 - 2s) f 的电流分量[ 4～6] , 这里 s 为电 机转差率, f 为工频。同时由于转子故障引起转矩 的脉动及转速的摆动, 在定子绕组中又产生( 1 2s) f 频率分量的电流。所以可以通过适当的方法 检测定子电流中的频率分量( 1 - 2s) f 即可实现电 机转子断条故障诊断。
调整建议
进一步监测 增大监测频率 测试确定故障
立即维修 立即维修或使
用备用电机
注: 峰峰差为工频峰值减支电流分量峰值后取对数
1. 2 基于定子电流的 Hilbert 变换 Hilbert 变换是数字信号处理中一种理想的移
相方法。对某一信号进行该变换, 可得到其共轭信 号。Hil bert 变换的具体定义可参见文献[ 11] 。文献 [ 12] 将Hilbert 模量定义为原始信号与其共轭信号 的平方和, 并在此基础上得出 2sf 分量作为电机转 子断条特征分量。当然, 在 s 很小时, 故障分量与直 流分量在频率位置上很接近, 但由于从直流分量中 提取小波动分量比从工频分量中提取断条故障特 征分量简单, 因此该方法一定程度上弥补了工频成 分淹没断条故障成分。这种方法的缺点在于不能消
频分量, 此时 P ark 矢量轨迹就不再是一个圆形。文
献[ 15] 就是基于此用几何形状的方式表述电机的 故障信息, 从而进行电机转子断条故障的诊断。该
方法突破了传统的信号谱分析法, 可以进行多故障
诊断, 给电机故障诊断提供了新的思路。但是这种 方法仅仅局限在诊断转子故障的有无, 而对分析故
障严重程度方面存在严重不足。
经 验 模 式 分 解 ( empirical mode deco mposit ion, EMD) 方法是由美国国家宇航局的 Huang 于 1998 年提出的, 被认为是近年来对以傅 里叶变换为基础的线性、稳定频谱分析的一个重大 突破, 主要用于非线性、非平稳信号的分析。EM D 方法的基本原理可参见文献[ 19] 。文献[ 20] 就是 利用 EM D 分解处理转子断条故障时的定子电流 信号, 适当选取分解得到有限的固有模态函数 ( intr insic mo de funct io ns, IM F) , 对其进行包络谱 分析, 根据包络谱中是否含有故障频率分量来判断 有无转子断条出现, 取得了效果。EMD 分解的好处 在于它能根据信号自身的特点, 将信号分解为从高 到低不同频率的信号, 而不需要像 Hilber t 变换一 样提前滤波, 也不需要像小波 变换那样选择小波 基, 因此 可以说, EM D 是一个自适应的信 号分解 方法。 1. 6 基于小波脊线的转子断条特征频率提取
异步电动机以其结构简单、使用寿命长、维护 工作方便而在传动领域占有极其重要的地位。对异 步电动机进行在线状态监测及时发现异步电机的 早期异常, 避免电机失效和高价维修, 防止产量下 降及其带来的经济损失, 具有重要的意义。异步电 动机的可能的故障种类很多, 监测方法各异[ 1, 2] 。其 中 异 步电 动机 转 子断 条故 障, 占电 动机 故障 的 10% 左右[ 3] , 对异步电机转子故障监测以便实施 可靠诊断, 有着重要的研究价值。国内外学者在异 步电动机的状态监测与故障诊断领域做了大量的 工作, 提出了各种监测与诊断方法。本文针对异步 电动机转子断条故障的几种诊断方法, 分析了它们 的优缺点, 并讨论了电机转子断条故障诊断的发展 趋势。
第 21 卷 第 2009 年 2
1月期
电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 P ro ceeding s of the CSU -EP SA
V ol. 21 N o . 1 Feb. 2009
电机转子断条故障诊断方法探讨
韩 天, 尹忠俊, 杨邵伟
1. 4 基于定子电流的扩展 Park 矢量方法 扩展 P ark 矢量方法就是基于 P ark 矢量的模
i d + jiq 2 进行谱分析, 有关扩展 Park 矢量方法的
定义及原理可参见相关文献[ 16] 。当电机转子发生
转子断条故障时, P ark 矢量模的频谱当中, 包含有 电源电流基频分量为主要成分的直流分量, 和断条
Discussion of Diagnostic Methods for Broken Rotor Bar of Induction Motor
HAN T ian, YIN Zhong -jun, YANG Shao-w ei ( School of M echanical Eng ineering , U niversity of Science
电机启动过程中, 定子电流中转子断条故障特 征频率( 1 - 2s) f 是不断变化的, 采用小波脊线的 方法提取断条故障特征分量可以有效地消除基频 成分的影响, 提高转子断条故障检测的准确性。小 波变换具有自适应多尺度分频特性, 可以将多频率 分量混合信号按尺度对应的频带依次分离开来, 分 别得到相应频率成分的幅值和相位信息。在采用小 波脊线提取信号瞬时特征频率时, 选取不同的尺度 迭代初值, 即可以提取出所需要的时频脊线, 进而 给出转子故障特征在电机启动过程中变化曲线。文 献[ 21, 22] 就是基于此进行电机转子故障诊断方 法的研究。该方法的不足之处在于当电机启动开始 与稳态之前一段时间内, 故障信号与工频信号非常 接近, 而且电机启动过程时间通常非常短, 这就给 故障脊线的提取带来了困难。
表 1 转子条损伤程度评估 Tab. 1 Assessment of rotor bar damage severity
等级
1 2 3 4 5 6 7
峰峰差 / dB
> 60 54 ～ 60 48 ～ 54 42 ～ 48 36 ～ 42 30 ～ 36
< 30
状态 非常好
好 一般 可能有故障 1 至 2 个断条 多个断条 故障严重
文献[ 7] 就是根据这一原理实现的电机转子 断条故障的诊断。但是由于( 1 - 2s) f 分量的绝对 幅值很小, 并且异步电动机运行时转差率很小, 频 率( 1 - 2s) f 与 f 非 常接近, 用 快速傅里 叶变换
收稿日期: 2008-08-01; 修回日期: 2008-08-25
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