感应电动机转子断条故障诊断系统的研究

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相上,将电机稳态运行时的电流信号转换成电压信
号,再利用 DSO- 2lUU 控制软件对信号采集和存储。
图l 故障诊断试验系统框图
DSO- 2lUU 双 通 道 数 字存储示波器是通过并行 口与计算机相连。它的每 个通道具有lUU MHZ"s 的 采样速率和32 k 的采样深 度,它还有5U MHZ 的频谱 分析 仪 功 能 和 存 储 功 能, 并且可以通过并行口将数 据送入计算机。本系统采 用l UUU HZ 的采样频率, 32 k 的 采 样 深 度,频 率 分 图2 数据采集流程图
第32 卷第4 期
黑龙江水专学报
Vol. 32 ,No .4
2005 年12 月
Jour nal of ~eilongji ang ~ydraulic Engi neeri ng College
Dec . ,2005
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黑龙江水专学报
第32 卷
表达式为
m l = Kl N li lsi n(!t - l")
(l )
式中 Kl 为与极对数、绕组系数有关的常数;N l 为
定子绕组每相匝数;i l 为定子电流;! 为电网角频
率;" 为以机械角度表示的初相角。
转子绕组相位角
#= "- !rt
(2 )
式中!r 为转子旋转角速度。
号进行采样,把采集到的信号通过并行口输入到计 算机中,再通过调用 MATLAB 引擎对采集到的信 号进行频谱分析,同时根据故障诊断原理进行频谱 寻峰,并提取出特征频率成份,从而实现对电机故障 的自动诊断。
目前常用的转子断条在线监测分析方法是采用 快速傅里叶变换对采集到的定子电流信号进行频谱 分析,但是在C + + Buil der 环境下要实现快速傅里 叶变换及 绘 图 功 能,需 要 编 写 大 量 的 代 码,费 时 费 力。然而 MATLAB 具有强大的科学计算功能和面 向不 同 领 域 的 工 具 箱。 因 此,本 文 采 用 C + + Buil der 与 MATLAB 混合编程的方法,大大减少了 源代码的编写[1 ]。
第4 期
张春喜,等. 感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
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辨率可以达到0. 030 5 。 图2 是系统数据采集流程图。在电机定子电流信
号的采集过程中,系统会对外部触发信号进行检测,当
监测到有信号触发时,软件会自动进行数据的采集更
换,否则系统就会一直处于等待触发信号状态。
3 数据处理及试验结果分析
(6 )
由于转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的,
并将式(3 )代入,则得到反映定子磁动势的表达式为
ml
=
m2
=
K2 N 2i 2
2 {cos[(!-2!r
)t -3"]
-cos[(!-2!r )t + "]}
(7 )
对于两极电机,其转差率s 为
s
=
!- !r !

(8 )
!r =(l -s )! 式(9 )代入式(7 )即得
图4 正常时的频谱图
图5 有1 根断条时的频谱图
图3 自动诊断流程图
本试验是通过在电机转子导条上穿孔,使电机 类似于真实的断条。试验开始时先采集一组电机正 常时的信号并保存。采集完后再在电机导条上穿一 个孔,使电机在有一根断条的情况下运行,当运行稳 定后开始采样分析,把每次采集到的数据和分析得 到的结果保存起来,最后再取平均值并送往显示。
比电源电流角频率低2s ! 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 2sJ 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
对于两极(l = l )电机来说,其磁动势为
m l = Kl N li lsi n((!- !r )t -#) (3 )
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,将感应电势产生的
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
m 2 = K2 N 2i 2si n((!- !r )t -#) (4 ) 式中 K2 为与极对数和转子绕组系数有关的常数; N 2 为转子绕组匝数;i 2 为转子电流。
(9 )
ml
=
K2 N 2i 2
2 {cos[(3 -2s
)!t -3"]-cos
[(l -2s )!t -"]}
(lU )
由式(lU )可见,磁动势表达式中第一项磁动势
分量含有3!t 和3",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 ! 的 分量,这个分量将使异步电机定子绕组中出现一个
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si n 2# 所调制,这时转子绕组 磁动势将变为以下表达式
m 2 = K2 N 2i 2si n((!- !r )t -#)si n 2# (5 )
因此
m2
=
K2 N 2i 2
2 {cos[(!- !r
)t - 3#]-cos
[(!- !r )t -#]}
syste m realized t he aut o matic di agnosis f uncti on about t he f ault of t he broken bars . Key words :i nducti on mot or ;f ault detecti on and di agnosis ;broken bars ;Fourier transf or ms
图4 、图5 和图6 是在同一负载下采样得到的。 从图中可以很清楚地观察到边频带是随着断条数目 的增多而增大。从系统分析结果看,图4 显示 N= 0. 002 3 ,图 5 显 示 N = 0. 975 35 ,图 6 显 示 N = 3. 071 15 ,分析结果与在转子导条上穿孔的根数相 符,说明本系统所使用的方法对判断转子断条故障 是完全正确的。
本系 统 在 C + + Buil der 环 境 下 通 过 调 用 MATLAB 引 擎 对 采 样 信 号 进 行 频 谱 分 析,生 成 MATLAB 频谱图,同时返回信号的频谱数组。在 C + + Buil der 环境下,根据特征频率值在频谱数组中 进行频谱寻峰。首先在50 ~z 附近读出最大值即为 基频分量I1 ,因为特征频率(1 -2s)f 和电源频率f 相差约为0. 5 !5 ~z ,因此可以在45 !49. 5 ~z 之间 进行寻峰,这个峰值就是特征频率(1 -2s)f 的幅值 I2 。用户只要在应用程序中输入电机的极对数和转 子铁心槽数,系统就会根据式(11 )计算出故障电机 的断条根数并自动地显示给用户。图3 是本系统的 自动诊断流程图。
0 引言
随着现代工业及科学技术的迅速发展,电机已 成为现代工业发展必不可少的条件。但是电机一旦 发生故障,必将给企业生产造成损失。人们为提高 生产和工作的可靠性,对电机进行定期地维修,这样 必定要花费大量的人力、物力和财力,甚至会造成拆 卸过程中的损坏。为此,在近10 a 的发展中,逐渐 形成了一种电机故障预测维修技术。其关键是检测 电机的运行状态,将不正常的运行数据(如振动、电 流)采集下来,通过各种分析手段,判明故障原因和 故障严重程度,以便对故障电机进行重点维修。
2 虚拟数字示波器 DSO- 2lUU 的检测系统
试验系统采用如图l 所示的故障诊断方案。在 系统选用ll k W 的感应电动机作为样机。电动机 的型号是 Y- l8U M- 4 ,极对数 P = 4 ,转子铁心槽数 R = 44 。图中的直流发电机和变阻箱作为电动机的 负载。手钳式电流互感器钳在电动机定子线圈的一
关键词:感应电机;故障检测与诊断;转子断条;傅里叶变换
中图分类号:TM307 + .1
文献标Hale Waihona Puke Baidu码:A
The research of t he f ault diagnosis syste mi n i nducti on motor Wit h broken bars
ZHANG chun- xi ,LI U Hai-li ,LU Zhi- xi ang ,LI U Lei-lei
(~arbi n Uni versit y of Science and Technology ,~arbi n 150040 ,Chi na )
Abstract :This paper anal yzed t he di agnosis pri nci ple about t he i nducti on motor ,developed a f ault di agnosis sys-
te m based on t he DSO- 2100 hypot hesized di gital oscilloscope . This syste m used C + + Buil der and t he MAT-
LAB mi x- progra mmi ng met hod t o co mplete t he si gnal t he spectral anal ysis and Wit hdre W t he peak val ue of t he characteristic f reCuency spectru m,and also co mpleted t he data acCuisiti on module . Accordi ng to t he result ,t his
本试验总共采集了3 组数据,每组有50 多条,分 别是电机正常,有1 根断条和3 根断条时的数据。并 且每次采集得到的分析结果和实际情况完全相符。
4 结语
图6 有3 根断条时的频谱图
本文是基于 DSO- 2100 虚拟数字存储示波器而 设计的一个故障诊断系统,通过其并口将数据存入
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[2 !3 ]。
电机转子断条数目可由式(ll )估计
N !2 R"(i l"i 2 + 2l )
(ll )
式中i l 和i 2 分别为J 和(l -2s )J 频谱幅值;R 为转 子铁心槽数;l 为电机极对数;N 为转子断条数目[4 ]。
1 转子断条诊断原理
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(2 sf )的位置上各出现一个边频带,这一现象已经由英 国 ~argis 等学者的理论所证实,且特征频率(1 2!)" 和电源频率" 非常接近,两者 相 差 约 0. 5 ! 5 ~z 。一台极对数为 # 的感应电动机,当电网供电 频率为f 时,电机定子绕组上将产生磁动势,其基波
文章编号:1000 -9833(2005 )04 -0023 -03
感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
张春喜,刘海丽,吕志香,刘蕾蕾
(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院,哈尔滨 150040 )
摘 要:对感应电动机转子断条故障诊断原理进行了详细分析,开发出了一套基于 DSO-2100 虚拟数字示波器的故障诊断系统。 本系统采用 C + + Buil der 与 MATLAB 混合编程的方法完成了对采集信号的频谱分析和对特征频谱提取,并完成了数据 采集模块的设计,实现了对电机转子断条故障的自动诊断功能。
在实际 运 行 中,转 子 故 障 以 断 条 和 偏 心 居 多。 因此,本文采用定子电流检测法,对感应电动机转子 断条故障进行了重点分析和研究。本系统利用虚拟 数字示波器 DSO - 2100 对感应电动机定子电流信
收稿日期:2005 -09 -13 基金项目:黑龙江省青年基金项目(@98 -26 ) 作者简介:张春喜(1964 - ),男,河北唐山人,教授,研究方向为 电力电子与电力传动;刘海丽(1979 - ),女,陕西渭南人,硕士研究 生,研究方向为感应电机的故障检测;吕志香(1979 - ),女,江苏扬州 人,助教,硕士;刘蕾蕾(1982 - ),女,黑龙江拜泉人,硕士研究生。
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