交流电机电流特征分析与健康感知系统实现

目录

摘要 (i)

Abstract ............................................................................................................... i i 第一章绪论 (1)

1.1 课题来源与意义 (1)

1.1.1 课题来源 (1)

1.1.2 选题背景与研究意义 (1)

1.2 交流电机故障诊断现状 (2)

1.2.1 设备故障诊断的发展状况 (2)

1.2.2 电机诊断技术与方法的研究现状 (3)

1.2.3 MCSA在电机故障诊断领域的应用 (5)

1.3 论文研究内容与结构安排 (7)

1.3.1 主要研究内容 (7)

1.3.2 论文结构安排 (7)

第二章交流电机故障模式与诊断原理 (9)

2.1 转子断条故障 (9)

2.1.1 转子断条故障的产生原因 (9)

2.1.2 基于定子电流特征的转子断条故障诊断原理 (10)

2.2 定子匝间短路故障 (14)

2.3 本章小结 (15)

第三章交流电机建模与仿真 (16)

3.1 数学模型的建立 (16)

3.2 仿真模型的建立 (17)

3.2.1 坐标变换基本原理 (17)

3.2.2 基于d-q坐标系的仿真模型 (21)

3.2.3 基于模块库的仿真模型 (24)

3.3 本章小结 (26)

第四章故障特征信号提取与仿真分析 (27)

4.1 信号时频分析基础 (27)

4.1.1 傅里叶变换 (27)

4.1.2 时频域加窗 (27)

4.1.3 故障仿真信号分析 (29)

4.2 三相电流相位差法 (39)

4.2.1 基本原理概述 (39)

4.2.2 定转子故障仿真信号分析 (39)

4.3 Park矢量变换法 (41)

4.3.1 基本原理概述 (41)

4.3.2 定转子故障仿真信号分析 (42)

4.3.3 基于矢量变换的定转子复合故障诊断改进算法 (45)

4.4 包络分析法 (47)

4.4.1 基本原理分析 (47)

4.4.2 定转子故障仿真分析 (49)

4.4.3 变频电机故障仿真分析 (52)

4.5 幅值解调法 (54)

4.5.1 基本原理分析 (54)

4.5.2 变频电机定转子故障仿真分析 (54)

4.5.3 复合故障仿真分析 (56)

4.6 特征信号提取算法对比分析 (58)

4.7 本章小结 (59)

第五章电机健康状态感知系统实现及验证 (60)

5.1 基于LabVIEW的虚拟仪器概述 (60)

5.2 电机健康状态感知系统实现 (61)

5.2.1 系统总体结构设计 (61)

5.2.2 故障检测软件结构 (62)

5.2.3 软件设计与功能介绍 (62)

5.3 电机健康状态测试与验证分析 (66)

5.4 本章小结 (71)

第六章结论与展望 (72)

6.1 工作总结 (72)

6.2 研究展望 (73)

致谢 (74)

参考文献 (75)

作者在学期间取得的学术成果 (81)

表目录

表4.1 常见窗函数的主要特性 (28)

表4.2 不同程度下转子不对称故障时域仿真结果 (34)

表4.3 不同程度下定子不对称故障时域仿真结果 (39)

表4.4 电机在不同状态下的三相电流相位差 (40)

表4.5 电机在不同状态下三相电流相位差的相对偏差 (41)

表4.6 交流变频电机主要故障模式 (52)

表5.1 电流传感器技术指标 (61)

表5.2 不同电机三相相位差测试结果 (70)

表5.3 检测诊断特征判据 (70)

图目录

图1.1 机电设备故障诊断技术发展阶段 (2)

图1.2 电机设备诊断过程流程图 (3)

图1.3 交流电机各故障模式概率分布 (4)

图1.4 论文结构图 (7)

图3.1 d-q坐标系下异步电机的模型结构 (21)

图3.2 异步电机仿真模型封装图 (22)

图3.3 system模块内部结构 (22)

图3.4 定子三相电流仿真信号 (23)

图3.5 转矩与转速仿真结果 (23)

图3.6 基于模块库的异步电机仿真模型 (24)

图3.7 正常状态时域仿真结果 (25)

图3.8 正常状态a相定子电流频谱 (25)

图4.1 汉宁窗时频域特性 (28)

图4.2 过载运行状态时域仿真结果 (29)

图4.3 过载运行时定子电流a相频谱图 (30)

图4.4 异步电机转子不对称故障模型 (30)

图4.5 不同程度下转子不对称故障时域仿真信号 (34)

图4.6 不同程度下转子不对称故障频谱图 (35)

图4.7 不同程度下定子不对称故障时域仿真信号 (38)

图4.8 转子故障R=0.5Ω时三相电流相位差 (40)

图4.9 正常运转时定子电流矢量及频谱 (43)

图4.10 不同程度下转子故障电流矢量及频谱 (44)

图4.11 不同程度下定子故障电流矢量及频谱 (45)

图4.12 定转子复合故障频谱图 (47)

图4.13 定转子不对称故障状态下三相电流波形 (48)

图4.14 定转子不对称故障下定子各相电流包络线 (49)

图4.15 电流信号包络分析流程图 (49)

图4.16 正常电机包络均值归一化结果及功率谱图 (50)

图4.17 定子不对称故障时三相电流包络均值归一化幅值 (50)

图4.18 转子不对称故障时包络信号均值归一化幅值及a相上包络线功率谱 (51)

图4.19 定子不对称故障（R1=1.5Ω）时三相电流波形及包络分析结果 (53)

图4.20 转子不对称故障（R2=1.5 ）时三相电流波形及包络分析结果 (53)

图4.21 正常电机三相调幅信号相对归一化幅值及a相频谱 (55)

图4.22 定子不对称故障时三相调幅信号相对归一化幅值及a相频谱 (55)

图4.23 转子不对称故障时三相调幅信号相对归一化幅值及a相频谱 (56)

图4.24 不同程度下复合故障三相调幅信号相对归一化幅值及a相功率谱 (58)

图5.1 虚拟仪器开发框图 (60)

图5.2 系统总体结构 (61)

图5.3 异步电机健康状态感知功能结构图 (62)

图5.4 异步电机健康状态感知系统主界面 (63)

图5.5 信号采集程序框图 (64)

图5.6 信号采集界面 (64)

图5.7 数据分析界面 (65)

图5.8 健康状态感知界面 (66)

图5.9 现场测试系统 (66)

图5.10 正常电机测试结果（满载） (67)

图5.11 定子不对称故障电机测试系统 (68)

图5.12 定子故障电机测试结果（满载） (69)

图5.13 转子故障电机测试结果（满载） (70)

摘要

在电机的各类故障模式中，定子与转子故障占有很高的比重，对其健康状态进行有效监控及实时诊断是避免因定、转子故障引发灾难性后果的有效手段。本文在上述背景下，系统总结了国内外现有的用于定、转子故障诊断的电机电流特征分析（Motor Current Signature Analysis）方法及特征信号处理算法，通过对比分析已有方法的不足，指出依靠传统的单一算法不能有效检测电机状态，并提出了两种较为简便的故障诊断算法，通过对实际电机进行测试加以验证。本文的主要研究内容及创新点包括：

（1）深入分析了交流电机转子断条故障及定子匝间短路故障的特性、产生原因及故障征兆，从电磁学角度出发探索了不同故障特征频率的产生机理；

（2）在异步电机多回路数学模型的基础上，通过坐标变换建立了其两相坐标系下的简化数学模型及仿真模型。通过在仿真模型中改变负载信号性质或在定、转子绕组中引入不同阻值的故障电阻，模拟了工频及变频电机的正常、过载运行及定、转子不对称状态，分析了各状态下三相电流信号特征，明确了诊断的特征参数及其变化规律；

（3）对比研究了快速傅里叶变换法、三相电流相位差法、Park矢量变换法等电流信号特征提取算法，针对其不足，提出了电流信号包络分析法与幅值解调法，将检测特征反映于归一化幅值图与调制信号频谱中，实现了工频分量与不同故障边频分量的分离。仿真分析结果表明，综合运用矢量变换与幅值解调法可打破单一算法检测不完善的局限性，并可用于变频电机状态监控与定、转子故障及其复合故障的诊断；

（4）设计了交流电机健康状态感知系统体系结构，构建系统软件平台，完成了集数据采集、电流信号变换、数据分析、特征提取、测试诊断、结果显示等功能于一体的智能化人机交互系统，实现了电机状态的在线监测与离线诊断，并通过对实际设备的测试验证了相关方法的有效性。

关键词：交流电机；建模仿真；特征提取；故障诊断；矢量变换；幅值解调

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