DOI:10.16545/j.cnki.cmet.2011.02.019 ·88· 煤 矿 机 电 2011 年第 2 期 电动机故障诊断的几种方法 刘艳，许允之 ( 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008) 摘 要: 介绍电动机故障诊断的主要研究内容，阐述傅立叶变换分析方法的实质，PARK 变换分 析方法的特点和小波分析方法的优越性。 关键词: 电动机故障诊断; 频谱分析; 派克矢量分析; 小波分析 中图分类号:TM343 + ． 2 文章编号:1001 － 0874(2011)02 － 0088 － 03 文献标识码:A Some Methods of Electrical Motor Fault Diagnosis LIU Yan，Xu Yun-zhi ( School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China) Abstract: Introduced the main research substance on fault diagnosis methods of electrical motor． Elaborated the essence of Fourier Transform method，PARK Transform analysis method，and the advantage features of wavelet analysis method． Keywords: fault diagnosis of electrical motor; frequency analysis; PARK vector analysis; wavelet analysis 1 概述 三相鼠笼式异步电动机具有结构简单、使用方 便、成本低廉等优点，在工业生产中得到广泛应用。 异步电机故障主要是转子断条和端环开裂。 故障起因和故障征兆往往表现出多元性。本文 利用多年设计、运行经验和理论研究所形成的电动 机诊断软件和先进的检测手段和方法，判定故障原 因，制定排除故障的维修方案，最终实现电动机诊断 ［1］ 的目的。 2 电动机故障诊断的主要研究内容 电动机故障诊断技术是包含许多新科技的综合 技术。电动机故障诊断技术主要研究内容包括: (1) 信号采集技术的研究:只有采集到反映设 备实际状态的信号，才能利用信息处理和数据融合 技术监测、诊断和预测设备的运行状态。 (2) 信号分析和处理方法的研究:利用信号分 析与处理技术，去除通过传感器采集到的信号噪声， 并把信号转换到不同的域内进行分析，得到能敏感 反映设备状态的故障特征。小波分析法具有良好的 时频特性和局部特性，不仅适合分析平稳信号，而且 适合分析非平稳信号，为处理故障信号的强有力工 具。 (3) 诊断方法的研究:由于计算机技术、现代测 试技术和信号处理技术的迅猛发展，设备故障诊断 技术取得了很大发展。基于知识的智能故障诊断技 术是最引人注目的发展方向之一。 (4) 信息融合方法的研究:由于多传感器形成 不同通道的信号;同一信号形成不同的特征信号;不 同的诊断途径得出有偏向的结论。应用信息融合方 法进行综合诊断，可以提高确诊率。信息融合方法 主要有:贝叶斯估计、卡尔曼滤波、D-S 推理等。近 年来，神经网络也应用到信息融合中。 ［2、3］ 3 频谱分析 傅立叶 变 换 是 时 域 转 化 工 具，傅 立 叶 变 换 把 f( t) 波形分解成许多不同频率的正弦波的叠加，可 以把对原函数 f( t) 的研究转化为对其傅立叶变换 F( ω)的研究。许多情况下，在时域内难以观察的现 象和规律，能在频域内能较清楚地显示出来。 ［4］ 当三相电动机正常运行时，定子绕组中电流频 (50 Hz 左右) ;当其出现转子断条 率为电网频率 f1 ) 故障时，电流频谱中会出现特征分量 fb = (1 ± 2 ks 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 2 期 煤 矿 机 电 ·98· ，通常 k = 1 时的特征最明显;而电动机稳态运行 f1 时，转速相对稳定，故障特征频率也相对稳定。 波动程度不如异步电动机在三根断条空载和满载状 态时剧烈。 4 PARK 变换分析 基于定子电流频谱分析诊断异步电动机转子断 条故障的主要不足是:转子故障特征频率与基频很 接近，且幅值相对于基频分量非常小，在电动机故障 早期，转子故障特征很容易被基频及其“旁瓣”淹 没，这已经成为稳态情况下转子断条故障诊断的一 个“瓶颈”。 ［5］ 为了克服不足，S． M． A． Cruz 等人提出了 Park 矢量方法及扩展的 Park 矢量方法。当电动机发生 故障时，理想条件被破坏，三相电流不再平衡，可能 会出现一些谐波或边频分量。此时 Park 矢量的轨 迹( 图 3、4) 不再是一个圆，具体形状、决定于故障性 质及其严重程度。 图 3 断三根条电动机启动时的 Park 矢量轨迹 图 4 偏心电动机满载时的 Park 矢量轨迹 基于 Park 矢量的诊断电动机故障的基本方法， 就是识别不同故障所对应的 Park 矢量轨迹。运用 ANN( 人工神经网络) 的学习和识别能力，将断相、 三相电压不平衡等不同故障所对应的 Park 矢量轨 迹作为学习样本;通过学习，将不同故障所对应的 Park 矢量轨迹特征分布存储在 ANN 中，使之具有识 别不同故障的能力。但是，不同故障所对应的 Park 矢量轨迹特征，目前还没有形成十分明确和定量的 判别标准。 图 1 断三根条电动机启动时 A 相功率谱图和电流频谱 图 2 偏心电动机满载时 A 相功率谱图和电流频谱 图 1 和图 2 是两种故障电动机的 A 相功率谱和 电流频谱图。可以看出: (1) 与正常电动机相比，异步电动机在三根断 条空载状态下的 A 相电流频谱图在(50 ± 7． 5 ) Hz 附近的振幅较大，振幅相差 达 35 dB。而 在 ( 50 ± 25) Hz 处也比好电机的振幅大。 (2) 与正常电动机相比，异步电动机在三根断 条满载状态下 A 相电流频谱图在(50 ± 2． 5) Hz 处 的振幅，达到 72 dB，而好电机只有 50 dB。在 36 Hz 和 74 Hz 处并没有较大的振幅出现。以此频谱图判 断异步电动机的故障较为容易。 (3) 异步电动机在偏心启动过程中，(50 ± 40) Hz ～ (50 ± 50) Hz 区间的振幅较为明显，在 (50 ± 40) Hz ～ (50 ± 4) Hz 区间内较为平滑，波形振幅很 小。而在(50 ± 1) Hz ～ (50 ± 4) Hz 之间存在明显的 小幅振荡。 (4) 从异步电动机在三根断条状态下启动瞬间 A 相电流频谱图中，可以看出启动瞬间电流的振幅 变化很大，在(0 ～ 50) Hz 呈现波动上升的趋势，而在 (50 ～ 100) Hz 之间呈现波动下降的趋势。但是它的 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·09· 5 小波分析 图 5 是故障电动机从起动、加载至减载、停机过 程的小波分析图。由于小波分析是按照频带而不是 频点的方式处理频域信息，利用对信号的时域加窗， 取消整周期采样限制，保证带通滤波性质，当信号频 率微小波动以及包含非整次谐波时，不会出现傅氏 分析中的频谱泄露和频谱波动现象。另一方面，小 波变换能根据信号频率的高低，通过尺度伸缩得到 可调的“柔性”窗，具备很强的识别奇异、突变信号 图 5 对故障电动机全过程的小波分析 煤 矿 机 电 2011 年第 2 期 的能力，能有效地检测和定位信号中混有的高频成 分。它不仅能提高电动机内部故障判别的精度和灵 敏度，而且为事故后分析、事故实时诊断提供更有效 的工具。小波分析可以对信号进行灵活的时频分 析，捕捉特征信号，具有对频率微小变化的鲁棒性， 可以有效地减少硬件投资和计算时间。 ［6、7］ 小波包分析能够为信号提供一种更加精细的分 析方法，它将频带进行多层次的划分，对多分辨率分 析没有细分的高频部分进一步分解，并能够根据分 析信号的特征，自适应选择相应的频带，使之与信号 频谱相匹配，从而提高时频分辨率。充分利用小波 包分析在处理急剧变化的高度不稳定信号时的优越 性，通过对电机故障信号进行小波包分解与重构，可 以有效地检测出故障信号的频率，从而确定故障的 类型和可能发生故障的部位。通过计算机采集数据 画出的小波波形证明了分析方法的有效性。小波包 算法为故障进行更深层次的检测提供了有利的理论 依据，该方法在工程实际中有很好的应用前景。 6 结论 采样定子电流信号进行频谱分析的方法存在故 障特征频率容易被淹没的问题，而基于 Park 矢量变 换的异 步 电 机 故 障 诊 断 方 法避 免 了 对 故 障 频 率 (1 － 2s) f1 的直接检测 。 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ( 上接第 87 页) 测量位置 钻机操纵台处 除尘器下风向 5 m 处 除尘器下风向 10 m 处 钻孔孔口处 表 3 34 下 3 机巷粉尘浓度( 单位:mg / m3 ) 检测数值( 第一次) 检测数值( 第二次) 检测数值( 第三次) 平均值 12． 5 10 2． 5 17． 5 12． 5 5 5 — 5 10 5 15 10 8． 3 4． 2 16． 3 注:使用钻机、使用多级无动力除尘装置 目前，多级无动力孔口除尘装置已经在通化矿 业集团、晋城煤业集团的松软突出煤层钻进中进行 推广，使用效果良好。 5 结语 (1) 多级无动力除尘装置自身无动力元件，在 煤矿井下使用安全可靠。 (2) 该除尘装置采用惯性、重力、旋风、冲击水 浴等除尘原理，除尘效率高。 (3) 除尘装置安装简单、重量轻、搬运方便，在 煤矿井下使用能减轻了工人劳动强度，应用前景十 分广阔。 参考文献: ［1］ 韩广德． 中国煤炭工业钻探工程学［M］． 北京:煤炭工业出版 社，2000． ［2］ 殷新胜，田宏亮，姚克，等． 负载敏感技术在全液压动力头式坑 道钻机上的应用［J］． 煤炭科学技术，2008(1) ． ［3］ 张殿印，王纯． 除尘器手册［M］． 北京:化学工业出版社，2005． 作者简介:冀前辉(1984 － ) ，男，工程师。2009 年毕业于煤炭科学 研究总院( 硕士学位) ，现从事勘探设备的研究与开发工作。 ( 收稿日期:2010 － 08 － 25;责任编辑:陶驰东) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 2 期 煤 矿 机 电 ·19· 基于 PLC 的可控起动传输装置 CST 控制算法 何鸿志 ( 宝鸡秦源煤业有限公司，陕西 宝鸡 721202) 摘 要: 可控起动传输( CST) 装置采用 PLC 控制，并采用串级调节速度控制，使实际运行速度跟 踪理想给定速度曲线，保证了带式输送机多台驱动电机的输出功率达到平衡。 关键词: 带式输送机; 可控起动传输( CST) ; 控制算法 中图分类号:TH222 文章编号:1001 － 0874(2011)02 － 0091 － 03 文献标识码:B Control Arithmetic of CST ( Controllable Start Transmission) Set Based on PLC HE Hong-zhi ( Qinyuan Mining Co． ，Ltd． ，Baoji 721202，China) Abstract: CST set using cascade speed control based on PLC ( Programmable Logic Controller ) ，forces the practical operation speed to follow the ideal speed curve and ensures the balance of multi-motor’s output power． Keywords: belt conveyor; CST ( Controllable Start Transmission) ; control arithmetic 1 概述 毁，电网电压不因大电流而过分降低，要求电动机的 起动过程不超过 3 ～ 5 s。为了缓解上述矛盾，常采 用软起动装置。 输送带是一种粘弹性体，在输送机起动( 制动) 阶段，驱动装置施加到输送带上的牵引力( 制动力) 及惯性力将在带内传播、叠加、反射，引起输送带的 应力变化。若其瞬时峰值应力超过允许值，将会损 伤甚至破断输送带。这就要求起动( 制动) 加速度 尽量小，以降低这类冲击。现代带式输送机的起动 加速度要求控制在 0． 1 ～ 0． 3 m / s2 之间。带式输送 机的负载比较稳定，而电动机的起动特性往往与之 不相适应。要保证电动机不因电流冲击过热而烧 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 美国罗克韦尔公司生产的 CST 装置，具有软启 动和停车、软联结、过载、自诊断、输送带打滑监控等 控制和保护功能，是带式输送机的核心装置。本文 以 CST 传动的带式输送机起动速度为控制对象，讨 论起动速度控制算法的改良和消除执行机构线性误 差对功率平衡的影响问题，确保多点驱动带式输送 机能够在功率严格平衡的前提下起动。 小波变换作为一种时频分析方法，它在时频两 域都具有表征信号局部特征的能力，特别适宜于非 平稳信号的处理，从而为最终实现电动机在线故障 诊断系统及电机参量的精确测试提供了良好的技术 支持。 参考文献: ［1］ 姜建国． 故障诊断学及其在电工中的应用［M］． 北京:科学出 版社，1995． 线检测方法［J］． 华北电力大学学报，2000(12) ． ［4］ 刘进明，应怀樵． FFT 谱连续细化分析的傅里叶变换法［J］． 振 动工程学报，1995(6) ． ［5］ 王鹏飞，侯新国，夏立． 基于定子电流矢量变换的感应电机故 障诊断［J］． 有色设备，2003(2) ． ［6］ 王芳，鲁顺昌． 基于小波包分析的电机故障检测［J］． 电机与 控制应用，2008(7) ． ［7］ 董长虹． MATLAB 小波分析工具箱原理与应用［M］． 北京:国 防工业出版社，2005． ［2］ 刘振兴，张哲，尹项根． 异步电动机的状态监测与故障诊断技 术综述［J］． 武汉科技大学学报( 自然科学版) ，2001(9) ． ［3］ 许伯强，李和明，孙丽玲，等． 笼型异步电动机转子断条综合在 作者简介:刘艳(1960 － ) ，女，中级实验师。长期从事实验教学和科 研工作。 ( 收稿日期:2009 － 11 － 03;责任编辑:陶驰东) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net