第
期
11
年
2012
11
月
工 矿 自 动 化
Industry and Mine Automation
No.11
Nov.2012
文章编号:1671-251X(2012)11-0046-04
史鹏飞
[J].
异步电动机故障诊断方法研究
.
工矿自动化
,2012(11):46-49.
异步电动机故障诊断方法研究
焦作煤业集团赵固
(
新乡
(
能源有限公司
)
河南 新乡
,
453633)
史鹏飞
摘要:介绍了基于 Park矢量变换的故障诊断方法、基于傅里叶变换的定子电流频谱分析、基于小波分析
的故障诊断方法的原理,并分析探讨了该3种故障诊断方法在三相笼型异步电动机故障诊断中的应用效果。
关键词:异步电动机;故障诊断;Park矢量变换;傅里叶变换;小波变换
中图分类号
网络出版地址
:TD614
网络出版时间
文献标志码
:A
:2012-11-01 14:48
:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20121101.1448.014.html
Research of Fault Diagnosis Method of Asynchronous Motor
SHI Peng-fei
(Zhaogu(Xinxiang)Energy Co.,Ltd.of Jiaozuo Coal Industry Group,Xinxiang 453633,China)
Abstract:The paper introduced principles of fault diagnosis method based on Park vector
transformation,spectrum analysis of stator current based on Fourier transformation and the method based
on wavelet transformation,and analyzed and discussed application effects of the three methods in fault
diagnosis of three-phase cage type asynchronous motor.
Key words:asynchronous motor,fault diagnosis,Park vector transformation,Fourier transformation,
wavelet transformation
收稿日期:2012-08-29
作者简介:
史鹏飞
男
(1986-),
河南焦作人
,
助理工程师
,
现主要从事矿井机电管理工作
,
。E-mail:15838988027@
126.com
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檿檿檿
,
从 图
可 以 看 出
7
个 上 升 沿 的 时 间 差
800μs(2
时间一般为
大大缩短
时时间来扩大保护区域
10~20 ms,
另外
智 能 控 制 模 块 响 应 时 间 为
而 传 统 方 案 的 响 应
可 见 改 进 方 案 的 响 应 时 间
可 通 过 进 一 步 缩 短 各 级 开 关 的 延
,
),
。
。
结语
4
1∶1
采用
,
改进的区域选择性联锁保护方案将智能控制模
块的开关闭锁信号接口串联在综保开关的脱扣信号
霍尔型电流传感器从原保护装置
回路中
的电流互感器的副边取电流信号作为智能控制模块
采集的信号
使
,
测 试 表 明
得各级保护响 应 不 受 综 保 开 关 的 影 响
。
,
响
改进方案中智能控制模块的 响 应 时 间 为
800μs,
应速度快
直接通过电流传感器检测故障电流
,
。
参考文献:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
孟 惠 霞
[J].
王成多
[J].
赵学雷
48-50.
吴小伟
要性
汪泰宇
,
区域选择性联锁对配电系统 保 护 的 重
.
电气时代
,2007(7):85.
[J].
段绪斌
何巍伟
,
广西电力
性
[J].
张根现
马星河
,
系统研究
煤矿机电
[J].
胡 满 红
,
.
煤矿机械
论区域选择性联锁提高供电 系 统 可 靠
.
,2007,30(1):62-64.
张传书
,
等
,
井下高压电网防 越 级 跳 闸
.
,2009(2):56-58.
煤 矿 井 下 短 路 越 级 跳 闸 的 故 障 分 析
,2009,30(2):223-224.
张秋璇
,
朱建波
,
等
,
区域联锁选择性 保 护 装 置
.
低压电器
,2007(13):39-42.
张红兵
,
郑征
,
等
,
煤矿井下供电系统 的 区 域 选
.
择性联锁 保 护 的 设 计
工 矿 自 动 化
[J].
,2010,36(3):
中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
2012年第11期
史鹏飞:异步电动机故障诊断方法研究
·74·
引言
0
)、
三 相 笼 型 异 步 电 动 机 在 工 农 业 生 产 中 应 用 广
泛
气隙偏心是感应
转子笼条断裂
简称转子断条
,
(
三相笼型异步电动机的故障监
电动机的常见故障
测和诊断方法主要有定子电流监测
转矩
、
比较常用
监测
,
的是定子电流监测方法
由定子电流分析又衍生出
如 人 工 神 经 网 络
轴漏磁通监测以及转速波动监测等
、
震动监测
、
。
。
(Artificial Neural Networks,
矢 量 变 换[1]等 故 障 诊 断 方
种方法对电动机故障进行诊断分
ANN)、
法
析
小波 分 析
本文采用该
。
并分析探讨其应用效果
,
、Park
3
。
基于
1
Park
矢量变换的故障诊断方法
基于
Park
矢量变 换 的 电 动 机 故 障 诊 断 方 法 通
将断
,
矢量轨迹
将不同故障所对
,
中
具 有
过识别不同故障状态所对应的
Park
相
三相不平衡电流等故障所对应的
、
作为
应的
识别不同故障的能力
的学习样本
矢量轨迹 存 储 在
通过学习
;
矢量轨迹
ANN
ANN
ANN
Park
Park
使
,
。
1.1 Park矢量变换基本原理
这
矢量由
个 分 量 组 成
可 表 示 为
,
2
2
Park
部分都是定 子 三 相 电 流
矢量变换 的 定 义 可 知
(iα,iβ),
由
矢 量 变 换
只要保证定子电 流 在 不 同 坐 标 系 下 的 磁 动 势 相
,
(iA,iB,iC)
在 进 行
的 函 数
Park
。
,
。Park
变换的矢量定义图如图
所示
1
。
Park
时
等即可
图
可得
1 Park
由图
1
变换的矢量定义图
N2iα =N3iA -N3iBcos 60°-N3iCcos 60°=
烄
N3(iA -
1
2
iB -
iC)
1
2
烅
N2iβ =N3iBsin 60°-N3iCsin 60°=
烆
式中
:N2
子匝数比
将式
iα
i( )β
=
N3
N2
烄
1 -
1
2
-
1
2
烌
0 槡3
2
烆
槡3
烎2
可以证明
,
考虑到变换前后总功率不变
换的匝数比
N3/N2= 2/槡 3,
由此可得
iα = 槡
iA -槡
iB -槡
iC
1
6
烄
烅
iβ = 槡
iB -槡
烆
i
C
1
6
1
2
2
3
1
2
(2)
坐标变
,
(3)
(
通过
ZX-1
1.2 Park矢量变换在电动机故障诊断中的应用
Y132M-4
额定功率为
额定电流为
矢量变 换 将 电 动 机 的 故 障 状 态 和 正
从而实现故障
,
型 故 障 诊 断 分 析 平 台 环
型鼠笼异步电动机作为测试
Park
发现各种故障特征
常状态进行比较
,
本 文 在 自 制
诊断
。
境下
采用
,
电动机
额定转速为
电动机 作 为 负 载
7.5kW,
并以
种情况下进 行 实 验
。
电动机正常工作和发生断条故障时的
,
当 电 动 机 发 生 故 障 时
15.4 A,
型直流
分 别 在 电 动 机 正 常 和 断 条 故 障
可
2
矢量
Park
理 想 条 件
同时可能出现一些谐波
,
矢量图 的 具 体 形 状 由 电 动 机 的 故 障 性
,
2
知
图存在较大差异
被破坏
和边频分量
质及其严重程度决定
三相电流不再平衡
,
1 440r/min),
Z4-132-1
结 果 如 图
所 示
由 图
,
,
2
。
,
。
图
由于
正常状态
基于
(a)
2
Park
断条故障状态
(b)
矢量变换的故障诊断波形
Park
旁瓣
“
矢量 变 换 容 易 将 电 动 机 的 故 障 特 征
不 容 易 看 出 电 动 机 的 故 障 特
湮 没[2],
”
具有一定的局限性
目前还没有形成十分明确和
,
,
频率的
征
定量的判别标准
。
基于傅里叶变换的定子电流频谱分析
2
2.1 傅里叶变换基本原理
如果以
为周期的函数
上满足狄利克雷条件
T
在
fT(t)
则其可以展开成傅氏级数
,
[-T/2,T/2]
在
,
的连续点处
fT(t)
级数的三角形式为
,
fT(t)=
a0
2
∞
+ ∑
n=1
[ancos(n ω0t)+bnsin(n ω0t)](4)
槡3
2
N3(iB -iC
)
为两相坐标系下的折算绕组
(1)
为三相定
;N3
。
(1)
写成矩阵的形式
有
,
a0 =
T
2
2
T∫
-
T
2
fT(t)dt
(5)
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·84·
工矿自动化
2012年11月
an =
T
2
2
T∫
-
T
2
fT(t)cos(n ω0t)dt,n=1,2,3…
bn =
fT(t)sin(n ω0t)dt,n=1,2,3…
T
2
2
-
T
2
T∫
在
fT(t)
的间断点
处
有
,
t0
1
2
fT(t0 +0)+fT(t0 -0
[
]) =fT(t)=
(6)
(7)
Park
负载越大
故障越 严 重
,
畸变越严重
。
量分析和扩展
存在故障
状态下的
Park
启动电流波形在
畸变越明显
严重
,
从图
。
。
通 过 对 电 动 机 启 动 电 流 进 行
,
,
Park
其 边 频 分 量 的 幅 值 越 大
即
矢
矢 量 分 析 也 能 判 断 电 动 机 是 否
电动机在故障运行
,
在 断 条 故 障 情 况 下
,
且故障越
,
之间存在跳变
可知
,
3(g)、(h)
矢 量 畸 变 较 大
0~50Hz
∞
a0
2
将式
+ ∑
(8)
n=1
[ancos(n ω0t)+bnsin(n ω0t)] (8)
转换为复指数形式
:
+∞
fT(t)= ∑
cnej nω0t
其 对 应 的 周 期
n=-∞
与
(9)
的
fT(t)
次 谐 波 频
为 离 散 振 幅 谱
T
的
n
,
fT (t)
,cn
,
为基波 频 率
式中
:ω0
周期相同
为
率
为离散相位谱
为
的 离 散 频 谱
,ω0 =2π/T,nω0
fT (t)
;cn
常记
,
arg cn
与
f(t)
F(nω0)=cn。
的傅里叶变换及其反变换
+∞
F(ω)
F(ω)=∫
f(t)=
2π∫
1
-∞
+∞
-∞
f(t)e-jωtdt
F(ω)ejωtdω
正常状态
(a)
正常状态
(b)
扩展
(
矢量
)
Park
:
(10)
(11)
(c)1
根断条故障
(Park
矢量
)(d)1
根断条故障
扩展
(
矢量
)
Park
2.2 基于傅里叶频谱分析的故障诊断
基于
Park
矢量变 换 的 故 障 诊 断 方 法 可 以 判 断
但无法判定具体的故障类型
电动机处于故障状态
,
。
基于傅里叶频谱分析的故障诊断方法在傅里叶变换
矢 量 的 平 方
的 基 础 上
Park
对电动机的频谱图进
从 而 可 以 明 显 看 出 电 动 机
矢 量 和
对
进行频谱分析[3],
Park
2)
,
(iα+jiβ
行故障特征明显化 处 理
所存在的故障
定子电流频谱分析图如图
所示
,
。
电动机在转子断条故 障 状 态 下 的 特 征 频 率
3
。
fbb
为
fbb = (1+2ks)f1, k=±1,±2…
(12)
s=
×100%
n1 -n
(13)
n
60f1
p
(14)
为 电 动 机
n1 =
式中
磁场转速
从图
:s
为 转 差 率
为 电 源 基 频
,
,
。
在
;n
;f1
,Hz;n1
为磁场极对数
;p
电 动 机 正 常 工 作 时
3
矢量分析中
在 扩 展
率
;
为转子转速
可 以 看 出
Park
基频左 右 没 有 出 现 转 子 断 条 的 特 征 频
,
附 近 没 有 出 现
电
矢量分析中出现了故障
根 断 条 的 特 征 频 率
的第
个
靠近
,
分 析 可 知
电 动 机 的
矢 量 分 析 中
说明电动机不存在 断 条 故 障
,
2sf1
动机有断条故障时
特征频率
明显
波峰为断条 的 边 频 分 量
在
,
根 断 条 比 有
矢量分析中
且有
,
在扩展
;
Park
的边频分量
,0 Hz
0Hz
Park
Park
。
1
3
1
2sf1,
,
根断条故障
(e)3
(Park
矢量
)(f)3
根断条故障
扩展
(
矢量
)
Park
(g)3
瞬间
根断条故障启动
(Park
矢量
图
)
3
(h)3
扩展
(
定子电流频谱图
根断条故障启动瞬间
矢量
)
Park
基于小波分析的故障诊断方法
3
3.1 小波分析基本原理
小波变换提出了变化的时间窗
,
当需要精确的
当需要精确的高频信
;
尺 度
—
采用的
,
采用长的时间窗
,
低频信息时
采用短 的 时 间 窗
息时
,
域
尺度越大
,
时间窗越短
。
小 波 变 换 采 用 时 间
采用的时间窗越长
尺度越小
,
;
即尺度与频率成反比
,
设
:
其傅里叶变换为
ψ(t)∈L2(R),
。
定义
的 频 谱
当
条件或恒等 分 辨 条 件
ψ(t)
满 足 式
时
Cψ
(15)
称
,
ψ(t)
)
所 示 条 件
^(ω),
ψ
完 全 重 构
为 一 个 基 本 小 波
(
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,a,b∈R,a≠0 (16)
矢 量 图 存 在 较 大 差 异
2012年第11期
或母小波
。
dω< ∞
(15)
^(ω)2
ψ
ω
Cψ =∫R
ψ(t)
将母函数
伸缩并平移
得
,
ψa,b(t)= ψ
槡a
式中
为伸缩因子
t-b( )a
为平移因子
。
;b
:a
当
a
和连续小波变换
续的尺度参数
间变量
的
离散或连续取值时分别对应离散小波变换
离 散 化 是 针 对 连
而 不 是 针 对 时
值 得 注 意 的 是
。
和 连 续 平 移 参 数
,
a
这一点与时间离散化不同 [4]。
,
b,
t
3.2 小波分析在故障诊断中的应用
小波分析具有多分辨率和时频局域化特性
Haar
DB)、Coiflets
小 波 和
前 具 有 代 表 性 的 小 波 函 数 主 要 有
简 称
小 波 系 列
小 波[5]等
(
其 中
Daubechies
列
、Morlet
在电动机故障诊断中的应用较为广泛
定子三相电流并对其进行
图
Morlet
Morlet
所示
,
图
4、
5
。
。
小波分析
目
,
小 波
、
小 波 系
小 波
本文采集了
结果如
,
DB
史鹏飞:异步电动机故障诊断方法研究
·94·
基于傅里叶变换的 定 子 电 流 频 谱 分 析
基 于 小 波 分
析的故障诊断方法对三相笼型异步电动机进行故障
诊断
得 出 结
论
分析了 其 正 常 状 态 和 断 条 故 障 状 态
,
、
,
:
(1)
电动机 正 常 工 作 时 的
Park
三相电流不再平衡
,
断条故障时的
机发生故障时
些谐波和边频 分 量
Park
动机的故障特征频 率 的 旁 瓣 湮 没
机的故障特征
所以基于
,
方法具有一定的局限性
由 于
Park
。
。
。
Park
矢 量 图 和 发 生
当 电 动
同时可能出现一
,
矢 量 变 换 容 易 将 电
不 容 易 看 出 电 动
矢量变换的故障诊断
,
对
Park
(2)
结果表明
析
,
频率
在断条故障情况下
存在跳变
且有
,
3
Park
矢量及扩展
矢量进行频谱分
电动机有断条故障时出现了故障特征
,
根断条的特征频率明显
根断条比有
;
之间
1
0~50Hz
启动电流波形在
,
畸变越明显
,
且故障越严重
,
小波 分 析 结 果 表 明
,
(3)Morlet
其低频段的幅值几乎为
,
。
对 于 无 断 条 故
当电动机
说
,
小波分 析 应 用 于 电 动 机 故 障 诊 断 具 有
其低频段具有一定的幅值
,
障的启动信号
发生转子断条故障时
明将
高灵敏性和较好的紧支性
Morlet
0;
。
正常电动机启动电流信号
(a)
正常电动机启动电流小波分析
(b)
图
4
正常电动机启动电流小波分析
[1] DENG Xiaolan,JOKINEN T,RITCHIE A E.An
Improved Knowledge Base of a Fuzzy Logic System for
an Induction Motor with Rotor Faults [C ]//
参考文献:
断条故障启动电流信号
(a)
断条故障启动电流小波分析
(b)
[3]
断条故障启动电流小波分析
图
5
和图
4
5
可以看出
小波分析
Morlet
对于无断条故障
,
其低频段的幅值几乎为
所
0,
,
4(b)
其低频段具有
而当电动机发生转子断条故障时
,
;
从图
经过
,
后
能够很明显地看出电动机故障
,
的启动信号
示
一定的幅值
如图
所示
如图
,
5(b)
。
结语
4
分别采用基于
Park
矢量变换的故障诊断方法
、
[2]
Proceedings of Chinese International Conference on
Electrical Motors,1995,Hangzhou.
曹志彤
电机故障特征值 的 倍 频 小
.
中国电机工程学报
何国光
,
陈宏平
,
等
,
[J].
李和明
,
孙丽玲
,
,2003,23(7):112-116.
笼型异步电动机 转 子 断 条
.
等
,
华 北 电 力 大 学 学 报
,2000,27
[J].
综合在线 检 测 方 法
波分析
许伯强
[4]
[5]
[6]
(4):23-28.
张征平
陈艳峰
,
北京
用
[M].
张建文
水电出版社
,2006.
张瑞祥
赵军 红
,
,
故障检测中 的 应 用
69.
小波分析在高压电机故障检 测 中 的 应
.
中国电力出版社
:
,2009.
电气设备故障 诊 断 技 术
.
[M].
北 京
中 国 水 利
:
胡 永 胜
小 波 包 在 异 步 电 机 转 子 断 条
.
兵 工 自 动 化
[J].
,2006,25(9):68-
中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net