CN100410677C

CN100410677C - 游梁式抽油机异步电机故障诊断方法和诊断装置

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Publication number: CN100410677C
Application number: CNB2006100083090A
Authority: CN
Inventors: 梁志珊
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: TANGSHAN SANJIN MINGSHENG INDUSTRIAL DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: CN1808161A

Abstract

本发明涉及一种游梁式抽油机异步电机故障诊断方法和诊断装置。诊断方法包括步骤：1、当异步电机进入发电状态时控制异步电机进入预先设定的故障诊断模式，并将异步电机从电网断开；2、计算机控制器根据数据采集单元实时采集的异步电机电压和电流数据进行故障综合诊断；3、当异步电机进入电动状态时将其与电网连接。诊断装置包括连接在异步电机和交流电源回路上的诊断开关和依次连接的驱动单元、计算机控制器和数据采集单元。本发明将故障诊断设置在异步电机与电网脱开的发电状态阶段，消除了故障诊断中各种不利干扰，而且信号窗口可调，故障诊断结果具有较高的可信度，能满足在线要求而不影响异步电机的正常工作。

Description

游梁式抽油机异步电机故障诊断方法和诊断装置

技术领域

本发明涉及石油开采机械领域，尤其涉及一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法和诊断装置。

背景技术

鼠笼式异步电机在工业领域尤其是石油行业得到广泛的应用，随时了解其工作状态、避免因故障导致事故发生具有十分重要的意义。状态检修必须建立在可靠的故障诊断基础上，为此学者们提出了许多故障诊断手段，其中电流监测方法较为普遍。异步电机转子断条和端环开裂等故障会在定子电流中产生频率为基频的(1-2s)倍的附加电流分量(s为转差率)，人们对此进行了大量卓有成效的研究，目前已有的方法包括小波分析、Fourier变换、Park矢量、扩展Park向量、d-q坐标系、M-T坐标系、Hilbert变换等频谱分析方法，但上述方法均因获取的信号不理想而使诊断结果难以满足要求。

现有技术提出了利用电机起动电流进行故障诊断的技术方案，虽能解袂信号获取问题，但信号仍受电源和负载的干扰，而且当电机起动时间较短时，分析相当困难，不能满足在线要求，也不能满足对电机实时的故障诊断要求。

现有技术还提出了利用电机失电后定子绕组的残余电压进行分析的技术方案，并将其用于诊断电机转子断条故障。在异步机失电前后，机端电压的频率将发生突然变化，而且随着转子绕组电流的衰减和电机转速的下降，失电电压衰减更快，有效信号窗口太窄使该方法增加了不易克服的难度，也不能满足在线要求和对电机实时的故障诊断要求。

因此，目前进行电机故障诊断的突出问题表现在：

(1)负载波动影响：异步电机所拖动的负载有时是不平稳的，负载的摆动使定子电流发生畸变；

(2)电源影响：对电机进行故障诊断受电源不完善的影响，如电源电压三相不对称、电压波动等；

(3)有效信号窗口小：电机失电后转子绕组电流的衰减和电机转速的下降；

(4)特征信号微弱：当转子有轻微故障时，定子电流中故障频率分量的大小相对于基波频率分量的比值很小，若电机运行于轻载时其比值更小，而且由于电机转差率s很小，于是(1-2s)f₁和基波频率f₁更加接近，这给信号处理带来困难，使得诊断灵敏度下降，因此目前基于定子电流故障诊断研究的大量工作是怎样提取微弱的特征信号。

如何排除来自电力系统和负载波动的干扰信号，在不影响抽油机的正常工作前提下，获得各种工况下的窗口可调信号，在线、实时地正确诊断抽油机异步电机的定子绕组、转子绕组等故障，是当前技术上的一大难题。

发明内容

本发明的第一目的是针对现有技术电机故障诊断受负载、电源波动影响、无法获得各种工况下的窗口可调信号等技术问题，提供一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，通过检测处于孤岛发电运行状态下异步电机的参数，使本发明故障诊断不受负载、电源波动影响，同时可以获得各种工况下的窗口可调信号而满足在线诊断要求。

本发明的第二目的是在本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断方法基础上，提供一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机故障诊断装置。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，包括步骤：

步骤10、在异步电机通电运行状态下，数据采集单元实时采集异步电机运行时的电压和电流瞬时值，并将电压和电流数据传输给计算机控制器；

步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状态时，输出控制信号给驱动单元；

步骤30、计算机控制器通过驱动单元控制异步电机进入预先设定的故障诊断模式，驱动单元控制诊断开关断开异步电机与交流电源的连接，计算机控制器根据数据采集单元实时采集的异步电机电压和电流数据进行故障综合诊断，当异步电机进入电动状态时输出控制信号给驱动单元；

步骤40、计算机控制器通过驱动单元控制异步电机退出故障诊断模式，驱动单元控制诊断开关恢复异步电机与交流电源的连接。

所述步骤30可以是异步电机失电诊断模式工作流程，也可以是异步电机自励诊断模式工作流程，还可以是异步电机常励诊断模式工作流程，还可以进一步是异步电机失励诊断模式工作流程。

为实现本发明的第二目的，本发明还提供了一种游梁式抽油机异步电机故障诊断装置，包括连接在异步电机和交流电源回路上的诊断开关，所述诊断开关与一控制其接通或断开的驱动单元连接，所述驱动单元与一发出接通或断开控制信号的计算机控制器连接，所述计算机控制器与一采集异步电机电压和电流数据的数据采集单元连接；所述计算机控制器包括分别与控制单元连接的软仪表单元和故障诊断单元，所述软仪表单元与所述数据采集单元连接，用于根据接收到的电压和电流数据计算异步电机的有功功率值和/或转速，所述故障诊断单元与所述数据采集单元连接，用于根据接收到的电压和电流数据的频谱进行故障诊断，所述控制单元与所述驱动单元连接，控制异步电机进入预先设定的故障诊断模式和进入发电、电动状态。进一步地，所述交流电源还并联一发电效应电容器，所述异步电机还连接一串接的伪负载和稳频稳压电路。

在上述技术方案中，所述异步电机可以连接一串接的自励开关和空载励磁电容器，还可以连接一串接的常励开关和常励负载，还可以进一步连接一串接的失励开关和失励负载，或上述方案的任意组合。所述自励开关、失励开关和常励开关分别与所述驱动单元连接，所述常励负载还并联一常励电容。

本发明提供了一种全新概念的基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法和诊断装置，将故障诊断设置在异步电机与电网脱开的发电状态阶段，既利用正常运行的异步电机在发电状态阶段定子绕组有感应电压和电流产生，又充分利用异步电机孤岛发电状态时所发电能。正常运行中异步电机在发电状态的定子绕组有感应电压产生和电流产生，当转速超过临界转速时，异步电机由空载孤岛发电运行变为有载孤岛发电运行，伪负载和稳频稳压电路释放能量并将转速调整到安全范围。当异步电机转子绕组故障时，利用孤岛发电的各种运行工况下的电压和电流信号经小波分析方法得到的各种频谱可以诊断电机故障。故障特征谐波成分可预先进行理论计算，所以实际应用中为进行更准确的诊断，可将孤岛发电的电压和电流的频谱与历史频谱数据进行对比，从而作出正确诊断。

由于本发明进行故障诊断时异步电机已从电网断开，所以此状态下异步电机的电压和电流数据不会受到电源不完善的影响，如电源电压三相不对称、含有各种谐波、电压波动等；同时由于此状态下异步电机的电压和电流是从其本身进行测量，所以数据不会受到负载的影响，如负载大小、负载性质、波动情况等。与现有技术相比，本发明基本上消除了故障诊断中的各种不利干扰，故障诊断结果具有较高的可信度，同时满足在线要求，可随时进行故障诊断而不影响异步电机的正常工作。

本发明还通过调整发电效应电容器容量人为调整异步电机处于发电状态的时间，使本发明具有可调的数据窗口，可以获得各种可能工况下的可调窗口信号，有效解决了现有技术数据采集窗口小的技术问题。

本发明根据异步电机可能的各种运行工况设置了四种异步电机的故障诊断模式，分别为异步电机失电、自励、常励和失励诊断模式。考虑到实际系统发电状态时间不长，因此在异步电机一个工作循环的发电状态时间内可以只进行一个模式的诊断。因此本发明还提出了诊断循环概念，以异步电机的4个工作循环为本发明的一个诊断循环，在每个诊断循环的发电状态时间内依次进行上述四种故障诊断模式的诊断，并汇总各种故障诊断模式的诊断结果，综合研究各种工况的各过程中异步电机端电压和定子绕组电流(线电流)的频谱，得到可信度更高、正确率更高的诊断结果，从而使本发明具有广泛的适用性和应用前景。本发明也适用于其它领域的任何具有势能负载的电动系统的异步电机或其它类型电机的故障诊断。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断方法的流程图；

图2为本发明异步电机失电诊断模式的工作流程图；

图3为本发明异步电机自励诊断模式的工作流程图；

图4为本发明异步电机常励诊断模式的工作流程图；

图5为本发明异步电机失励诊断模式的工作流程图；

图6为本发明判断异步电机进入发电状态的流程图；

图7为本发明判断异步电机进入电动状态的流程图；

图8为本发明实现异步电机安全转速控制的流程图；

图9为本发明参数值设定的流程图；

图10为本发明异步电机失电诊断模式优选方案流程图；

图11为本发明异步电机自励诊断模式优选方案流程图；

图12为本发明异步电机常励诊断模式优选方案流程图；

图13为本发明异步电机失励诊断模式优选方案流程图；

图14为本发明诊断循环的流程图；

图15为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置结构示意图；

图16为本发明异步电机失电诊断模式的结构示意图；

图17为本发明稳频稳压电路图；

图18～图19为本发明稳频稳压电路工作示意图；

图20为本发明异步电机自励诊断模式的结构示意图；

图21为本发明异步电机常励诊断模式的结构示意图；

图22为本发明异步电机失励诊断模式的结构示意图；

图23为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置工作原理图；

图24为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置电路图。

附图标记说明：

1-交流电源开关； 2-交流电源； 3-开关；

4-原控制系统开关； 5-异步电机； 6-开关；

7-开关； 8-电流互感器； 9-抽油机机械系统；

10-诊断开关； 11-电流互感器； 12-自励开关；

13-空载励磁电容器； 14-电压互感器； 15-失励开关；

16-失励负载； 17-数据采集单元； 18-伪负载开关；

19-常励电容； 20-驱动单元； 21-计算机控制器；

22-常励开关； 23-常励负载； 24-直流电源开关；

25-直流电源及保护电路； 26-发电效应开关； 27-电流互感器；

28-发电效应电容器； 29-伪负载； 30-稳频稳压电路；

211-控制单元； 212-软仪表单元； 213-故障诊断单元。

具体实施方式

图1为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断方法的流程图，包括步骤：

本发明针对油田使用的抽油机异步电机的发电运行特性，提出了一种全新概念的故障诊断方法，将故障诊断设置在异步电机与电网脱开的发电状态阶段。本发明将异步电机一个工作循环周期内的运行分为两个阶段：电动状态阶段和发电状态阶段。在异步电机电动状态阶段，通过采集异步电机运行的电压和电流瞬时值判断异步电机发电状态的开始时刻，当异步电机进入发电状态时控制异步电机进入预先设定的故障诊断模式，并将异步电机从电网断开，通过采集该故障诊断模式下异步电机的电压和电流数据的频谱进行故障诊断；当异步电机进入电动状态时控制异步电机退出故障诊断模式，并将异步电机投入电网，异步电机回到电动状态阶段，如此周而复始，即形成本发明基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法。本发明上述技术方案的核心体现在将故障诊断设置在异步电机的发电状态阶段，由于此时异步电机已从电网断开，所以此状态下异步电机的电压和电流数据不会受到电源不完善的影响，如电源电压三相不对称、含有各种谐波、电压波动等；同时由于此状态下异步电机的电压和电流是从其本身进行测量，所以数据不会受到负载的影响，如负载大小、负载性质、波动情况等。与现有技术相比，本发明消除了故障诊断中的各种不利干扰，诊断结果具有较高的可信度，同时满足在线要求，可随时进行故障诊断而不影响异步电机的正常工作。同时本发明具有故障诊断准确、动态响应快、结构简单、系统运行可靠等特点。本发明还通过调整发电效应电容器容量人为调整异步电机处于发电状态的时间，使本发明具有可调的数据窗口，可以获得各种可能工况下的可调窗口信号，有效解决了现有技术数据采集窗口小的技术问题。

在上述技术方案中，本发明根据异步电机可能的各种运行工况设置了四种异步电机的故障诊断模式，分别为：(1)异步电机失电诊断模式、(2)异步电机自励诊断模式、(3)异步电机常励诊断模式和(4)异步电机失励诊断模式，在异步电机的一个发电状态区间里只进行一个模式的诊断，利用小波分析方法即可实现异步电机的故障诊断，下面一一予以说明。

图2为本发明异步电机失电诊断模式的工作流程图。异步电机失电诊断模式可提供正常负载突然消失时的电流和电压数据，具体为：

步骤311、异步电机进入异步电机失电诊断模式；

步骤312、驱动单元控制诊断开关断开异步电机与交流电源的连接；

步骤313、数据采集单元实时采集该失电过程中异步电机的电压和电流瞬时值并传输给计算机控制器，计算机控制器根据所述电压和电流数据的频谱进行故障诊断；

步骤314、计算机控制器自动延时，延时完毕后输出控制信号给驱动单元。

图3为本发明异步电机自励诊断模式的工作流程图。异步电机自励诊断模式可提供稳定的电压建立过程和稳态高压和空载电流数据，具体为：

步骤321、异步电机进入异步电机自励诊断模式；

步骤322、驱动单元闭合自励开关，建立空载励磁电容器与异步电机的连接，驱动单元控制诊断开关断开异步电机与交流电源的连接，异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统；

步骤323、数据采集单元实时采集该自励过程中异步电机的电压和电流瞬时值并传输给计算机控制器，计算机控制器根据所述电压和电流数据的频谱进行故障诊断；

步骤324、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入电动状态时，输出控制信号给驱动单元。

图4为本发明异步电机常励诊断模式的工作流程图。该诊断模式可提供由空载到加常励负载的暂态到稳态过程两个阶段的电流和电压数据，具体为：

步骤331、异步电机进入异步电机常励诊断模式；

步骤332、驱动单元闭合自励开关，建立空载励磁电容器与异步电机的连接，驱动单元控制诊断开关断开异步电机与交流电源的连接，异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，驱动单元闭合常励开关，建立常励负载与异步电机的连接；

步骤333、数据采集单元实时采集该常励过程中异步电机的电压和电流瞬时值并传输给计算机控制器，计算机控制器根据所述电压和电流数据的频谱进行故障诊断；

步骤334、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入电动状态时，输出控制信号给驱动单元。

图5为本发明异步电机失励诊断模式的工作流程图。异步电机失励诊断模式可提供变化率大的暂态电压和大电流消失过程数据，具体为：

步骤341、异步电机进入异步电机失励诊断模式；

步骤342、驱动单元闭合自励开关，建立空载励磁电容器与异步电机的连接，驱动单元控制诊断开关断开异步电机与交流电源的连接，异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，驱动单元闭合失励开关，建立失励负载与异步电机的连接；

步骤343、数据采集单元实时采集该失励过程中异步电机的电压和电流瞬时值并传输给计算机控制器，计算机控制器根据所述电压和电流数据的频谱进行故障诊断；

步骤344、计算机控制器自动延时，延时完毕后输出控制信号给驱动单元。

本发明步骤40将根据图2～图5所示四种诊断模式进行相应操作，但其核心均为恢复步骤10的状态。具体为：

(1)异步电机失电诊断模式：闭合诊断开关，恢复异步电机与交流电源的连接；

(2)异步电机自励诊断模式：首先断开自励开关，切除空载励磁电容器，然后闭合诊断开关，恢复异步电机与交流电源的连接；

(3)异步电机常励诊断模式：首先断开常励开关，切除常励负载，然后断开自励开关，最后闭合诊断开关，恢复异步电机与交流电源的连接；

(4)异步电机失励诊断模式：首先断开失励开关，切除失励负载，然后断开自励开关，最后闭合诊断开关，恢复异步电机与交流电源的连接。

在本发明图3～5所示的三种诊断模式中，首先闭合自励开关投入空载励磁电容器可以加快其建压过程，使诊断时间加长，有利于数据采集和诊断质量。当然，在实际使用中，本发明的上述技术方案也可以设置成先断开诊断开关，将异步电机从电网脱开，再闭合自励开关，投入空载励磁电容器。

图6为本发明判断异步电机进入发电状态的流程图。本发明通过异步电机的电压和电流数据计算其有功功率值，通过有功功率值过零点来判断发电状态的起点时刻。因此图1所示技术方案中的步骤20具体为：

步骤201、计算机控制器根据所述电压和电流数据计算异步电机有功功率值；

步骤202、当所述有功功率值小于功率预设值时，计算机控制器判定异步电机开始进入发电状态；

步骤203、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。

图7为本发明判断异步电机进入电动状态的流程图。在图3、图4所示技术方案中，本发明采用异步电机转速在线非接触软测量方式实现异步电机进入电动状态时刻的判断，即通过该转速接近异步电机同步转速来判断发电状态结束时刻。图3、图4所示技术方案中的步骤324、步骤334具体为：

步骤3241、计算机控制器的软仪表单元根据异步电机的电压和电流数据计算异步电机的转速，并计算所述转速与异步电机同步转速的差值；

步骤3242、当所述差值小于预设差值时，计算机控制器判断异步电机开始进入电动状态；

步骤3243、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。

图8为本发明实现异步电机安全转速控制的流程图。在图2～图5所示技术方案中，在所述计算机控制器进行故障诊断后还包括一与异步电机连接的伪负载和稳频稳压电路控制异步电机安全转速的步骤，具体为：

步骤301、稳频稳压电路监测异步电机的空载电压；

步骤302、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时，稳频稳压电路的可控硅导通，伪负载消耗超临界能量；

步骤303、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳频稳压电路的可控硅关断。

异步电机空载电压与转速成正比，该值高于预设安全临界电压就意味着异步电机的转速超过安全临界转速，需要通过稳频稳压电路释放异步电机所储存的能量，将其转速降低到预设安全临界转速范围以内。本发明上述技术方案有效解决了异步电机转速失控问题，提高了本发明的可实施性和可靠性。

本发明上述技术方案中涉及的异步电机同步转速、安全临界转速、延时时间等参数均通过参数值设定流程获得，并预先设置在计算机控制器中。当然，本发明运行过程中也可以多次执行参数初始值设定流程，以适应对不同环境、不同工况下异步电机的故障诊断，使重要参数的设置更加准确。

图9为本发明参数值设定的流程图，具体为：

步骤100、数据采集单元实时采集异步电机运行电压和电流的瞬时数据，并将数据输送给计算机控制器；

步骤110、计算机控制器根据抽油机工作循环周期数据，确定异步电机一个工作循环周期内的参数值：异步电机处于电动状态的时间及起点、异步电机处于发电状态的时间及起点；

步骤120、计算机控制器判断异步电机发电状态时间是否满足故障诊断要求，是则执行步骤140，否则执行步骤130；

步骤130、调整与交流电源并联的发电效应电容器容量，执行步骤100；

步骤140、保存参数值，设定完毕。

上述方案通过调整发电效应电容器容量人为调整异步电机处于发电状态时间，使本发明具有可调的诊断数据窗口，可以获得各种可能工况下的可调窗口信号，有效解决了现有技术因数据采集窗口小的技术问题。

图10～13分别为本发明异步电机失电、自励、常励和失励诊断模式优选方案流程图，该所示技术方案是由图2～5的技术方案分别与图1、图6～8所示技术方案组合形成，前述已详细介绍了其流程，这里不再赘述。

在图10～13所示技术方案基础上，本发明还提出了诊断循环概念，以异步电机的4个工作循环为一个诊断循环，在每个诊断循环的发电状态时间内依次执行上述四种故障诊断模式，利用小波分析方法综合研究各工况各过程中异步电机端电压和定子绕组电流(线电流)的频谱，并汇总各故障诊断模式的诊断结果。图14为本发明诊断循环的流程图，具体为：

步骤A、失电诊断模式工作流程：执行步骤10、20、311～314、40；

步骤B、自励诊断模式工作流程：执行步骤10、20、321～324、40；

步骤C、常励诊断模式工作流程：执行步骤10、20、331～334、40；

步骤D、失励诊断模式工作流程：执行步骤10、20、341～344、40，返回执行步骤A。

本发明诊断循环的技术方案可以得到可信度更高、正确率更高的诊断结果，从而使本发明具有广泛的适用性和应用前景。

图15为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置结构示意图，图中粗线表示强电电路，细线表示弱电电路。如图15所示，本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置包括计算机控制器21、驱动单元20、数据采集单元17、诊断开关10。其中，诊断开关10串接在交流电源2和异步电机5的回路中，负责异步电机5与交流电源2的接通和断开；驱动单元20分别连接计算机控制器21和诊断开关10，接收计算机控制器21发出的接通和断开控制信号，控制诊断开关10进行接通和断开动作；数据采集单元17则负责采集异步电机5的电压和电流瞬时值，并将数据发送给计算机控制器21。

在本发明上述技术方案中，计算机控制器21根据异步电机的各种运行工况，设置了四种异步电机的故障诊断模式，分别为：(1)异步电机失电诊断模式、(2)异步电机自励诊断模式、(3)异步电机常励诊断模式和(4)异步电机失励诊断模式，利用小波分析方法研究各过程中异步电机端电压和定子绕组电流(线电流)的频谱，可实现异步电机的综合故障诊断。本发明根据上述四种故障诊断模式提供了相应的技术方案，下面一一予以说明。

图16为本发明异步电机失电诊断模式的结构示意图。在该诊断模式技术方案中，计算机控制器21包括控制单元211、软仪表单元212和故障诊断单元213。软仪表单元212分别与控制单元211和数据采集单元17连接，用于从数据采集单元17接收电压和电流数据，计算异步电机的有功功率值和/或转速，并将计算结果发送给控制单元211；故障诊断单元213分别与控制单元211和数据采集单元17连接，用于从数据采集单元17接收电压和电流数据，根据电压和电流数据的频谱进行故障诊断，并将故障诊断结果发送给控制单元211；控制单元211还与驱动单元20连接，控制异步电机5进入设定的故障诊断模式和通过驱动单元20控制诊断开关10接通/断开，使异步电机5进入电动状态/发电状态。

如图16所示，在该诊断模式技术方案中，交流电源2还并联一发电效应电容器28，用于当异步电机处于发电状态时域数据窗口不能充分进行故障诊断时，通过调整发电效应电容器28的容量，人为调整异步电机处于发电状态时间，直到满足故障诊断数据窗口要求为止。发电效应电容器28在本发明进行下一次学习阶段之前的故障诊断运行中保持不变。异步电机5还连接一串接的伪负载29和稳频稳压电路30，用于当异步电机5转速高于临界转速时，通过稳频稳压电路30的可控硅导通，使空载孤岛发电系统变成有载孤岛发电系统，将异步电机的转速降低到满足安全转速范围内为止。

如图16所示，该诊断模式技术方案的工作过程为：

(A-I)异步电机5通电运行在电动状态下，数据采集单元17实时采集异步电机5运行时的电压和电流瞬时值，并将数据传送给软仪表单元212；软仪表单元212计算异步电机5的有功功率值，并将计算结果发送给控制单元211；控制单元211通过有功功率值过零点判断异步电机5进入发电状态的时间和起点，向驱动单元20输出控制信号；

(A-II)控制单元211控制驱动单元20断开诊断开关10，切断异步电机5与交流电源2的连接，使异步电机5处于失电状态；

(A-III)数据采集单元17实时采集异步电机该过程中的电压和电流瞬时值，并传输给故障诊断单元213，故障诊断单元213根据电压和电流数据的频谱进行故障诊断；

(A-IV)稳频稳压电路30自动监测异步电机的空载电压，当空载电压大于预设安全临界电压时，稳频稳压电路30的可控硅导通，伪负载29消耗超临界能量，直到空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳频稳压电路30的可控硅关断；

(A-V)控制单元211在异步电机5进入发电状态后即开始自动延时，延时完毕后输出控制信号给驱动单元20，驱动单元20控制诊断开关10闭合，将异步电机5接入电网，使异步电机5处于通电运行的电动状态。

(A-VI)重复执行步骤(A-I)，形成异步电机失电诊断模式的工作循环。

该诊断模式可提供正常负载突然消失时异步电机的电流和电压数据，经小波分析方法可以诊断电机转子的绕组故障。步骤(IV)主要起到控制异步电机5转速失控的作用，异步电机的空载电压过高意味着异步电机5的转速超过安全临界转速，通过稳频稳压电路30的可控硅导通释放异步电机所储存的能量，将其转速降低到预设安全临界转速范围以内。

图17为本发明稳频稳压电路图。图中只画出A相，B相和C相的电路与A相完全相同，分N挡进行调节。如图17所示，T_A为双向可控硅，G₁为T_A的控制极，C_A和R_A为A相的电容和电阻，D₁……D_N为触发管，C₁₁、C₂₁……C_1N、C_2N为电容器，R₁……R_N为电阻器，W₁……W_N为电位器，N为中性线。U_a是异步电机的A相电压，U₁……U_N分别为A相电压经过移相与分压后施与触发管D₁……D_N的电压值，U_d1……U_dN是触发管D₁……D_N的击穿电压值，U_m1……U_mN分别为U₁……U_N的幅值，α₁……α_N分别为U₁……U_N滞后U_a的电压相位角，电路设计具有α₁＜……＜α_N的关系，所以U_m1＞……＞U_mN成立。图9中的虚框对应图8中的伪负载29，由电阻R_A和电容C_A组成。

当异步电机5转速升高时，电压U_a随之升高，U_m1……U_mN也随之增大。当U_m1＝U_d1时，触发管D₁在(90-α₁)处发出脉冲，双向可控硅T_A在(90-α₁)被触发导通，A相的电阻R_A上流过电流，消耗超临界能量，如图18所示。若转速继续升高，电压U_a进一步升高，因而会使U_mi＝U_di，触发管D_i在(90-α_i)处发出脉冲，双向可控硅T_A在(90-α_i)被触发导通。……若转速继续升高，电压U_a升高，使U_mN＝U_dN，触发管D_N在(90-α_N)处发出脉冲，双向可控硅T_A在(90-α_N)被触发导通，如图19所示。也就是说，当异步电机转速从安全临界转速开始增加时，双向可控硅T_A上的触发脉冲可以从无到有，从(90-α₁)处前移到(90-α_N)处，受双向可控硅T_A控制的负载从无到有、从小到大变化，使超过临界能量被新增的伪负载消耗掉，起到稳频的作用。

并联电容自励异步发电机存在的突出问题是电压变化率过高，当转速升高时，电机端电压随之升高，相当于负载增加，为使电压维持不变，采用加大电容的做法很不方便。本发明使用串联电容C_A提供附加的容性无功，使异步电机的电压变化率得以改善，当空载励磁电容器13和串联电容C_A配合适当时，可使输出电压基本不变，起到稳压的作用。

图20为本发明异步电机自励诊断模式的结构示意图，如图20所示，在图16所示技术方案基础上，异步电机5通过自励开关12与空载励磁电容器13连接，自励开关12受驱动单元20控制，负责将空载励磁电容器13与异步电机5接通或断开。空载励磁电容器13优选为三角形或星形接法的励磁电容器。该诊断模式技术方案的工作过程为：

(B-I)同图16技术方案的(A-I)；

(B-II)控制单元211控制驱动单元20闭合自励开关12，将空载励磁电容器13接入；控制单元211控制驱动单元20断开诊断开关10，切断异步电机5与交流电源2的连接，异步电机5和空载励磁电容器13形成孤岛发电系统；

(B-III)同图16技术方案的(A-III)；

(B-IV)同图16技术方案的(A-IV)；

(B-V)软仪表单元212根据电压和电流值计算异步电机5的转速及该转速与异步电机同步转速的差值，当所述差值小于预设差值时，控制单元211判断异步电机5开始进入电动状态，控制驱动单元20断开自励开关12，切除空载励磁电容器13，闭合诊断开关10，将异步电机5接入电网。

(B-VI)重复执行步骤(B-I)，形成异步电机自励诊断模式的工作循环。

图21为本发明异步电机常励诊断模式的结构示意图，在图20所示技术方案基础上，异步电机5还通过常励开关22与常励负载23连接，常励负载23还与一常励电容19并联，常励开关22受驱动单元20控制，负责将常励负载23和常励电容19接入异步电机5。常励电容19优选为三角形或星形接法的励磁电容器。该诊断模式技术方案的工作过程为：

(C-I)同图20技术方案的(B-I)；

(C-II)控制单元211控制驱动单元20闭合自励开关12，将空载励磁电容器13接入；驱动单元20断开诊断开关10，切断异步电机5与交流电源2的连接，异步电机5和空载励磁电容器13形成孤岛发电系统；待电压建立起来后，驱动单元20闭合常励开关22，接入常励负载23和常励电容19；

(C-III)同图20技术方案的(B-III)；

(C-IV)同图20技术方案的(B-IV)；

(C-V)同图20技术方案的(B-V)；

(C-VI)重复执行步骤(C-I)，形成异步电机常励诊断模式的工作循环。

图22为本发明异步电机失励诊断模式的结构示意图，在图20所示技术方案基础上，异步电机5通过失励开关15与失励负载16连接，失励开关15受驱动单元20控制，负责将失励负载16接入。失励负载16实际上是一个大负载，接在每相上，当失励负载16接入时，异步电机5自励条件被破坏，其电压和电流逐渐减小，直到为零。该诊断模式技术方案的工作过程为：

(D-I)同图20技术方案的(B-I)；

(D-II)控制单元211控制驱动单元20闭合自励开关12，将空载励磁电容器13接入；控制单元211控制驱动单元20断开诊断开关10，切断异步电机5与交流电源2的连接，异步电机5和空载励磁电容器13形成孤岛发电系统；待电压建立起来后，驱动单元20闭合失励开关15，将失励负载16接入；

(D-III)同图20技术方案的(B-III)；

(D-IV)同图20技术方案的(B-IV)；

(D-V)同图16技术方案的(A-V)；

(D-VI)重复执行步骤(D-I)，形成异步电机失励诊断模式的工作循环。

在本发明上述技术方案中，诊断开关10采用电子调压开关，优选方案采用可控硅，负责电流过零时的切除和快速电压过零的无暂态投入且逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击。

图23为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置工作原理图，图中粗线表示强电电路，细线表示弱电电路。图24为本发明游梁式抽油机异步电机故障诊断装置电路图，其中图24中只重点示意了强电部分。下面通过本发明安装、调试及运行过程进一步详细说明本发明的技术方案。

A、系统安装：

将交流电源开关1断开，将本发明接入抽油机原系统，完成图24所示开关3、开关6和开关7的接法即可；如果抽油机原系统异步电机本身有无功补偿，则将其停止运行；将交流电源开关1闭合，原系统正常工作。

B、投入运行：

1、通电前状态：开关6断开，开关7断开，开关3、交流电源开关1和原控制系统开关4闭合，抽油机原控制系统照常工作，本发明准备投入运行。

2、本发明通电：手动闭合开关6，电源系统正常后闭合直流电源开关24，直流电源及保护电路25投入运行，计算机控制器21开始工作，进入自检状态。

3、本发明有载测试：计算机控制器21自检无误后，设定为有载测试运行方式。计算机控制器21自动进行如下操作：自动闭合常励开关22，常励负载23和常励电容19投入运行，本发明进入负载测试状态，测试内容主要包括诊断开关10、发电效应开关26、自励开关12、失励开关15、伪负载开关18和常励开关22控制的正确性，电流互感器11、电压互感器14测量的正确性。测试成功后，使诊断开关10处于断开位置，转入下一步。有故障则退出运行。

4、本发明投入运行：计算机控制器21断开自励开关12、失励开关15和常励开关22，空载励磁电容器13、失励负载16、常励电容19和常励负载23退出运行；计算机控制器21闭合伪负载开关18，将伪负载29和稳频稳压电路30投入运行，此时稳频稳压电路30的可控硅为关断状态；计算机控制器21首先闭合开关7，然后闭合诊断开关10，将开关3断开，电流互感器8有电流流通，本发明投入运行并与抽油机原控制系统协调工作；投运失败后，断开开关6和开关7，闭合开关3，本发明退出运行。

C、学习阶段：

本发明投入运行后，数据采集单元17实时采集异步电机5运行电压和电流的瞬时数据；计算机控制器21根据所采集异步电机的工作循环周期数据后开始自动学习，步骤如下：

1、确定异步电机一个工作循环周期内的关键参数值：异步电机处于电动状态的时间及起点、异步电机处于发电状态的时间及起点；

2、判断异步电机处于发电状态的时间能否满足故障诊断的要求，当异步电机处于发电状态时域数据窗口不能充分进行故障诊断时，计算机控制器21通过发电效应开关26和电流互感器27投入适当的发电效应电容器28，人为调整异步电机处于发电状态的时间，一直到满足故障诊断数据窗口要求为止；闭合发电效应开关26，将调试好的发电效应电容器28并联接入交流电源2回路；发电效应电容器28的容量值在进行下一次学习阶段之前的故障诊断期间保持不变；实时检测异步电机状况，准备进入异步电机发电状态阶段。

D、异步电机发电状态阶段：

当异步电机5进入发电状态时，本发明工作步骤为：

1、切除异步电机5：计算机控制器21通过驱动单元20断开诊断开关10，计算机控制器21通过数据采集单元17检测到电流互感器11无电流存在，说明断开成功，否则说明诊断开关10故障；

2、数据采集与故障诊断：切除异步电机5的同时，通过自励开关12、失励开关15和常励开关22的操作组合，实现四种故障诊断模式的诊断循环，研究各过程中异步电机端电压和定子绕组电流(线电流)的频谱，分别为：

(1)异步电机失电诊断模式

不进行任何开关操作，直接采集数据进行诊断；

(2)异步电机自励诊断模式

闭合自励开关12，投入空载励磁电容器13，采集数据进行诊断；

(3)异步电机常励诊断模式

闭合自励开关12，投入空载励磁电容器13，在建立电压后，闭合常励开关22，投入并联的常励负载23和常励电容19，采集数据进行诊断；

(4)异步电机失励诊断模式

闭合自励开关12，投入空载励磁电容器13，在建立电压后，闭合失励开关15，在每相接入失励负载16，采集数据进行诊断；此时自励条件被破坏，异步电机电压和电流逐渐减小，直到为零。

在上述四种故障诊断模式的工作循环中，稳频稳压电路30自动监测异步电机的空载电压，如异步电机的空载电压过高，稳频稳压电路30的可控硅导通，伪负载29消耗超临界能量，直到异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳频稳压电路30的可控硅关断；

3、判断异步电机进入电动状态：异步电机在发电状态的时间内，本发明分别采用了两种判断方式：转速判断方式和自动延时方式。具体为：

(1)异步电机自励诊断模式和常励诊断模式

异步电机5从电网退出后，异步电机5进入空载发电状态，并将其部分势能变成旋转的动能，空载励磁电容器13提供空载励磁，由抽油机机械系统9、异步电机5、系统开关4、开关7和空载励磁电容器13形成孤岛发电系统，同时由电流互感器8、电压互感器14、数据采集单元17和计算机控制器21构成数据采集系统，采集异步电机5的电压和电流瞬时值，根据电压和电流的周期或频率在线计算异步电机5满足通电条件的参数：异步电机5转速接近同步转速时刻，即：异步电机5处于电动状态的时间及起点；

(2)异步电机失电诊断模式和失励诊断模式

计算机控制器21利用自动延时方式确定异步电机处于电动状态的时间及起点，延时时间通过上述的学习阶段获得。

当异步电机5进入电动状态时，本发明将转入异步电机电动状态阶段运行，有故障时本发明退出运行。

E、异步电机电动状态阶段：

当异步电机5进入电动状态时，本发明工作步骤为：

1、投入异步电机：计算机控制器21通过驱动单元20闭合诊断开关10，诊断开关10通过改变触发角逐步增大电压直到额定值，电流互感器11的电流信号经数据采集单元17反馈给计算机控制器21，检测到有电流存在时说明合闸成功，否则说明诊断开关10故障；

2、异步电机5进入电动运行阶段，数据采集单元17实时采集异步电机5的电压和电流瞬时值，计算机控制器21在线计算的有功功率值寻找其过零点作为异步电机断电条件，即异步电机5处于发电状态的时间及起点。当计算机控制器21判断异步电机5进入发电状态时，本发明将转入异步电机发电状态阶段运行，有故障时本发明退出运行。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1. 一种游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，其中，包括步骤：

2. 如权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，其中，所述步骤30具体为：

步骤311、异步电机进入异步电机失电诊断模式；

3. 如权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，其中，所述步骤30具体为：

步骤321、异步电机进入异步电机自励诊断模式；

4. 如权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，其中，所述步骤30具体为：

步骤331、异步电机进入异步电机常励诊断模式；

5. 如权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，其中，所述步骤30具体为：

步骤341、异步电机进入异步电机失励诊断模式；

6. 如权利要求1～5任一所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断方法，其中，在步骤10之前还包括参数值设定步骤，具体为：

步骤110、计算机控制器根据工作循环周期数据，确定异步电机一个工作循环周期内的参数值：异步电机处于电动状态的时间及起点、异步电机处于发电状态的时间及起点；

步骤120、计算机控制器判断异步电机发电状态的时间是否满足故障诊断要求，是则执行步骤140，否则执行步骤130；

步骤130、调整与交流电源并联的发电效应电容器的容量，执行步骤100；

步骤140、保存参数值，设定完毕。

7. 一种游梁式抽油机异步电机故障诊断装置，其特征在于，包括连接在异步电机和交流电源回路上的诊断开关，所述诊断开关与一控制其接通或断开的驱动单元连接，所述驱动单元与一发出接通或断开控制信号的计算机控制器连接，所述计算机控制器与一采集异步电机电压和电流数据的数据采集单元连接；所述计算机控制器包括分别与控制单元连接的软仪表单元和故障诊断单元，所述软仪表单元与所述数据采集单元连接，用于根据接收到的电压和电流数据计算异步电机的有功功率值和/或转速，所述故障诊断单元与所述数据采集单元连接，用于根据接收到的电压和电流数据的频谱进行故障诊断，所述控制单元与所述驱动单元连接，控制异步电机进入预先设定的故障诊断模式和进入发电、电动状态。

8. 如权利要求7所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断装置，其特征在于，所述交流电源还并联一发电效应电容器，所述异步电机还连接一串接的伪负载和稳频稳压电路，所述异步电机还连接一串接的自励开关和空载励磁电容器，所述自励开关与所述驱动单元连接。

9. 如权利要求8所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断装置，其特征在于，所述异步电机还连接一串接的常励开关和常励负载，所述常励开关与所述驱动单元连接，所述常励负载还并联一常励电容。

10. 如权利要求8所述的游梁式抽油机异步电机故障诊断装置，其特征在于，所述异步电机还连接一串接的失励开关和失励负载，所述失励开关与所述驱动单元连接。