CN102495368A - 三相笼型异步电动机转子断条故障非侵入式在线检测方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

一种三相笼型异步电机转子断条故障非侵入式在线检测方法及检测系统，包括数据采集系统、和虚拟平台。数据采集系统采集三相笼型异步电动机任一相定子电流，虚拟平台对定子电流信号基频f₀进行测量，再将定子电流信号进行滤波、频谱细化，通过查找并精确测量电机的槽谐波分量以对电机的转差率s进行适时精确测量；通过精确寻找是否存在

转子断条故障特征分量，来对电机是否存在转子断条故障进行在线检测。本发明有效地解决了因定子电流基波信号谱湮灭转子断条故障信号谱线的问题。同时，还克服了因负载波动、电源谐波和其它干扰信号的影响而造成误判的问题，具有操作简单、灵敏度高等优点。

Description

三相笼型异步电动机转子断条故障非侵入式在线检测方法及检测系统

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及笼型异步电动机转子断条故障在线精确检测。 

背景技术

三相异步电动机由于其结构简单、价格低廉、运行可靠，被广泛应用于电力、冶金、石油、化工、机械等领域，是应用最为广泛的一种电机。然而，三相笼型异步电动机时常发生转子断条故障，其故障发生的概率高达10％，这不仅会损坏电机本体，而且会影响整个系统的正常工作，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失。长期以来，针对大型电动机的各种严重故障，主要采取了各种继电保护措施。常采用的保护包括接地保护、过流保护、差动电流保护、欠压和过压保护、负序保护、过速保护、振动保护和过热保护等。但是继电保护措施也有其不可避免的缺陷，因为它主要功能是保护电机尽量减少损坏，并且当它一旦动作后电机会突然停止，这同样可能造成巨大的经济损失。因此，对电动机的早期故障进行在线检测，及早发现故障，预防故障的进一步恶化，及时进行故障定位和维修具有重要的现实意义。 

电动机出现断条故障后会引起电机定子电流、气隙磁场等参数发生相应的变化。电机断条故障检测就是对这些参数进行提取、分析，寻找这些参数的变化和断条故障之间的对应关系，从而判断电机断条故障情况。由于电机的规格、型号、工作环境不同，同时受电源干扰信号等因素的影响，给电机断条故障的检测带来了很多困难。国内外专家学者多年来一直致力于这方面的研究，并取得了很多研究成果，为电机断条故障的在线检测做出了重大贡献。目前，国内外主要的检测方法有感应电压检测法、定子电流频谱分析法、转矩谐波法、人工智能法等方法。但这些方法存在的问题有：受基频电流和外界干扰因素的影响可能出现误判，对信号干扰问题未提出切实有效的解决方案；由于电机的转差是动态变量，对电流 进行频谱分析得到的谱线是否是电机断条故障的特征谱线未进行研究。 

发明内容

为克服现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种笼型异步电动机转子断条故障在线检测方法，能对笼型异步电动机转子断条故障进行准确地在线检测，为保证电机正常运行具有重大意义。 

本发明的技术方案如下： 

一种三相笼型异步电机转子断条故障非侵入式在线检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

(1)通过电流互感器检测定子电流信号； 

(2)将检测的定子电流信号通过数据采集卡输入至虚拟平台； 

(3)通过虚拟平台对定子电流信号的基频f₀进行测量； 

(4)通过虚拟平台中的数字滤波模块滤除定子电流信号中的基波信号； 

(5)通过虚拟平台中的频谱细化模块对滤除基波的定子电流信号进行频谱细化； 

(6)通过虚拟平台中的转差率测量模块测量一阶转子槽谐波频率f_r1，再根据f_r1＝(z₂/p±1)f₀-(z₂/p)sf₀计算电机的转差率s＝1-p/z₂(f_r1/f₀±1)，电机如转子发生断条故障，则转子断条故障信号的频率f理论上应为(1±2s)f₀，其中，z₂为转子槽数，p为电机的极对数，s为转差率，f₀为电源频率，f_e1为一阶转子槽谐波频率； 

(7)通过虚拟平台中的寻峰模块查找定子电流信号的频谱图中是否存在频率为(1±2s)f₀的特征谱线，如存在(1±2s)f₀特征谱线，则判断所述电机出现转子断条故障；如没有(1±2s)f₀特征谱线出现，则判断电机正常。 

本发明还同时公开了一种电动机转子断条故障在线检测系统，包括电流互感器、数据采集卡、虚拟平台；其特征在于： 

所述电流互感器用于检测所述电动机的定子电流信号，其输出端与数据采集卡的输入端相连； 

所述虚拟平台包括数据采集模块、数字滤波模块、频谱细化模块、寻峰模块和转差率测量模块； 

其中，数据采集卡的输出端与虚拟平台中数据采集模块的输入端相连，完成所述电机定子电流信号的采集和对电流基频的测量； 

数据采集模块的输出端与数字滤波模块的输入端相连，滤除定子电流信号中的基频信号； 

数字滤波模块的输出端与频谱细化模块的输入端相连，对滤波后的定子电流频谱进行细化； 

频谱细化模块的输出端与转差率测量模块和寻峰模块的输入端相连； 

转差率测量模块完成电机转差率s的测量，计算出转子断条故障信号的理论频率为(1±2s)f₀，寻峰模块完成电流频谱图中谱线的查找，检查定子电流信号的频谱图是否存在频率为(1±2s)f₀的谱线，从而完成电机转子断条故障的检测。 

本发明因采用精确测量电机的槽谐波分量对电机的实时转差率进行精确测量，以准确判断(1±2s)f₀转子断条故障特征分量的存在与否。不仅有效地解决了因定子电流基波信号谱湮灭转子断条故障信号谱线的问题。同时，还克服了因负载波动、电源谐波和其它干扰信号的影响而造成误判的问题，具有操作简单、灵敏度高等优点。 

附图说明

图1所示为本发明三相笼型异步电机转子断条故障非侵入式在线检测系统结构框图； 

图2所示为本发明的工作中的虚拟仪器界面； 

图3-图6所示为本发明的试验结果。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。 

在理想情况下，异步电机定子电流频率应为单一的电源频率。但是当转子出现断条故障后，定子电流会出现频率为(1±2s)f₀的边频分量。其分析过程可由以下表述来进行推理分析。 

在电动机运行时，定子三相绕组合成磁动势基波可由以下公式表示： 

$F_1(t,\mathrm{\θ})=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\πp}}{k}_s{N}_1{I}_1\sin (2\mathrm{\π}{f}_{0}t-\mathrm{p\θ})---\left(1\right)$

式中：f₀为电源频率；N₁为三相异步电动机定子每相匝数；ks为定子基波绕组系数；I₁为定子相电流有效值；p为电动机极对数；θ为以机械角度表示的空间相位角。 

设转子电流的频率为fe，则可以定义转子绕组的相位角为： 

φ＝θ-2πf_rt                                            (2) 

转子绕组在定子旋转磁场作用下将产生感应电动势，进而产生电流，从而建立一个平衡定子磁动势的转子磁动势，其表达式为： 

$F_2(t,\mathrm{\φ})=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\πp}}{k}_r{N}_2{I}_2\sin [2\mathrm{\π}(f_0-f_r)t-\mathrm{\φ}]---\left(3\right)$

式中：k_r为转子绕组系数；N₂为转子绕组匝数；I₂为转子电流。 

当转子出现导条断裂、端环开焊等故障时，转子电流的磁动势将会被sin(2φ)所调制，即： 

$F_2(t,\mathrm{\φ})=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\πp}}{k}_r{N}_2{I}_2\sin [2\mathrm{\π}(f_0-f_r)t-\mathrm{\φ}]\sin \left(2\mathrm{\φ}\right)---\left(4\right)$

对上式进行积化和差，可得 

$F_2(t,\mathrm{\φ})=\frac{3\sqrt{2}{K}_r{N}_2{I}_2}{2\mathrm{\πp}}\left\{\cos \right[2\mathrm{\π}(f_0-f_r)t-3\mathrm{\φ}]-\cos [2\mathrm{\π}(f_0-f_r)t+\mathrm{\φ}\left]\right\}---\left(5\right)$

将(2)式代入上式得： 

$F_2(t,\mathrm{\θ})=\frac{3\sqrt{2}{K}_r{N}_2{I}_2}{2\mathrm{\πp}}\left\{\cos \right[2\mathrm{\π}(f_0+2f_r)t-3\mathrm{\θ}]-\cos [2\mathrm{\π}(f_0-2f_r)t+\mathrm{\θ}\left]\right\}---\left(6\right)$

由于定、转子磁动势是相互平衡的，即有：F₁(t，θ)＝F₂(t，θ)，因而可以得到定子的磁动势为： 

$F_1(t,\mathrm{\θ})=\frac{3\sqrt{2}{K}_r{N}_2{I}_2}{2\mathrm{\πp}}\left\{\cos \right[2\mathrm{\π}(f_0+2f_r)t-3\mathrm{\θ}]-\cos [2\mathrm{\π}(f_0-2f_r)t+\mathrm{\θ}\left]\right\}---\left(7\right)$

对于极对数p＝1的电动机，转差率s可以表示为： 

$s=\frac{(f_0-f_r)}{f_0}$ 即f_r＝(1-s)f₀                            (8) 

把(8)带入(7)式可得： 

$F_1(t,\mathrm{\θ})=\frac{3\sqrt{2}{K}_r{N}_2{I}_2}{2\mathrm{\πp}}\left\{\cos \right[2\mathrm{\π}(3-2s)f_{0}t-3\mathrm{\θ}]-\cos [2\mathrm{\π}(1-2s)f_{0}t+\mathrm{\θ}\left]\right\}---\left(9\right)$

从上式可以看出，磁动势表达式第一个分量中含有3f₀和3θ，将在三相定子绕组中感应出三次谐波电动势，若定子绕组三相结构对称，当电机是星型连接时三次谐波电流不能流过定子绕组，对电源电流并无影响。磁动势表达式中的第二个分量含有一比电源频率低2sf₀的分量，该谐波电动势将在定子线圈中感应出频率比电源频率低2sf₀的单边带分量，即定子电流包含(1-2s)f₀频率分量。 

由于(1-2s)f₀电流信号对基频电流信号的调制作用，定子电流将出现周期性变化，导致电动机转矩随之脉动，从而使电动机转速按二倍转差频率波动。转速波动将使异步电动机的电流在以电源频率为中心，在±2sf₀上、下限之间变化，从而在电机电流频谱图中出现(1±2s)f₀的边频分量。 

基于以上情况，当电动机产生转子故障后，在其运行时的定子电流频谱图中，必然在供电频率f₀的两侧出现(1-2s)f₀和(1+2s)f₀的边频带，因此根据边频带的有无和边频带幅值与基波频谱的比值大小，就可以判断电动机转子是否故障以及故障程度如何，将不同时期的定子电流频谱图进行对比，就可以方便地对故障发展趋势进行分析。 

要查找(1±2s)f₀电机断条故障特征信号，首先必须知道电机的转差率s。 

本发明采用了一种非侵入式的测量方法，即利用转子槽谐波RSH(Rotor SlotHarmonics)分量来获取电机转差率。其分析过程可由以下表述来进行推理分析。 

三相异步电机转子槽谐波磁密分量在转子旋转时会在定子绕组中感应出槽谐波电动势和电流。其中一阶转子槽谐波频率的表示式为： 

f_r1＝(z₂/p±1)f₀-(z₂/p)sf₀                                (11) 

式中：z₂为转子槽数；p为电机的极对数；s为转差率。 

由上式得到电机转差率 

s＝1-p/z₂(f_r1/f₀±1)                            (12) 

式中，极对数p和转子齿槽数z₂可以直接由电机参数得到，且对于相同信号电机来说都为常数。因此只要能够精确得到一阶槽谐波分量f_r1以及电源频率f₀，就可以较高精度地求得电机的转差率。 

该方法可以直接通过对定子电流进行频谱分析得到电机的转差率，所用数据以及技术与故障信号的提取方法基本一致，因此该方法可以在保证精度的情况下，大大简化测量仪器，节约检测成本。对电机转差率s进行准确实时测量后，再对电机定子电流进行频谱分析，精确寻找特征频率(1±2s)f₀的分量，以判断电机转子断条故障。 

本发明提出在LabVIEW平台上精确测量电机的槽谐波分量的频率f_r1，以对电机的实时转差率进行适时精确测量；采用ZOOM-FFT对电机定子电流进行频谱细化；用自适应滤波和数字滤波技术消除电源基波的影响；通过精确寻找是否存在(1±2s)f₀断条电流故障特征分量的方法，来对电机是否存在转子断条故障进行在线检测。有效地解决了上述问题，同时还克服了因负载波动或其它干扰信号的影响而造成误判的问题，具有操作简单、灵敏度高等优点。 

本发明提出的一种三相笼型异步电机转子断条故障非侵入式在线检测方法包括以下步骤： 

一、通过电流互感器和数据采集卡采集定子电流信号。 

任意选择三相异步电机的一根电源线平行穿过电流互感器，电流互感器的输出端接10欧姆的采样电阻，采样电阻两端与数据采集卡的输入端相连。当电机通电转动时，电流互感器的线圈产生感应电流，在采样电阻上就会产生一对应电压，再通过数据采集卡对此电压信号进行采集，即完成了对定子电流信号的采集。将采集到的定子电流信号通过数据采集卡输入至虚拟平台。 

二、通过虚拟平台对定子电流信号的基频f₀进行测量。 

由于定子基频电流的频率在50HZ附近，且幅值非常大，其特征谱线的幅值也很大，本发明采用LabVIEW中的Extract Single Tone Information模块完成电源基频的测量 

四、通过虚拟平台中的数字滤波模块滤除定子电流信号中的基波信号。 

本发明采用了带阻数字滤波的方法滤除基频信号。在LabVIEW中可以直接 在single express中调用filter快速子VI，双击它即可设置相关参数。考虑到选择此模块的功能是滤除基频信号，且故障特征分量分居两侧，故而选择带阻滤波器，因为电源频率约为50Hz，所以低截止频率和高截止频率分别设置为49.8Hz和50.2Hz。采用数字滤波器滤除基频信号的方法，其优点在于能够把基频信号彻底滤除且对边频分量几乎没有影响。比如本课题中倘若边频分量与基频信号相差不足0.2Hz时，边频分量也会被滤除掉，这是与自适应滤波相比的最大不足之处。但这只是理论上存在的，因为倘若边频分量与基频信号相差不足0.2Hz，那么也要求电动机转差率大于0.002，而大型铜条转子的转差率也达0.005，因此该方法是实用的。 

五、通过虚拟平台中的频谱细化模块对滤除基波的定子电流信号进行频谱细化。 

由于三相笼型异步电机的转差率很小，在满载运行下通常也只有0.02-0.08，对于大型铜条转子异步电动机起转差率约为0.005。转子断条边频分量(1±2s)f₀，通常相隔很近，为了避免频谱混叠，也为了精确地找到槽谐波分量，必须要求高分辨率的频谱图。 

ZOOM-FFT频谱细化方法是目前使用最广也是最为成熟的一种频谱细化方法。本发明采用的是LabVIEW中声音与振动工具包中的SVFA Zoom Powerspectrum模块，该模块的信号输入类型是scaled signal[EU]，因此要使用该模块还得使用SVL Scale Voltage to EU来将普通的数据类型转换为scaled signal[EU]型数据。 

六、通过虚拟平台中的转差率测量模块测量一阶转子槽谐波频率f_r1，再根据f_r1＝(z₂/p±1)f₀-(z₂/p)sf₀计算电机的转差率s＝1-p/z₂(f_r1/f₀±1)，电机如转子发生断条故障，则转子断条故障信号的频率f理论上应为(1±2s)f₀，其中，z₂为转子槽数，p为电机的极对数，s为转差率，f₀为电源频率，f_r1为一阶转子槽谐波频率。 

本发明通过以下几个步骤来完成一阶槽谐波分量频率以及转差率的测量。 

1)估计一阶槽谐波分量的频率可能存在的区间。这里可以假设电机空载时电机转差率s＝0，频率搜索的上限值为f_r10＝(z₂/p-1)f₀。又电机正常运行时功 率不应超过额定值，进而实际转差率也不会超过额定值，则该区间的宽度为： 

Δf_r＝(z₂/p)f_N＝(z₂/p)s_Nf₀

式中：f_N为额定转差频率，s_N为额定转差率。因此搜索区间可确定为[f_r10-Δf_r，f_r10]。 

2)对上步估计的区间的定子电流频谱图进行频谱细化分析，以提高频率分辨率，从而大大提高一阶槽谐波分量的频率的测量精度。 

3)从频谱图中查找一阶槽谐波分量谱线并提取出一阶槽谐波分量的频率值。通过公式Δf_r＝(z₂/p)f_N＝(z₂/p)s_Nf₀计算出精度较高的电机转差率。 

七、通过虚拟平台中的寻峰模块查找定子电流信号的频谱图中是否存在频率为(1±2s)f₀的特征谱线，如存在(1±2s)f₀特征谱线，则判断所述电机出现转子断条故障；如没有(1±2s)f₀特征谱线出现，则判断电机正常。 

如附图1所示，本发明还公开了一种三相笼型异步电机转子断条故障在线检测系统，包括电流互感器、数据采集卡、虚拟平台；其特征在于： 

所述电流互感器的输出端与数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与虚拟平台中数据采集模块的输入端相连，完成电机定子电流信号的采集和对电流基频的测量；数据采集模块的输出端与数字滤波模块的输入端相连，滤除电流基频信号；数字滤波模块的输出端与频谱细化模块的输入端相连，对电流频谱进行细化；频谱细化模块的输出端与转差率测量模块和寻峰模块的输入端相连。转差率测量模块完成电机转差率s的测量，计算出特征谱线的理论频率(1±2s)f₀，寻峰模块完成电流频谱图中谱线的查找，看是否存在频率为(1±2s)f₀的谱线，从而完成电机转子断条故障的检测。 

数据采集模块用来采集电机某一相定子电流，同时，完成电源基频的测量，然后将定子电流信号通过数字滤波模块滤除基频信号，滤除基频信号的电流信号的频谱通过频谱细化模块进行频谱细化，此后将信号分成两路：一路通过转差率测量模块查找槽谐波分量，从而计算出电机的实时转差率；另一路信号通过寻峰模块查找频谱图中是否存在(1±2s)f₀电机转子断条故障特征谱线，从而完成电机是否存在断条故障的检测工作。 

附图2是本发明的工作中的虚拟仪器界面。所述虚拟仪器界面包括电机参数 设置界面、电机适时信号界面、查看槽谐波分量界面、定子电流频谱显示界面、转子断条报警等几个部分。 

本发明实施例采用的试验电机为宜宾电机厂生产的J02-11-4型三相笼型异步电机，其极对数为2，额定转速为1380r/min，转子导条数为22。作者采用铣床对电机的转子导条进行破坏，达到断条的目的。本文分别对正常电机和1根、2根、3根转子断条电机进行了实验，实验测得电源的频率为50.02Hz，电机的转差率为0.0082。图3-图6分别为0、1、2、3根转子断条电机定子电流信号经过数字滤波和频谱细化分析后的频谱图。 

从以上四图可以看出，电机转子正常时，在定子电流频谱图中没有转子断条故障特征谱线出现，系统也未出现断条故障报警；当电机转子断条后，在频率为50.8Hz和49.2Hz附近出现两条转子断条故障特征谱线，这正和(1±2S)f₀频谱特征谱线非常吻合，系统产生断条故障报警，虚拟仪器界面的转子断条报警指示等亮起，并发出报警声。 

通过对比发现：当电机出现三根断条时，转子断条故障边频分量特征谱线的幅值达到4.5E-5，比两根断条时电机的转子断条故障边频分量特征谱线的幅值大；两根断条时的转子断条故障边频分量特征谱线的幅值达到2.8E-5，比一根断条时的转子断条故障边频分量特征谱线的幅值(7.5E-6)大。 

实验结果表明，本系统可以精确地提取电机断条故障边频特征分量，且电机断条故障特征谱线的幅值随着断条数量增多而变大。本系统可以根据有无断条故障特征谱线来判断电机是否存在断条故障，同时对电机是否存在断条故障进行报警；另外还可以根据断条故障特征谱线幅值的大小来判断断条故障的程度，由此向工作人员提出是否检修电机的建议。 

本发明提出的通过精确查找电动机定子电流频谱图中是否存在转子断条故障特征谱线来检测异步电机转子断条故障的方案是可行的。该方案有效地解决了断条故障信号被基波信号淹没的问题，解决了因负载波动等干扰信号影响而产生误判的问题，大大提高了电动机转子断条故障检测的准确性和灵敏度。 

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限 制，相反，任何基于本发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种三相笼型异步电机转子断条故障非侵入式在线检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)通过电流互感器检测定子电流信号；

(2)将检测的定子电流信号通过数据采集卡输入至虚拟平台；

(3)通过虚拟平台对定子电流信号的基频f₀进行测量；

(4)通过虚拟平台中的数字滤波模块滤除定子电流信号中的基波信号；

(5)通过虚拟平台中的频谱细化模块对滤除基波的定子电流信号进行频谱细化；

(6)通过虚拟平台中的转差率测量模块测量一阶转子槽谐波频率f_r1，再根据f_r1＝(z₂/p±1)f₀-(z₂/p)sf₀计算电机的转差率s＝1-p/z₂(f_r1/f₀±1)，电机如转子发生断条故障，则转子断条故障信号的频率f理论上应为(1±2s)f₀，其中，z₂为转子槽数，p为电机的极对数，s为转差率，f₀为电源频率，f_r1为一阶转子槽谐波频率；

(7)通过虚拟平台中的寻峰模块查找定子电流信号的频谱图中是否存在频率为(1±2s)f₀的特征谱线，如存在(1±2s)f₀特征谱线，则判断所述电机出现转子断条故障；如没有(1±2s)f₀特征谱线出现，则判断电机正常。

2.根据权利要求1所述的三相笼型异步电机转子断条故障非侵入式在线检测方法，其特征在于：

所述在线检测方法为非侵入式在线检测。

3.一种三相笼型异步电动机转子断条故障在线检测系统，包括电流互感器、数据采集卡、虚拟平台；其特征在于：

所述电流互感器用于检测所述电动机的定子电流信号，其输出端与数据采集卡的输入端相连；

所述虚拟平台包括数据采集模块、数字滤波模块、频谱细化模块、寻峰模块和转差率测量模块；

其中，数据采集卡的输出端与虚拟平台中数据采集模块的输入端相连，完成所述电机定子电流信号的采集和对电流基频的测量；

数据采集模块的输出端与数字滤波模块的输入端相连，滤除定子电流信号中的基频信号；

数字滤波模块的输出端与频谱细化模块的输入端相连，对滤波后的定子电流频谱进行细化；

频谱细化模块的输出端与转差率测量模块和寻峰模块的输入端相连；

转差率测量模块完成电机转差率s的测量，计算出转子断条故障信号的理论频率为(1±2s)f₀，寻峰模块完成电流频谱图中谱线的查找，检查定子电流信号的频谱图是否存在频率为(1±2s)f₀的谱线，从而完成电机转子断条故障的检测。

Images