CN103558552B - 互感式三相电机电流噪声故障检测法和实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

互感式三相电机电流噪声故障检测方法和实现该方法的装置，其中该检测方法包括如下步骤：（1）、通过三相电机的三相接线端的互感电路获得三相电机的电流信息；（2）、建立电流输出信息的Y型电路数学模型；（3）、获取电机电流噪声信号；（4）、判断电机电流噪声信号确定所述三相电机是否发生故障。此外，该发明包括实现上述方法的装置。互感式三相电机电流噪声故障检测方法和实现该方法的装置的基本原理是通过在三相电机的三相接线端的每根导线上分别安装一个相同参数规格的电流互感器，将互感器组成为Y型电路就可以获取工况状态下的电机电流噪声信号，根据获取的电机电流噪声信号可以实现电机的在线运行故障的诊断。其特点是利用Y型电路数学模型滤除了50Hz工频信号，电机电流噪声信号的取样电路简单，抗干扰能力强，电路装置的实现简便经济，并且性能稳定可靠，适合在工程环境下对电机的在线故障检测和诊断。

Description

互感式三相电机电流噪声故障检测法和实施该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种电机电流噪声故障检测方法及其装置，尤其是涉及一种互感式三相电机电流噪声故障检测方法和该方法的装置。

背景技术

电机被广泛的应用在工业生产的各个领域，及时准确地监测电机工况，诊断其运行特征是保证生产安全的重要措施。目前，对电机工况检测主要在电机的电流和电压，电机的机械振动和机械噪声，电机的温度这几方面，与其相关电机工况检测和故障诊断的研究成果非常多，此外，新的理论及现代故障诊断方法不断出现：小波变换、专家系统、模糊系统、神经网络、信息融合等都得到了成功应用。但无论是什么检测诊断方法，真实信号的获取技术是成功实现故障诊断的前提，因此提出一种新的信号检测技术是电机故障诊断检测技术所迫切需求的。

在工程实践中，获取电机运行真实信号的方法还是传统的电机检测诊断方法，以及由传统方法构成的检测诊断设备，其主要原因是上面提到的电机故障诊断方法有些是过于复杂，不适合工程环境下的在线工况环境下的应用。因此，工程实践中希望能找到一种简单便捷，且有效的在线检测方法是非常必要的，并要求提出的检测方法所获得的检测信号与被测电机的电机故障信息有直接的关联性，获得的检测信息是有效正确的，信号能正确地表征故障电机的电磁和机械运行特征。

在最接近的现有技术中，如《电机电流噪声在线测试及其故障检测》（长沙铁道学院学报，1998年6月第16卷第2期，作者：刘建成等）一文中（参见附图9），作者采用了建立电机系统的多元时序模型，以模型的残差序列作为故障的总体检验指标，分析残差序列本身的性质，把多元问题化为一元问题，从而能正确检验运行中电机故障。然而，该故障检测方法过于复杂，对不同类型的电机，其建模的结构、参数差异大，只能按类进行电机的故障检测。

发明内容

本发明目的是弥补现有技术中的不足，通过在三相电机的三相接线端的每根导线上分别安装一个电流互感器，利用电流互感器获取电机的运行电流变化信号，根据获取的电机电流信号可以实现电机的在线运行故障的诊断。因此，本发明的第一个方面涉及一种互感式三相电机电流噪声故障检测方法。该检测方法包括如下步骤：

（1）、通过三相电机的三相接线端的互感电路获得三相电机的电流信息；

（2）、建立电流输出信息的Y型电路数学模型；

（3）、获取电机电流噪声信号；

（4）、判断电机电流噪声信号确定所述三相电机是否发生故障。

优选的是，所述三相电机信号采样电路包括三相感应电流信号采集电路。

在上述任一方案中优选的是，所述三相电机信号采样电路还包括电机电流噪声信号采集电路。

在上述任一方案中优选的是，所述三相感应信号采集电路、所述电机电流噪声信号采集电路输出端连接A/D数据采集接口。

在上述任一方案中优选的是，所述A/D数据采集接口与电机诊断系统连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机电流噪声信号采集电路中包括互感器，所述互感器通过Y型接法与三相电机三相接线端连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机电流噪声信号采集电路是通过互感器和取样电阻组成的。

在上述任一方案中优选的是，所述互感器数量为3个。

在上述任一方案中优选的是，3个所述互感器规格参数相同。

在上述任一方案中优选的是，3个所述互感器中绕组是按照统一绕线方向分别安装在三相电机的三相接线端。

在上述任一方案中优选的是，所述电路数学模型为：；其中：为三相互感回路中分别产生的电机感应电流噪声信号；为三相互感回路中电机的三相感应电流，且在Y型电路连接中电路零点位置的电流；为电机电流噪声信号。

在上述任一方案中优选的是，所述为三相交流电机。

通过上述方法实现的三相电机电流噪声检测，解决了50Hz陷波电路给检测带来的信息丢失问题，同时也简化了电流噪声的检测电路。提高了检测方法抗干扰能力，非常有利于工程环境下的应用，同时也保证了检测信号的稳定性。

本发明的另一方面涉及一种实现上述互感式三相电机电流噪声故障检测方法的装置，该检测装置包括如下模块：

（1）、通过三相电机的三相接线端的互感电路获得三相电机的电流信息的模块；

（2）、建立电流输出信息的Y型电路数学模型的模块；

（3）、获取电机电流噪声信号的模块；

（4）、判断电机电流噪声信号确定所述三相电机是否发生故障的模块。

优选的是，所述三相电机信号采样电路包括三相感应电流信号采集电路。

在上述任一方案中优选的是，所述三相电机采样电路还包括电机电流噪声信号采集电路。

在上述任一方案中优选的是，所述三相感应信号采集电路、所述电机电流噪声信号采集电路输出端连接A/D数据采集接口。

在上述任一方案中优选的是，所述A/D数据采集接口与电机诊断系统连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机电流噪声信号采集电路中包括互感器，所述互感器通过Y型接法与三相电机三相接线端连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电机电流噪声信号采集电路是通过互感器和取样电阻组成的。

在上述任一方案中优选的是，所述互感器数量为3个。

在上述任一方案中优选的是，3个所述互感器规格参数相同。

在上述任一方案中优选的是，3个所述互感器中绕组是按照统一绕线方向分别安装在三相电机的三相接线端。

在上述任一方案中优选的是，所述电路数学模型为：；其中：为三相互感回路中分别产生的电机感应电流噪声信号；为三相互感回路中电机的三相感应电流，且在Y型电路连接中电路零点位置的电流；为电机电流噪声信号。

在上述任一方案中优选的是，所述为三相交流电机。

通过上述装置实现的三相电机电流噪声检测，验证了采用上述测试方法的正确合理性。

附图说明

图1为按照本发明的互感式三相电机电流噪声信号检测方法所用的电路模型的一优选实施例图。

图 2为图1所示电路模型中互感检测信号回路电路模型。

图3为按照本发明的互感式三相电机电流噪声信号检测方法所用的电机电流噪声信号故障检测模型。

图4为采用图3所示电机电流噪声信号故障检测模型检测的电机正常状态下三相感应电流信号。

图5为采用图3所示电机电流噪声信号故障检测模型检测出的电机正常状态下电流噪声信号。

图6为采用图3所示电机电流噪声信号故障检测模型检测出的电机轴承磨损故障状态下的电流噪声信号。

图7为采用图3所示电机电流噪声信号故障检测模型检测出的电机三相电源不平衡故障状态下的电流噪声信号。

图8为采用图3所示电机电流噪声信号故障检测模型检测出的三种不同状态下的电机电流噪声信号FFT频谱图。

图9为电机电流噪声信号故障检测的现有技术。

具体实施方式

互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其包括如下步骤：

（1）、通过三相电机的三相接线端的互感电路获得三相电机的电流信息；

（2）、建立电流输出信息的Y型电路数学模型；

（3）、获取电机电流噪声信号；

（4）、判断电机电流噪声信号确定所述三相电机是否发生故障。

所述三相电机信号采样电路包括三相感应电流信号采集电路；所述三相电机采样电路还包括电机电流噪声信号采集电路；所述三相感应信号采集电路、所述电机电流噪声信号采集电路输出端连接A/D数据采集接口；所述A/D数据采集接口与电机诊断系统连接；所述电机电流噪声信号采集电路中包括互感器，所述互感器通过Y型接法与三相电机三相接线端连接；所述电机电流噪声信号采集电路是通过互感器和取样电阻组成的；所述互感器数量为3个；3个所述互感器规格参数相同；3个所述互感器中绕组是按照统一绕线方向分别安装在三相电机三相接线端；所述电路数学模型为：；其中：为三相互感回路中分别产生的电机感应电流噪声信号；为三相互感回路中电机的三相感应电流，且在Y型电路连接中电路零点位置的电流；为电机电流噪声信号；所述为三相交流电机。

（一）、工作原理

互感式三相电机电流噪声故障检测方法是在三相电机的三相接线端的每根导线上分别安装一个相同规格参数的电流互感器。利用电流互感器获取电机的运行电流变化信号，根据获取的电机电流信号可以实现电机的在线运行故障的诊断。

该方法的物理原理是电机为一个旋转电磁设备，根据电磁理论把电机的组成划分为电路（绕组）和磁路（铁芯）两大部分，在电机的运行工作过程中，由旋转磁力产生磁扭矩力，由此形成了转子的旋转力矩，从而产生了旋转机械功率。

在电机强大的电磁交换运行中，三相电机的三相交流回路中包含了电机有关的磁力变化信号，反应到三相回路中就产生了对应的电流噪声信号。这种电流噪声信号主要包括了电机转子槽、定子槽、偏心、不对称、磁饱和, 机械轴承引起的转子不平衡等产生的电磁力波变化信号。同样的原理，电机绕组过热，绝缘老化，铁心变形及电机转子偏心等故障信息也都将反应到电机电流噪声信息中。这些因素也产生在电机的运行环境中, 如电网电压、负载性质、安装环境、产品质量、恶劣的环境和超技术范围的运行等故障因素同样影响了电机电流噪声信号的变化。

检测到电机的这种电流噪声信号就可以为我们提供诊断电机故障和评价电机的运行特征的基本信息。

（二）、电路模型

“互感式三相电机电流噪声故障检测方法”实现的电路模型是利用三个相同规格参数的互感器，按统一绕线方向安装在三相电机接线端。实现的电路模型如图1所示。方法利用互感线圈组成Y型电路可以获得三相电机的电流噪声信息和电机运行的电流信息。在图1的检测电路模型中，互感信号的回路电路检测模型如图2所示。在图2中，分别是通过电机三相电源互感回路产生的三个电磁感应电压，在该电路中所产生的各项电信号就是我们将要检测的电机故障信息源。

（三）、三相电机电流噪声信号检测原理

在图2中设三相电流在互感回路中产生三相感应电流为，电机运行的电流噪声信号也叠加在这50Hz的工频电流信号上，他们在互感回路中产生相同信息特征的感应电流噪声。在一般情况下，感应电流噪声信号信号非常小，被50Hz的工频电源信号淹没，无法检测出来。为了要获得电机电流噪声信号，常规的方法是必须采用50Hz陷波电路和低通/高通滤波器把50Hz的工频电源信号滤除掉，这种方法的缺点是在滤除50Hz信号时同样也滤掉了部分有效的电流噪声信号，同时由于滤波电路的存在使得检测电路复杂，造成了在实践工程应用中的干扰和信号不稳定的问题。

本方法是按照电工学原理，将互感测试电路构成一个Y型回路，对于一个理想的三相感应电流信号，它们将在Y型回路的零点位置产生电流向量之和为零：

(1)

作为电机的电流噪声信号，在互感回路中产生相同变化特征的感应的电流噪声信号，它们是叠加在三相感应电流中。利用Y型电路，电路如图2所示，则形成的电路数学模型为：

(2)

从公式(2)中我们就可以看出，在Y型电路的零点位置就形成了一个电机电流噪声信号，就是我们要测取的电机电流噪声，它的原理就是利用Y型电路自然的把50Hz工频电源信号滤除了。

这种方法解决了50Hz陷波电路给检测带来的信息丢失问题，同时也简化了电流噪声的检测电路。提高了检测方法抗干扰能力，非常有利于工程环境下的应用，同时也保证了检测信号的稳定性。

（四）实验验证

本方法的核心是三相电流噪声信号检测方法，在获得电流噪声信号后再利用计算机系统进行信号处理。为了验证这种新的信号检测方法的正确性，设计了一个电机电流噪声信号故障检测平台如图3所示，它采用了一个三相感应电流信号测试采集电路和一个三相电流噪声信号检测采集电路，并配置一个A/D数据采集接口与计算机诊断系统连接，就可实现电机在线故障检测。其中，三相感应电流信号测试电路、计算机诊断系统可以采用目前现有技术实现。

实验选用三相异步电机Y90S-4，电机参数为：电压380V，电流2.8A，功率1.1kw，转速1400转/分钟，功率因素（Cosφ）0.78，信号采样频率10kHz。检测方法采用：

1、检测采集三相感应电流信号，信号结果如图4所示；

2、检测采集三相电机电流噪声信号，信号结果如图5所示；

3、为了检验电机运行状态的变化对电流噪声信号的影响关系，对该电机进行轴承磨损和三相电源不平衡故障状态运行情况下的模拟，对这两种故障电流噪声信号的检测结果如图6、图7所示。

4、直接观察电机电流噪声信号是无法判断电机运行状态的，也无法诊断出电机的故障，因此本实验验证方法只对检测的电机电流噪声信号进行FFT频谱分析，以此证明本方法的正确性。电机的三种运行状态的信号的频谱图如图8所示。

分析图8电机电流噪声信号FFT频谱图，我们可以得到如下的实验结果：

1、在电机正常状态下，其中：50Hz为工频谱峰峰值，100Hz，500Hz，600Hz处有峰值，分别表现为电机运行时的风扇和轴向窜动产生的谱峰，以及电磁噪声信号；

2、当电机轴承磨损时，除了在电机正常状态下产生的噪声谱峰外，多形成了1kHz和2kHz~2.5kHz处的高频谱峰峰值，这说明轴承磨损产生电机气隙高频振动，由此产生了高频噪声信号；这些频谱信号说明了电机轴承噪声的出现。

3、三相电源不平衡故障时，在频谱图中，除了在电机正常状态下产生的噪声谱峰外，多出现了260Hz，400Hz，1kHz处形成电磁噪声谱峰，同时在高频处也产生有更多的信号频谱谱峰，说明电机在电源不平衡情况下产生电机磁力不平衡，由此形成电磁振动导致产生许多的衍生谐波，产生了电磁和机械振动的故障现象。由此说明了这种故障状态下信号特征。

综合以上分析，论证了这种新的测试方法是正确合理的。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (20)

1.互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：以互感式三相电机为一个旋转电磁设备，根据电磁理论把电机的组成划分为电路和磁路两大部分，在所述互感式三相电机的运行工作过程中，由旋转磁力产生磁扭矩力，由此形成了转子的旋转力矩，从而产生旋转机械功率；在互感式三相电机的电磁交换运行中，互感式三相电机的三相交流回路中包含了电机有关的磁力变化信号，反应到三相回路中产生了对应的电流噪声信号；这种电流噪声信号包括电机转子槽、定子槽、偏心、不对称、磁饱和、机械轴承引起的转子不平衡产生的电磁力波变化信号；此外，电机绕组过热，绝缘老化，电磁铁芯变形及电机转子偏心信息也都将反应到电机电流噪声信息中；上述电流噪声信息也产生在电网电压、负载性质、安装环境、产品质量、恶劣的环境和超技术范围的运行的电机运行环境中；该方法检测到三相电机的这种电流噪声信号作为诊断三相电机故障和评价电机的运行特征的基本信息；通过在三相电机的三相接线端的每根导线上分别安装一个电流互感器，利用电流互感器获取电机的运行电流变化信号，根据获取的电机电流信号可以实现电机的在线运行故障的诊断；

该检测方法包括如下步骤：

(1)、通过三相电机的三相接线端的互感电路获得三相电机的电流信息；

(2)、建立电流输出信息的Y型电路数学模型；所述电路数学模型是利用三个相同规格参数的互感器，按统一绕线方向安装在三相电机接线端；利用互感线圈组成Y型电路可以获得三相电机的电流噪声信息和电机运行的电流信息；在检测电路中，互感信号v_a，v_b，v_c分别是通过电机三相电源互感回路产生的三个电磁感应电压，在该互感回路中所产生的各项电信号即为噪声源；所述电路数学模型为：(i_A+e_A)+(i_B+e_B)+(i_C+e_C)＝(i_A+i_B+i_C)+(e_A+e_B+e_C)＝e_z其中：e_a，e_b，e_c为三相互感回路中分别产生的电机感应电流噪声信号；i_A，i_B，i_C为三相互感回路中电机的三相感应电流，且在Y型电路连接中电路零点位置的电流i_A+i_B+i_C＝0；e_z＝e_A+e_B+e_C；为电机电流噪声信号；

(3)、获取电机电流噪声信号；

(4)、判断电机电流噪声信号确定所述三相电机是否发生故障。

2.根据权利要求1所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：还包括采集三相电机电流噪声信号的采集电路；在三相电流的互感回路中产生三相感应电流为i_A,i_B,i_C，三相电机运行的电流噪声信号也叠加在这50Hz的工频电流信号上，并在互感回路中产生相同信息特征的感应电流噪声e_a,e_b,e_c。

3.根据权利要求2所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：所述采集三相电机电流噪声信号的采集电路的输出端连接A/D数据采集接口。

4.根据权利要求3所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：所述A/D数据采集接口与电机诊断系统连接。

5.根据权利要求3所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：所述采集三相电机电流噪声信号的采集电路中包括互感器，所述互感器通过Y型接法与三相电机三相接线端连接。

6.根据权利要求3所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：所述采集三相电机电流噪声信号的采集电路包括互感器和取样电阻。

7.根据权利要求6所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：所述互感器数量为3个。

8.根据权利要求7所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：3个所述互感器规格参数相同。

9.根据权利要求7所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：3个所述互感器中绕组是按照统一绕线方向分别安装在三相电机的三相接线端。

10.根据权利要求1所述的互感式三相电机电流噪声故障检测方法，其特征为：所述三相电机为三相交流电机。

11.一种互感式三相电机电流噪声故障检测装置，以互感式三相电机为一个旋转电磁设备，根据电磁理论把电机的组成划分为电路和磁路两大部分，在所述互感式三相电机的运行工作过程中，由旋转磁力产生磁扭矩力，由此形成了转子的旋转力矩，从而产生旋转机械功率；在互感式三相电机的电磁交换运行中，互感式三相电机的三相交流回路中包含了电机有关的磁力变化信号，反应到三相回路中产生了对应的电流噪声信号；这种电流噪声信号包括电机转子槽、定子槽、偏心、不对称、磁饱和、机械轴承引起的转子不平衡产生的电磁力波变化信号；此外，电机绕组过热，绝缘老化，电磁铁芯变形及电机转子偏心信息也都将反应到电机电流噪声信息中；上述电流噪声信息也产生在电网电压、负载性质、安装环境、产品质量、恶劣的环境和超技术范围的运行的电机运行环境中；该装置检测到三相电机的这种电流噪声信号作为诊断三相电机故障和评价电机的运行特征的基本信息；通过在三相电机的三相接线端的每根导线上分别安装一个电流互感器，利用电流互感器获取电机的运行电流变化信号，根据获取的电机电流信号可以实现电机的在线运行故障的诊断；该检测装置包括如下硬件模块：

(1)、通过三相电机的三相接线端的互感电路获得三相电机的电流信息的模块；

(2)、建立电流输出信息的Y型电路数学模型的模块；所述电路数学模型是利用三个相同规格参数的互感器，按统一绕线方向安装在三相电机接线端；利用互感线圈组成Y型电路可以获得三相电机的电流噪声信息和电机运行的电流信息；在检测电路中，互感信号v_a,v_b,v_c分别是通过电机三相电源互感回路产生的三个电磁感应电压，在该互感回路中所产生的各项电信号即为噪声源；所述电路数学模型为：(i_A+e_A)+(i_B+e_B)+(i_C+e_C)＝(i_A+i_B+i_C)+(e_A+e_B+e_C)＝e_z其中：e_a，e_b，e_c为三相互感回路中分别产生的电机感应电流噪声信号；i_A，i_B，i_C为三相互感回路中电机的三相感应电流，且在Y型电路连接中电路零点位置的电流i_A+i_B+i_C＝0；e_z＝e_A+e_B+e_C；为电机电流噪声信号；

(3)、获取电机电流噪声信号的模块；

(4)、判断电机电流噪声信号确定所述三相电机是否发生故障的模块。

12.根据权利要求11所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：还包括采集三相电机电流噪声信号的采集电路；在三相电流的互感回路中产生三相感应电流为i_A,i_B,i_C，三相电机运行的电流噪声信号也叠加在这50Hz的工频电流信号上，并在互感回路中产生相同信息特征的感应电流噪声e_a,e_b,e_c。

13.根据权利要求12所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：所述采集三相电机电流噪声信号的采集电路的输出端连接A/D数据采集接口。

14.根据权利要求13所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：所述A/D数据采集接口与电机诊断系统连接。

15.根据权利要求14所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：所述采集三相电机电流噪声信号的采集电路中包括互感器，所述互感器通过Y型接法与三相电机三相接线端连接。

16.根据权利要求15所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：所述采集三相电机电流噪声信号的采集电路包括互感器和取样电阻。

17.根据权利要求16所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：所述互感器数量为3个。

18.根据权利要求17所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：3个所述互感器规格参数相同。

19.根据权利要求18所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：3个所述互感器中绕组是按照统一绕线方向分别安装在三相电机的三相接线端。

20.根据权利要求19所述的互感式三相电机电流噪声故障检测装置，其特征为：所述三相电机为三相交流电机。