CN105699896A - 一种适用于感应电机转子故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于感应电机转子故障诊断方法,用于解决感应电机转子故障的检测问题。其方法通过电机零序电压中特定频率分量的幅值、频率及有功电流来获得一个表征故障严重程度的故障量化因子,并据此判断转子是否故障及其严重程度,从而实现了电机转子故障的准确检测和量化。本发明计算简单,不需要电机的参数,可用于诊断开环和闭环运行的感应电机,同时能够区分电机的转子故障和负载波动,具有较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于故障诊断技术领域,尤其是一种适用于感应电机转子故障诊断方法。
背景技术
感应电机具有结构简单、价格低廉的优点而在工业、农业、交通运输、国防工业及日常生活中得到了广泛的应用。然而,电机在长时间的运行后,可能会出现各种故障。在故障初期,若没有发现故障并进行合适的处理,故障会进一步扩大,并造成整个系统的非预期停机,并因此会带来巨大的经济损失甚至给工作人员带来生命危险,因此,对一些重要场合的电机进行故障诊断具有重大的意义。
感应电机的故障主要分为定子匝间短路故障、转子故障、轴承故障及气隙偏心故障。其中,转子故障占到了所有故障的10%。
电机的转子发生故障后,电机处于异常运行或故障状态,这必然会引起电机中磁场和电场的变化。这会使电机的电流、瞬时功率、电磁场、转矩等发生变化,并引起电机产生振动和噪声等。因此,可通过检测上述量来实现电机的转子故障诊断。在这些方法中,最常用的方法是检测电机电流的方法,该方法称之为电机电流信号分析法。这种方法简单,且非侵入性,也不需要电机的参数信息。
然而,电机电流信号分析方法存在其自身的缺陷。该方法受负载等级、运行频率影响。同时,负载波动等可能使该方法造成误判。当电机闭环控制的时候,电机电流中的故障特征分量受控制器影响,因此当电机处于闭环控制时,电机电流信号分析方法的诊断效果不再可靠。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种适用于感应电机转子故障诊断方法。该方法简单,易于实现,可以有效地实现转子故障诊断。闭环及控制器对诊断结果的影响可忽略,因此该方法可用于闭环系统的感应电机转子故障诊断。同时,该方法能够区分电机的负载波动和转子故障。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种适用于感应电机转子故障诊断方法,包括以下步骤:
(1)测量电机的三相定子电压(va,vb,vc),并据此计算电机零序电压中f3-2s=(3-2s)f频率分量的幅值V3-2s或f3-4s=(3-4s)f频率分量的幅值V3-4s。其中,f是电机的基波频率,s是电机的滑差。
(2)测量电机的三相定子电流(ia,ib,ic),并根据电机的电压和电流,计算电机的有功电流平均值
(3)故障判断。定义故障量化因子为或若FI≥thr,则表明电机的转子存在故障,且FI越大,表示故障越严重;若FI<thr,表明电机的转子不存在故障。其中,thr为阈值。其中,阈值的确定方法为:当电机的转子导条断裂一根时,测量故障量化因子FI的值,记为T1,则阈值thr可取为0.3T1。
进一步的,所述步骤(1)中,其计算包括如下步骤:
(1A)根据电机电压计算电机的零序电压v0,其表达式为
(1B)对零序电压v0进行傅里叶分析,并根据其波形频谱得到电机零序电压中f3-2s=(3-2s)f频率分量的幅值V3-2s,或得到电机零序电压中f3-4s=(3-4s)f频率分量的幅值V3-4s。
进一步的,所述步骤(2)中,有功电流平均值的计算包括以下步骤:
(2A)计算α轴和β轴电压和电流
(2B)根据瞬时功率理论计算α轴和β轴的有功电流
(2C)根据计算有功电流ip,对ip取平均值即可得到
本发明的有益效果是,本发明提供的转子故障诊断方法不仅能够实现电机的转子故障诊断,而且能够对故障进行量化;该方法计算简单,易于实现,不需要电机的参数;闭环及控制器对诊断结果的影响很小,因此该方法不仅可用于开环运行的电机,也可用于诊断闭环运行的电机,且不需要根据控制策略和控制器参数变化而更改阈值;能够区分电机的转子故障和负载波动,鲁棒性高。
附图说明
图1为本方案实验装置图;
图2为本发明具体实施步骤。
具体实施方式
为了更加具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1给出了本发明的实验装置图。通过电压传感器和电流传感器获取电机的三相电压(va,vb,vc)和三相电流(ia,ib,ic)。对于星型接法的电机,其三相电流之和为零,所以也可只采集两相电流,并据此计算出第三相电流的值。将获得的三相电流和电压信号送入到本发明提出的故障诊断算法中,即可判断出电机转子故障与否及其严重程度。
当正常的电机定子绕组中通入k次谐波电流,与电机的v次空间谐波作用,其感生的磁动势在第i个转子回路中感生出的电流为
式中,sv,k=k-v(1-s),s是滑差,ω是电机的基波频率,φk是电机的k次谐波初相角,p是电机的极对数,是转子两根导条之间的机械角,nr是转子总的导条数。
第i个转子回路的绕组函数为
对其进行傅里叶级数展开,有
式中,λ=1,2,3,…
因此,电机的总的转子磁动势为
对上式化简,得到转子磁动势为
式中,z为整数。因此,上述磁动势在定子中可能感生出的电流频率为
当电机转子故障后,其转子的对称性受到破坏。此时各转子回路中的电流幅值不再相等,且相位差也不再为vpξr。此时可设转子断条时的第i个转子回路的电流为
此时第i个转子回路感生的磁动势为
因此,其总的磁动势为
从上式可以看到,此时磁动势中的各分量的频率为及
只考虑k=1,v=1的情况。当λ/p为3的整数倍时,上述磁动势在各相绕组中感生的电动势相位相同,其对应的感应电势形成了零序电压(星型接法)。只考虑则其频率分别为
当电机一根转子断条时,可将其等价于一个正常的转子和故障导条两侧的两个回路的叠加,且这两个模型中断裂的导条中的电流恰好相反,以满足断条转子中不存在电流这一前提条件。由于正常的转子不会产生零序电压,所以在计算零序电压时只需要考虑叠加的转子回路。
设断裂的转子为第i各转子导条,且电机正常时该导条的电流为
因此,与断条转子相邻的两个导条的电流为
这两个电流在转子回路中产生的磁动势为
只考虑此时磁动势为
式中,
在不考虑饱和的情况下,上述磁动势产生的电压为
因此,零序电压中,f3-2s=(3-2s)f频率分量的幅值V3-2s和f3-4s=(3-4s)f频率分量的幅值V3-4s分别正比于他们的频率及转子导条电流如果忽略定子电阻、定转子漏感及铁损,则电机的转子导条电流和电机的有功电流ip成正比。因此,V3-2s∝f(3-2s)fip,V3-4s∝f(3-4s)fip。考虑到电机转子故障或负载波动下,其有功电流存在一定的波动,所以可将故障指标定义为或式中的为有功电流的平均值。显然,在实际故障诊断中,只需要利用其中一个分量就可以实现转子故障诊断。在本实施例中,仅以f3-2s频率分量为例进行说明,以f3-4s频率分量进行诊断的步骤和f3-2s相同。
当转子故障的电机处于闭环控制时,其故障信息会传递到电机的电压当中,因此会在电机的电压中引入频率为(1±2s)f的左右边频频率分量。这些分量会产生对应频率分量的电流。
以左边频电压分量为例,设其产生的电流为
断条后,可认为其在临近的两个回路中的叠加电流产生的磁动势为
当时,上述磁动势会引入两个频率为及的零序电压分量。同理,右边频电压引入的转子电流的频率为3sf,其产生3倍频附近的零序电压分量的频率分别为及
但是,电机转子故障时,其左右边频分量的电压与基波电压相比很小,因此其产生的对应的左右边频电流与基波电流相比也很小,因此闭环引入的左右边频电压对频率为f3-2s和f3-4s的零序电压的影响也很小,可以忽略。
当电机存在低频负载波动时,可产生对应频率的电流。但是由于电机的转子对称,因此无法产生频率为f3-2s及f3-4s的零序电压。因此,此时的故障量化因子FI很小(理论上为零),因此该方法可区分负载波动和转子故障。
根据上述理论,本发明具体的实施步骤如图2所示(以f3-2s为例,f3-4s的方法相同):
(1)根据电机的三相电压计算电机的零序电压v0,其计算公式为
(2)对v0进行傅里叶分析,得到f3-2s频率分量的幅值V3-2s和频率f3-2s。
(3)对电机的三相电流和三相电机进行坐标变换,得到其电压和电流的α轴和β轴分量(vα,vβ,iα,iβ)。其计算表达式为
(4)根据瞬时功率理论计算α轴和β轴的有功电流(iαp,iβp),其计算表达式为
(5)根据如下表达式计算有功电流ip,对ip取平均值可得到
(6)计算故障量化因子,其计算公式为
(7)根据FI来判断电机转子的状态。若FI≥thr,则表明电机的转子存在故障,且FI越大,表示故障越严重;若FI<thr,表明电机的转子不存在故障。其中,thr为阈值,该值通过实验方法测量得到。当电机的转子导条断裂一根时,测量故障量化因子为T1,则阈值thr可取为0.3T1。
利用本发明提出的方法,不仅能够实现电机的转子故障诊断,且能够对故障进行量化;该方法计算简单,易于实现,不需要电机的参数;闭环及控制器对诊断结果的影响很小,因此该方法不仅可用于开环运行的电机,也可用于诊断闭环运行的电机,且不需要根据控制策略和控制器参数变化而更改阈值;能够区分电机的转子故障和负载波动,鲁棒性高。
Claims (5)
1.一种适用于感应电机转子故障诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)测量电机的三相定子电压(va,vb,vc),并据此计算电机零序电压中f3-2s=(3-2s)f频率分量的幅值V3-2s。其中,f是电机的基波频率,s是电机的滑差。
(2)测量电机的三相定子电流(ia,ib,ic),并根据电机的电压和电流,计算电机的有功电流平均值
(3)故障量化因子若FI≥thr,则表明电机的转子存在故障,且FI越大,表示故障越严重;若FI<thr,表明电机的转子不存在故障。其中,thr为阈值。
阈值thr的确定方法为:当电机的转子导条断裂一根时,测量故障量化因子FI的值,记为T1,则阈值thr可取为0.3T1。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,V3-2s通过以下方法得到:
(1.1)根据电机电压计算电机的零序电压v0,其表达式为
(1.2)对零序电压v0进行傅里叶分析,并根据其波形频谱得到电机零序电压中f3-2s=(3-2s)f频率分量的幅值V3-2s。
3.一种适用于感应电机转子故障诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)测量电机的三相定子电压(va,vb,vc),并据此计算电机零序电压中f3-4s=(3-4s)f频率分量的幅值V3-4s。其中,f是电机的基波频率,s是电机的滑差。
(2)测量电机的三相定子电流(ia,ib,ic),并根据电机的电压和电流,计算电机的有功电流平均值
(3)故障量化因子为若FI≥thr,则表明电机的转子存在故障,且FI越大,表示故障越严重;若FI<thr,表明电机的转子不存在故障。其中,thr为阈值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,幅值V3-4s通过以下方法计算得到:
(1.1)根据电机电压计算电机的零序电压v0,其表达式为
(1.2)对零序电压v0进行傅里叶分析,并根据其波形频谱得到电机零序电压中f3-4s=(3-4s)f频率分量的幅值V3-4s。
5.根据权利要求1-4所述的方法,其特征在于,所述有功电流平均值的计算包括以下步骤:
(2.1)计算α轴和β轴电压和电流
(2.2)根据瞬时功率理论计算α轴和β轴的有功电流
(2.3)根据计算有功电流ip,对ip取平均值即可得到
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