CN106526479B - 基于电网谐波特征的电铲电气系统故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电网谐波特征的大型电铲电气系统故障检测方法，该方法主要包括以下步骤：首先模拟不同的故障原因，通过谐波分析模块对电机定子电流进行分析，找出不同故障情况下的谐波特征值，在出现故障的情形下根据相应的谐波特征就可以判断故障原因。其次，为了找出故障的电路，分别在不同故障下对比故障相与非故障相的谐波含量，找出其主要的特征。最后，根据谐波特征值就可以输出故障原因和故障相。该方法主要是利用本身就存在电气系统中的谐波提取其特征值应用到故障诊断中，大大的提高了效率，提高了故障特征的准确性和有效性。此外，不管出现故障小或者大，都在同一个谐波特征的取值范围内，不会出现找不到故障原因的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种电铲中电气系统故障诊断，特别是一种基于电网谐波特征的电铲电气系统故障诊断方法。
背景技术
矿山电铲的故障类型主要分为电气故障和机械故障，其中电气系统主要设备就是异步交流电机，交流电机因为在使用上非常方便而且便于维护而被广泛使用，但是由于在运行中频繁启动、受力过大、温度过高或者处于潮湿环境下等因素的影响，电机会渐渐衰弱，丢失原有的功能和性质，于是在运行过程中就会产生故障。故障检测就是利用检测方法，检测出能代表故障隐患和起向的数据，从中得到预示信息。通过分析出现的预示信息，准确的判断出电动机产生故障的原因，然后修护故障部位，继续进行工艺作业。否则，当出现故障之后如果不能及时的进行检修时，长时间运行设备，会导致生产线瘫痪，造成大量的损失。
然而现有的检测故障技术只能检测到各种参数，有时候这些检测出来的参数并不能直接地反应故障的一次参数，而是反应故障的二次参数。所以应该准确的了解各种故障形式，积累经验，当出现故障时，就能找出有可能的故障原因，然后进行排除。
电网谐波是电网中存在的除基波电压、电流以外的高次谐波分量。谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的倍数。谐波的次数n就是存在的谐波与基波频率的比值。电网中谐波的产生就是当非线性负载通过电流时，产生的电压与电阻呈非线性关系。
在故障诊断中谐波特征提取是基础，谐波特征提取就是提取故障下谐波的个性特点。谐波特征的提取分为两个阶段，一是为了区分故障原因，提取不同故障情形下谐波特征；二是为了找出故障相，提取故障相与非故障相的谐波特征。目前，存在很多基于小波包分析的故障诊断方面的研究成果报告，详见下列文献：
[1]王丽娟.基于小波变换及SVM的电机故障诊断[J].重庆三峡水利电力学校，2014,49(4)；
[2]何建军.小波变换及其在电机故障信号检测和分析中的应用研究：[博士学位论文].重庆：重庆大学博士学位论文，1999；
[3]田慕玲，王晓玲.电机故障诊断中的小波分析方法和小波基的选取.煤矿机械2007,28(5)：176-179；
这些文献都在不同程度上提高了交流电机故障诊断的可靠性，这些方法的主要思想是利用电机故障相与非故障相能量比的特点，通过小波包分解到不同的子频带中，然后计算子频带与总频带能量比。但是在研究中发现，这些研究存在以下几方面问题：
问题一：不能给出出现的故障原因，只能检测出此时存在故障，并不能提示我们出现的故障原因；
问题二：当故障很小或者出现的故障不明显时，不能有效地识别故障特征；
问题三：过程复杂，需要利用小波包分解数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述技术问题，提供一种能够提示出现的故障原因、识别小范围的故障、过程更加方便准确、针对大型电铲电气系统故障的电气系统故障诊断的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于电网谐波特征的电铲电气系统故障检测方法，首先分析电动机内部结构，然后找出电动机可能出现的故障原因：定子相间短路故障、电机机体接地对地短路故障及转子断条故障；利用Simulink软件模拟不同的故障，提取谐波特征值，不同的故障具有不同的谐波特征；主要包括以下步骤:
A：建立交流异步电机仿真模型，模拟三种故障，对三种故障进行仿真，根据FFT分析模块分析定子电流；
B：提取三种故障各自的谐波特征；
C：针对于其中一种故障，分析三相电路中故障相与非故障相的谐波特征，主要步骤如下：
C1：定子相间短路故障，在定子两相之间连接一个非常小的电阻，阻值应低于0.5，此时，故障相有2个，分别利用FFT分析模块检测三相电路的谐波含量，找出2个故障相与非故障相的区别；
C2：电机接地短路故障，将定子三相中其中一相连接到地中，此时故障相只有1个，找出故障相与非故障相的区别；
D：根据得到的谐波特征，找出判定故障的界限及在不同故障下的取值范围。
上述技术方案中，步骤A按以下两步进行：
A1、分别模拟三种故障进行仿真，与正常情况下相比较；
A2、验证每一种故障的谐波特征是否正确；对故障原因的各种表达形式进行仿真，进行谐波分析，判断上述得到的谐波特征是否具有代表性，从而建立故障种类判断原则。
上述技术方案中，步骤A1中立故障种类判断原则如下：
在电机正常时，谐波中只含有5、7次谐波；定子相间短路时存在3、5次谐波；电机机体接地对地短路故障时存在3、5、7次谐波；转子断条时存在0、3、5、7次谐波；当谐波中存在3次谐波时即可判断系统出现的故障种类；步骤A2谐波特征的正确性判断如下：相间短路时3次谐波与基波的比值大于等于14％；电机对地短路时3次谐波与基波的比值大于等于4％且小于14％；转子断条时3次谐波与基波的比值大于0.5％且小于4％，同时还要满足0次谐波与基波的比值大于等于1％。
上述技术方案中，B步骤具体如下：找到故障原因后，为了判断故障相，分别在三相电路中加上电流计元件，测得三相的电流，然后进行谐波分析。
上述技术方案中，B步骤判断故障相的原则如下：
B1：定子相间短路时：当A、B两相间短路时，A、B两相3次谐波含量很大，几乎是C相的一倍多；同样地，当A、C相间短路与B、C相间短路时，也是故障相的3次谐波含量最大；
B2：电机对地短路故障时，由3种电机对地短路故障时的谐波特征矩阵，可以看出故障相的3次谐波含量最大。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明是根据故障找谐波特征，反过来，利用谐波特征去判断故障原因，提高了故障特征的准确性和有效性。
2、本发明仿真任何条件下的故障，不管出现故障小或者大，都在同一个谐波特征的取值范围内，不会出现找不到故障原因的情况。具体原因如下：
(1)利用故障最小的情况下谐波特征值作为下限，故障最大的情况下谐波特征值作为上限；
(2)检测每一种故障原因的三种情形下是否谐波特征都在该取值范围内；
(3)检查是否其他的故障原因出现时，谐波特征同时存在该取值范围内。
3、找出谐波特征值之后，存于数据库中，一旦出现故障，与之进行比较就能找到故障原因及故障相。
附图说明
图1是本发明基于电网谐波特征的电铲电气系统的故障诊断方法的原理图。
图2是本发明基于电网谐波特征的电铲电气系统的故障诊断方法的流程图。
图3是根据本发明方法建立的交流异步电机仿真模型示意图。
图4是正常设备下定子电流谐波分析图。
图5是定子相间短路故障时定子电流谐波分析图。
图6是电机接地故障时定子电流谐波分析图。
图7是转子断条故障时定子电流谐波分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的描述。本发明基于电网谐波特征的电铲电气系统的故障诊断方法，如图1所示，首先分析电动机内部结构，找出电动机可能出现的故障原因。电机主要是由定子和转子构成，所以电机中主要故障为定子相间短路故障、电机机体接地对地短路故障及转子断条故障。不同的故障具有不同的谐波特征，因此，谐波特征可以作为进行故障诊断的主要依据。
具体包括如图2所示的步骤：
首先，按图3所示建立交流异步电机仿真模型，电源的三个端口分别接入电桥的三个端口，经过变频的作用之后连接二极管，对电路起到延时的作用，然后再接入电桥逆变，将电源输入到异步电机定子端口中，鼠笼式异步电机转子三个端口用导线相连，此时，电机输出的参数选择定子电流，连接到示波器。通过模块powergui中FFT功能，对定子电流进行谐波分析。本实施例采用的是鼠笼式异步电机，主要由定子和转子组成。三相异步电动机的电路部分是由定子绕组组成，定子中包含三相绕组，当对称的三相电流流经时就会产生旋转的磁场。三相绕组之间彼此独立又相互连接在一起。一个绕组即为一相，绕组相位相差120。定子绕组内部的连接方式有两种，一种是星形，另一种是三角形。转子由转子铁心、转子绕组以及转轴组成。供电系统采用三相交流电源，三相交流电源中电压为400v，在电桥模块中选择IGBT/Diodes二极管。交流电机前一部分电路为变频器，然后经过二极管起到延时的作用，IGBT起到逆变的作用。异步电动机参数电压380V，频率50HZ，定子绕组电阻0.68Ω，漏感0.0042H，转子绕组电阻0.45Ω。在PWM调制模块中设调制度m为0.95，正弦波频率为50HZ，载波频率为1080HZ，取模型算法为ode23t。
A1、分别模拟三种故障进行仿真，与正常情况下相比较。对4种情况进行谐波分析，得到图4-7情况的不同显示。正常时，谐波中只含有5、7次谐波；相间短路时存在3、5次谐波；电机接地故障时存在3、5、7次谐波；转子断条时存在0、3、5、7次谐波。可以得到，当谐波中存在3次谐波时就能判断系统出现故障了。
表1：谐波特征矩阵
| 电机设备 | 0次 | 基波 | 3次 | 5次 | 7次 |
| 正常 | 无 | 20 | 无 | 2.1528 | 1.0300 |
| 定子相间短路 | 无 | 20 | 2.9518 | 2.5718 | 无 |
| 电机对地短路 | 无 | 20 | 0.9661 | 2.2964 | 1.2140 |
| 转子故障 | 0.4832 | 20 | 0.2297 | 2.3564 | 0.9190 |
表1是4种情况下的谐波特征矩阵表。表1中只给出了每一种故障下的一种故障形式的数据，例如，相间短路时只举出了A、B两相短路时谐波特征。
A2、验证每一种故障的谐波特征是否正确。对故障原因的各种表达形式进行仿真，进行谐波分析，判断上述得到的谐波特征是否具有代表性。
表2：对比谐波特征矩阵
| 故障原因 | 0次 | 基波 | 3次 | 5次 | 7次 |
| B,C相间短路 | 无 | 20 | 2.8385 | 2.5769 | 无 |
| A,C相间短路 | 无 | 20 | 2.9185 | 2.5866 | 无 |
| A相对地短路 | 无 | 20 | 1.5350 | 2.8300 | 1.2671 |
| B相对地短路 | 无 | 20 | 2.6524 | 1.6521 | 1.2475 |
| 转子b相故障 | 0.2700 | 20 | 0.4363 | 2.1760 | 1.0386 |
| 转子C相故障 | 0.2150 | 20 | 0.6197 | 2.5469 | 0.9437 |
表2中的数据验证了谐波特征的正确性，相间短路时3次谐波与基波的比值大于等于14％；电机对地短路时3次谐波与基波的比值大于等于4％且小于14％；转子断条时3次谐波与基波的比值大于0.5％且小于4％，同时还要满足0次谐波与基波的比值大于等于1％。
B、找到故障原因后，为了判断故障相，分别在三相电路中加上电流计元件，测得三相的电流，然后进行谐波分析。
B1、定子相间短路时，存在3种情况。
表3：A、B相间短路三相电流谐波特征矩阵
| 定子电流 | A相的电流 | B相的电流 | C相的电流 | |
| 基波 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 3次 | 2.9503 | 5.4299 | 5.4919 | 2.9348 |
| 5次 | 2.5706 | 1.8732 | 1.3611 | 2.6066 |
表4：A、C相间短路三相电流谐波特征矩阵
| 定子电流 | A相的电流 | B相的电流 | C相的电流 | |
| 基波 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 3次 | 2.9185 | 6.0317 | 2.8884 | 6.0236 |
| 5次 | 2.5866 | 1.2406 | 2.5626 | 1.7680 |
表5：B、C相间短路三相电流谐波特征
| 定子电流 | A相的电流 | B相的电流 | C相的电流 | |
| 基波 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 3次 | 2.8385 | 2.8384 | 6.0530 | 6.0664 |
| 5次 | 2.5769 | 2.5817 | 2.3020 | 1.7491 |
表3-5是定子相间短路三种故障形式的谐波特征矩阵，可以看出，当A、B两相相间短路时，A相和B相3次谐波含量很大，几乎是C相的一倍多。同样地，当A、C相间短路或者B、C相间短路时，也是出现故障的线路3次谐波含量最大。
B2、电机机体接地对地短路故障时，也存在3种情况。
表6：A相对地短路三相电流谐波特征
| 定子电流 | A相的电流 | B相的电流 | C相的电流 | |
| 基波 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 3次 | 1.5350 | 4.1843 | 0.9710 | 2.6099 |
| 5次 | 2.8300 | 2.7849 | 2.3437 | 1.6798 |
| 7次 | 1.2671 | 1.1795 | 1.1845 | 1.2514 |
表7:B相对地短路三相电流谐波特征
| 定子电流 | A相的电流 | B相的电流 | C相的电流 | |
| 基波 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 3次 | 2.6524 | 2.6524 | 4.1780 | 1.0089 |
| 5次 | 1.6521 | 1.6521 | 2.8286 | 2.2814 |
| 7次 | 1.2475 | 1.2475 | 1.1637 | 1.2522 |
表8：C相对地短路三相电流谐波特征
| 定子电流 | A相的电流 | B相的电流 | C相的电流 | |
| 基波 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 3次 | 0.9661 | 0.9661 | 2.6101 | 4.1484 |
| 5次 | 2.29640 | 2.29640 | 1.6746 | 2.8006 |
| 7次 | 1.2139 | 1.2139 | 1.2179 | 1.2008 |
表6-8中是3种电机对地短路故障时的谐波特征矩阵，可以看出故障相的3次谐波含量最大。
因此，我们能够得出结论，出现电机对地短路故障时，3次谐波含量大的就是故障相。
当我们对系统进行谐波分析之后就可以利用图2的流程框图设计程序进行判断故障。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明是根据故障找谐波特征，反过来，利用谐波特征去判断故障原因，提高了故障特征的准确性和有效性。
2、本发明仿真任何条件下的故障，不管出现故障小或者大，都在同一个谐波特征的取值范围内，不会出现找不到故障原因的情况。具体分析如下：
(1)利用故障最小的情况下谐波特征值作为下限，故障最大的情况下谐波特征值作为上限；
(2)检测每一种故障原因的三种情形下是否谐波特征都在该取值范围内；
(3)检查是否其他的故障原因出现时，谐波特征同时存在该取值范围内。
3、找出谐波特征值之后，存于数据库中，一旦出现故障，与之进行比较就能找到故障原因及故障相。
Claims (5)
1.一种基于电网谐波特征的电铲电气系统故障检测方法，首先分析电动机内部结构，然后找出电动机可能出现的故障原因：定子相间短路故障、电机接地短路故障及转子断条故障；利用Simulink软件模拟不同的故障，提取谐波特征值，根据不同的故障具有不同的谐波特征找出故障原因；其特征在于：主要包括以下步骤:
A：建立交流异步电机仿真模型，模拟三种故障，对三种故障进行仿真，根据FFT分析模块分析定子电流；
B：提取三种故障各自的谐波特征；
C：针对于其中一种故障，分析三相电路中故障相与非故障相的谐波特征，主要步骤如下：
C1：定子相间短路故障，在定子两相之间连接一个非常小的电阻，阻值应低于0.5Ω，此时，故障相有2个，分别利用FFT分析模块检测三相电路的谐波含量，找出2个故障相与非故障相的区别；
C2：电机接地短路故障，将定子三相中其中一相连接到地中，此时故障相只有1个，找出故障相与非故障相的区别；
D：根据得到的谐波特征，找出判定故障的界限及在不同故障下的取值范围。
2.根据权利要求1所述的基于电网谐波特征的电铲电气系统故障检测方法，其特征在于：步骤A按以下两步进行：
A1、分别模拟三种故障进行仿真，与正常情况下相比较；
A2、验证每一种故障的谐波特征是否正确；对故障原因的各种表达形式进行仿真，进行谐波分析，判断上述得到的谐波特征是否具有代表性，从而建立故障种类判断原则。
3.根据权利要求2所述的基于电网谐波特征的电铲电气系统故障检测方法，其特征在于：步骤A1中建立故障种类判断原则如下：
在电机正常时，谐波中只含有5、7次谐波；定子相间短路时存在3、5次谐波；电机接地短路故障时存在3、5、7次谐波；转子断条时存在0、3、5、7次谐波；当谐波中存在3次谐波时即可判断系统出现故障；步骤A2谐波特征的正确性判断如下：定子相间短路时3次谐波与基波的比值大于等于14%；电机接地短路故障时3次谐波与基波的比值大于等于4%且小于14%；转子断条时3次谐波与基波的比值大于0.5%且小于4%，同时还要满足0次谐波与基波的比值大于等于1%。
4.根据权利要求1所述的基于电网谐波特征的电铲电气系统故障检测方法，其特征在于：B步骤具体如下：找到故障原因后，为了判断故障相，分别在三相电路中加上电流计元件，测得三相的电流，然后进行谐波分析。
5.根据权利要求1所述的基于电网谐波特征的电铲电气系统故障检测方法，其特征在于：B步骤判断故障相的原则如下：
B1：定子相间短路时：当A、B两相间短路时，A、B两相3次谐波含量很大，是C相的一倍多；同样地，当A、C相间短路与B、C相间短路时，也是故障相的3次谐波含量最大；
B2：电机接地短路故障时，由3种电机接地短路故障时的谐波特征矩阵，可以看出故障相的3次谐波含量最大。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190326 Termination date: 20211107 |
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