CN107091985A - 异步电机转子断条故障诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异步电机转子断条故障诊断系统，它包括霍尔电流传感器、模数转换模块、定点信号处理器和外部存储器，其中，所述霍尔电流传感器的信号输出端连接模数转换模块的模拟信号输入端，模数转换模块的数字信号输出端连接定点信号处理器的信号输入端，定点信号处理器的数据存储端连接外部存储器的数据存储端；本发明诊断电机转子故障时：不需要停运电机，只需要在电机启动时获取定子电流数据，即可在系统中诊断电机转子断条故障，且所述系统硬件设备造价低，大大减低本发明的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电机故障诊断技术领域，具体涉及一种异步电机转子断条故障诊断系统及方法。
背景技术
三相异步电动机是工业生产中的重要能源设备，电机转子断条故障发生频繁，导致工业生产中断，影响企业经济效益，若能够实时、准确地判断电机是否存在转子断条故障，对工业生产和安全管理具有重要的意义。
故障信号的分析和处理是故障诊断技术的核心。近年来，随着电机在工业生产中的广泛应用以及人工智能算法的日渐成熟，如何在电机故障发生时及时诊断出故障成为电机故障诊断研究领域的一个难点。针对这一难题，学者们尝试了采用不同的方法，主要包括：工频消去法、Park's矢量法、人工智能法、Vienna监测法和信号分析法。
工频消去法，对信号进行预处理以突出故障频率特征量。现有的滤波方法很难完全抵消工频分量，因此大大降低此方法的准确性。Park's矢量法，将故障诊断的频谱分析呈现在平面图上，但电机故障初期图形特征不明显，故障平面识别较为困难。
人工智能法，以已有的故障数据库为基础，建立与数据库对应的输入/输出映射关系，需要收集大量故障数据建立模型，过程复杂，成本高。
Vienna监测法，是一种基于空间向量理论的时域分析方法，很大程度上受环境因数的影响，很难建立精确电机模型。
信号分析法，对微弱信号的提取具有良好的效果，利用仿真软件可以更直观地观察分析结果，但不利于现场在线监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异步电机转子断条故障诊断系统及方法，该方法能快速准确地判断异步电机转子断条故障。
异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：它包括霍尔电流传感器、模数转换模块、定点信号处理器、外部存储器，其中，所述霍尔电流传感器的信号输出端连接模数转换模块的模拟信号输入端，模数转换模块的数字信号输出端连接定点信号处理器的信号输入端，定点信号处理器的数据存储端连接外部存储器的数据存储端；
所述霍尔电流传感器用于获取异步电机的定子电流模拟信号；
所述模数转换模块用于将定子电流模拟信号转换为定子电流数字信号；
所述定点信号处理器用于将定子电流数字信号分成等长的短时信号，相邻短时信号之间有重叠，并对所述的短时信号进行加窗截短处理，得到加窗信号；
所述定点信号处理器还用于利用序列的短时傅里叶变换计算所述加窗信号的频谱，得到功率谱密度矩阵，并将所述功率谱密度矩阵转换成功率谱密度列向量，根据向量方差计算公式利用上述能量谱密度列向量得到功率谱密度向量的方差；
所述定点信号处理器还用于将上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差进行比较，如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于0且小于2，则判断为异步电机转子无断条故障；如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于等于2，则判断为异步电机转子存在断条故障。
一种利用权利要求1所述系统的异步电机转子断条故障诊断方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：霍尔电流传感器从异步电机处获取定子电流模拟信号，并将定子电流模拟信号发送给模数转换模块：
步骤2：模数转换模块将定子电流模拟信号转换为定子电流数字信号，并将定子电流数字信号发送给定点信号处理器；
步骤3：所述定点信号处理器将定子电流数字信号分成等长的短时信号，相邻短时信号之间有重叠，并对所述的短时信号进行加窗截短处理，得到加窗信号；
步骤4：定点信号处理器利用序列的短时傅里叶变换计算所述加窗信号的频谱，得到功率谱密度矩阵，并将所述功率谱密度矩阵转换成功率谱密度列向量，根据向量方差计算公式利用上述功率谱密度列向量得到功率谱密度向量的方差；
步骤5：所述定点信号处理器将上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差进行比较，如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于0且小于2，则判断为异步电机转子无断条故障；如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于等于2，则判断为异步电机转子存在断条故障。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的所述系统硬件设备简单可实施性强；结果精确：短时傅里叶变换适用于非平稳信号的时频分析，通过把一维的时间或频率函数映射为时间-频率的二维函数来观察非平稳信号的时频图，可以得到更多信息，使得分析结果更为准确。定点信号处理器具有强大的数据处理能力，能快速实现各种变换算法、滤波处理等，满足对大量数据处理速度、处理精度的要求。
本发明诊断电机转子故障时：不需要停运电机，只需要在电机启动时获取定子电流数据，即可在系统中诊断电机转子断条故障，且所述系统硬件设备造价低，大大减低本发明的成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1—霍尔电流传感器、2—模数转换模块、3—定点信号处理器、4—外部存储器、5—显示与报警模块、5.1—可编程逻辑器件、5.2—显示器、5.3—蜂鸣器、6—电脑。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明设计的一种异步电机转子断条故障诊断系统，如图1所示，它包括霍尔电流传感器1(型号为SP1T200C5V6)、模数转换模块2(型号为8通道串行ADC MAX1270)、定点信号处理器3(32位定点信号处理器TMS320F2812)、外部存储器4，其中，所述霍尔电流传感器1的信号输出端OUT连接模数转换模块2的模拟信号输入端IN，模数转换模块2的数字信号输出端连接定点信号处理器3的信号输入端(模数转换模块2的模拟信号输出端有两个，分别是OUT1和OUT2，其中OUT1输出定子电流信号前8位，OUT2输出定子电流信号后8位；定点信号处理器3的信号输入端也有两个，分别是ADC模拟输入引脚ADCA0-7和ADC模拟输入引脚ADCB0-7，其中，ADC模拟输入引脚ADCA0-7输入定子电流数字信号前8位，ADC模拟输入引脚ADCB0-7输入定子电流数字信号后8位)，定点信号处理器3的数据存储端连接外部存储器4的数据存储端；
所述霍尔电流传感器1用于获取异步电机的定子电流模拟信号(通过输入端IN接收定子电流模拟信号，霍尔电流传感器1的接地端接地)；
所述模数转换模块2用于将定子电流模拟信号转换为定子电流数字信号；
所述定点信号处理器3用于将定子电流数字信号分成等长的短时信号，相邻短时信号之间有重叠，并对所述的短时信号进行加窗截短处理，得到加窗信号；
所述定点信号处理器3还用于利用序列的短时傅里叶变换(该变换为现有算法，详见参考文献：王慧,许伯强,杨甫.笼型异步电动机轻载状态下断条故障检测方法研究[C]//中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会.2008.)计算所述加窗信号的频谱，得到功率谱密度矩阵，并将所述功率谱密度矩阵转换成功率谱密度列向量，根据向量方差计算公式利用上述功率谱密度列向量得到功率谱密度向量的方差；
所述定点信号处理器3还用于将上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差进行比较，如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于0且小于2，则判断为异步电机转子无断条故障；如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于等于2，则判断为异步电机转子存在断条故障。
上述技术方案中，所述外部存储器4用于存储正常异步电机功率谱密度向量的方差和定点信号处理器3处理过程的所有数据。
上述技术方案中，它还包括显示与报警模块5，所述定点信号处理器3的故障诊断结果数据输出端连接显示与报警模块5的故障诊断结果数据输入端；
所述显示与报警模块5用于显示定点信号处理器3的异步电机转子断条故障最终判断结果，并当存在异步电机转子断条故障时进行报警。
上述技术方案中，所述显示与报警模块5包括可编程逻辑器件5.1(型号为EMP240T100C5)、显示器5.2和蜂鸣器5.3，所述定点信号处理器3的故障诊断结果数据输出端CLKOUT连接可编程逻辑器件5.1的故障诊断结果数据输入端CLKIN，可编程逻辑器件5.1的显示信号通信端连接显示器5.2的显示信号通信端，可编程逻辑器件5.1的报警信号输出端连接蜂鸣器5.3的信号输入端。
上述技术方案中，所述短时信号为离散信号，其点数为1500个点数到2000个点数。
上述技术方案中，它还包括电脑6，所述定点信号处理器3的异步串口通信输出接口连接电脑6的通信端(异步串口通信输出接口SCITXbA输出电流信号故障频率特征量，电脑6根据上述电流信号故障频率特征量判断电机是否存在其他故障，以及故障的程度)。
一种利用上述系统的异步电机转子断条故障诊断方法，它包括如下步骤：
步骤1：霍尔电流传感器1从异步电机处获取定子电流模拟信号，并将定子电流模拟信号发送给模数转换模块2：
步骤2：模数转换模块2将定子电流模拟信号转换为定子电流数字信号，并将定子电流数字信号发送给定点信号处理器3；
步骤3：所述定点信号处理器3将定子电流数字信号分成等长的短时信号，相邻短时信号之间有重叠，并对所述的短时信号进行加窗截短处理，得到加窗信号；
步骤4：定点信号处理器3利用序列的短时傅里叶变换计算所述加窗信号的频谱，得到功率谱密度矩阵，并将所述功率谱密度矩阵转换成功率谱密度列向量，根据向量方差计算公式利用上述功率谱密度列向量得到功率谱密度向量的方差；
步骤5：所述定点信号处理器3将上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差进行比较，如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于0且小于2，则判断为异步电机转子无断条故障；如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于等于2，则判断为异步电机转子存在断条故障。
步骤6：定点信号处理器3将异步电机转子断条故障最终判断结果传输给显示与报警模块5，显示与报警模块5显示定点信号处理器3的异步电机转子断条故障最终判断结果，并当存在电机转子断条故障时进行报警。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：它包括霍尔电流传感器(1)、模数转换模块(2)、定点信号处理器(3)和外部存储器(4)，其中，所述霍尔电流传感器(1)的信号输出端连接模数转换模块(2)的模拟信号输入端，模数转换模块(2)的数字信号输出端连接定点信号处理器(3)的信号输入端，定点信号处理器(3)的数据存储端连接外部存储器(4)的数据存储端；
所述霍尔电流传感器(1)用于获取异步电机的定子电流模拟信号；
所述模数转换模块(2)用于将定子电流模拟信号转换为定子电流数字信号；
所述定点信号处理器(3)用于将定子电流数字信号分成等长的短时信号，相邻短时信号之间有重叠，并对所述的短时信号进行加窗截短处理，得到加窗信号；
所述定点信号处理器(3)还用于利用序列的短时傅里叶变换计算所述加窗信号的频谱，得到功率谱密度矩阵，并将所述功率谱密度矩阵转换成功率谱密度列向量，根据向量方差计算公式利用上述功率谱密度列向量得到功率谱密度向量的方差；
所述定点信号处理器(3)还用于将上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差进行比较，如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于0且小于2，则判断为异步电机转子无断条故障；如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于等于2，则判断为异步电机转子存在断条故障。
2.根据权利要求1所述的异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：所述外部存储器(4)用于存储正常异步电机功率谱密度向量的方差和定点信号处理器(3)处理过程的所有数据。
3.根据权利要求1所述的异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：它还包括显示与报警模块(5)，所述定点信号处理器(3)的故障诊断结果数据输出端连接显示与报警模块(5)的故障诊断结果数据输入端；
所述显示与报警模块(5)用于显示定点信号处理器(3)的异步电机转子断条故障最终判断结果，并当存在异步电机转子断条故障时进行报警。
4.根据权利要求3所述的异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：所述显示与报警模块(5)包括可编程逻辑器件(5.1)、显示器(5.2)和蜂鸣器(5.3)，所述定点信号处理器(3)的故障诊断结果数据输出端连接可编程逻辑器件(5.1)的故障诊断结果数据输入端，可编程逻辑器件(5.1)的显示信号通信端连接显示器(5.2)的显示信号通信端，可编程逻辑器件(5.1)的报警信号输出端连接蜂鸣器(5.3)的信号输入端。
5.根据权利要求1所述的异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：所述短时信号为离散信号，其点数为1500个点数到2000个点数。
6.根据权利要求1所述的异步电机转子断条故障诊断系统，其特征在于：它还包括电脑(6)，所述定点信号处理器(3)的异步串口通信输出接口连接电脑(6)的通信端。
7.一种利用权利要求1所述系统的异步电机转子断条故障诊断方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：霍尔电流传感器(1)从异步电机处获取定子电流模拟信号，并将定子电流模拟信号发送给模数转换模块(2)：
步骤2：模数转换模块(2)将定子电流模拟信号转换为定子电流数字信号，并将定子电流数字信号发送给定点信号处理器(3)；
步骤3：所述定点信号处理器(3)将定子电流数字信号分成等长的短时信号，相邻短时信号之间有重叠，并对所述的短时信号进行加窗截短处理，得到加窗信号；
步骤4：定点信号处理器(3)利用序列的短时傅里叶变换计算所述加窗信号的频谱，得到功率谱密度矩阵，并将所述功率谱密度矩阵转换成功率谱密度列向量，根据向量方差计算公式利用上述功率谱密度列向量得到功率谱密度向量的方差；
步骤5：所述定点信号处理器(3)将上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差进行比较，如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于0且小于2，则判断为异步电机转子无断条故障；如果上述功率谱密度向量的方差与正常异步电机功率谱密度向量的方差之比的结果大于等于2，则判断为异步电机转子存在断条故障。
8.根据权利要求7所述的异步电机转子断条故障诊断方法，其特征在于：所述步骤5后还包括步骤6：定点信号处理器(3)将异步电机转子断条故障最终判断结果传输给显示与报警模块(5)，显示与报警模块(5)显示定点信号处理器(3)的异步电机转子断条故障最终判断结果，并当存在电机转子断条故障时进行报警。
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