CN107202956A - 一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。首先对变频调速系统进行建模，模拟变频调速系统运行状态，当变频调速系统在不同工况下运行时，采集三相定子电流的数据，分别对采集到的三相定子电流进行经验模态分解和频谱分析，得到不同工况下的间谐波特征值。然后根据得到的间谐波特征值与判断基准进行对比，则可以诊断出变频调速系统存在的故障。本发明的故障诊断方法能够实现故障诊断的实时性，准确便捷的诊断出故障类型，从而能及时解决系统系统存在的隐患，从而提高系统系统的工作效率。

Description

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法

技术领域

本发明属于变频调速系统故障诊断方法。具体涉及一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。

背景技术

变频调速系统的主要设备是异步交流电机，所以对变频调速系统的故障诊断主要就是对异步交流电机的故障诊断。异步交流电机因为使用方便且易于维护而被广泛使用，但由于在运行中频繁启动、受力过大、温度过高或处于潮湿环境下等因素的影响，异步交流电机会渐渐衰弱，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因的数据，从中得到预示信息。通过分析预示信息，准确地判断出交流异步电机产生故障的原因，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地进行检修时，长时间运行设备，会导致生产线瘫痪，造成大量的损失。

现有的异步交流电机故障诊断技术主要有参数检测法、谐波检测法和小波分析检测。参数检测法可以准确地检测出电机产生了故障，但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，这样无法实时获得异步交流电机的工作状态；谐波检测法通过检测系统本身存在的谐波分量，根据谐波分量的变化，判断出系统的故障，这样虽然可以判断电机的故障，但当不同故障产生同一谐波分量变化时，无法准确的判断故障原因；小波分析检测时，需要事先对小波基和小波基的分层进行选择，不同的小波基对检测结果影响很大，这样会导致检测过程过于复杂。

以上变频调速系统的故障诊断方法主要存在以下三个的问题：

问题一：诊断故障的方法是间接的，实时性较差；

问题二：判断故障的依据过于复杂，不能较为准确地诊断出故障类型；

问题三：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。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种能实时诊断故障、准确便捷地诊断出故障类型的基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。以及时解决变频调速系统存在的隐患，从而提高变频调速系统的工作效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是的步骤是：

步骤1、对变频调速系统建模。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到n个本征模态函数，n为13～16的自然数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述n个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图。

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障：

在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。

如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

由于采用上述技术方案，本发明与现有的技术相比具有以下有益效果：

1、本发明是在变频调速系统运行时，实时地采集定子在不同工况时的电流数据，并对定子在不同工况时的电流数据进行处理，诊断出系统存在的故障，这样可以及时地解决变频调速系统存在的隐患，提高变频调速系统的工作效率。

2、本发明将间谐波引用到变频调速系统的故障诊断上，当变频调速系统异常工作时，根据产生的间谐波特征值与判断基准对比，可以定量地判断故障类型，提高了诊断的准确性。

3、本发明能模拟任意一种变频调速系统的故障情形，得到相对应的故障诊断基准，能有效地识别变频调速系统的任意一种故障，不存在找不到故障的情况。

因此，本发明能实时诊断故障，准确便捷地诊断出故障类型，能及时解决变频调速系统存在的隐患，从而提高变频调速系统的工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种故障诊断方法示意框图；

图2是变频调速系统的模型仿真图；

图3是异步电机机体接地对地短路故障时，检测到的16个本征模态函数中的一个本征模态函数；

图4是异步电机机体接地对地短路故障时，检测到图3所示的本征模态函数的频谱图；

图5为图4的局部放大图；

图6是异步电机转子断条故障时，检测到的14个本征模态函数中的一个本征模态函数；

图7是异步电机转子断条故障时，检测到的图6所示本征模态函数的频谱图；

图8为图7的局部放大图；

图9是异步电机过流故障时，检测到的13个本征模态函数中的一个本征模态函数；

图10是异步电机过流故障时，检测到图9所示的本征模态函数的频谱图；

图11为图10的局部放大图；

图12是异步电机过压故障时，检测到的本征模态函数7；

图13是异步电机过压故障时，检测到的本征模态函数5；

图14是异步电机过压故障时，检测到的本征模态函数4；

图15是异步电机过压故障时，检测到图12所示的本征模态函数7的频谱图；

图16为图15的局部放大图；

图17是异步电机过压故障时，检测到图13所示的本征模态函数5的频谱图；

图18为图17的局部放大图；

图19是异步电机过压故障时，检测到图14所示的本征模态函数4的频谱图；

图20为图19的局部放大图；

图21是电源缺相故障时，检测到的的13个本征模态函数中的一个本征模态函数；

图22是电源缺相故障时，检测到的本征模态函数的频谱图；

图23为图22的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。本实施例所述变频调速系统故障诊断方法的步骤如图1所示：

步骤1、对变频调速系统进行建模：如图2所示，变频调速系统结构从左往右依次为三相电源、整流电路、逆变电路、交流异步电机和采集定子电流数据的总线选择模块。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到16个本征模态函数；图3为16个本征模态函数中的一个本征模态函数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述16个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图。

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述变频调速系统的故障判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障。

本实施例的变频调速系统的故障判断基准是：在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

本实施例在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为30Hz，检测到一个如图4和图5所示频率为80Hz的间谐波，该间谐波的频率在之间，则故障为异步电机机体接地对地短路。

图4是异步电机机体接地对地短路故障时，检测到图3所示的本征模态函数的频谱图；图5为图4的局部放大图。

实施例2

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。本实施例所述变频调速系统故障诊断方法的步骤如图1所示：

步骤1、对变频调速系统进行建模，如图2所示，变频调速系统结构从左往右依次为三相电源，整流电路，逆变电路、交流异步电机和采集定子电流数据的总线选择模块。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到14个本征模态函数。图6为14个本征模态函数中的一个本征模态函数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述14个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图。

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述变频调速系统的故障判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障。

本实施例的变频调速系统的故障判断基准是：在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

本实施例在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为30Hz，检测到一个如图7和图8所示频率为1025Hz的间谐波，该间谐波的频率在之间，则故障为异步电机转子断条。

图7是异步电机转子断条故障时，检测到图6所示的本征模态函数的频谱图；图8为图7的局部放大图。

实施例3

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。本实施例所述变频调速系统故障诊断方法的步骤如图1所示：

步骤1、对变频调速系统进行建模：如图2所示，变频调速系统结构从左往右依次为三相电源、整流电路、逆变电路、交流异步电机和采集定子电流数据的总线选择模块。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到13个本征模态函数。图9为13个本征模态函数中的一个本征模态函数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述13个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图；

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述变频调速系统的故障判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障。

本实施例的变频调速系统的故障判断基准是：在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

本实施例在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为30Hz，检测到一个如图10和图11所示频率为176Hz的间谐波，该间谐波的频率在之间，则故障为异步电机过流。

图10是异步电机过流故障时，检测到图9所示的本征模态函数的频谱图；图11为图10的局部放大图。

实施例4

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。本实施例所述变频调速系统故障诊断方法的步骤如图1所示：

步骤1、对变频调速系统进行建模：如图2所示，变频调速系统结构从左往右依次为三相电源、整流电路、逆变电路、交流异步电机和采集定子电流数据的总线选择模块。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到15个本征模态函数。图12、13和14依次为15个本征模态函数中的第7个、第5个和第4个本征模态函数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述15个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图。

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述变频调速系统的故障判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障。

本实施例的变频调速系统的故障判断基准是：在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

本实施例在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为30Hz，分别检测到：一个如图15和图16所示频率为141Hz的间谐波，该间谐波的频率在之间；一个如图17和图18所示频率为700Hz的间谐波，该间谐波的频率在之间；一个如图19和图20所示频率为1166Hz的间谐波，该间谐波频率在之间。则故障为异步电机过压。

图15是异步电机过压故障时，检测到图12所示的本征模态函数7的频谱图，图16为图15的局部放大图；图17是异步电机过压故障时，检测到图13所示的本征模态函数5的频谱图，图18为图17的局部放大图；图19是异步电机过压故障时，检测到图14所示的本征模态函数4的频谱图，图20为图19的局部放大图。

实施例5

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。本实施例所述变频调速系统故障诊断方法的步骤如图1所示：

步骤1、对变频调速系统进行建模：如图2所示，变频调速系统结构从左往右依次为三相电源、整流电路、逆变电路、交流异步电机和采集定子电流数据的总线选择模块。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到14个本征模态函数。图21为14个本征模态函数中的一个本征模态函数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述14个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图。

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述变频调速系统的故障判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障。

本实施例的变频调速系统的故障判断基准是：在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

本实施例在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为30Hz，检测到一个如图22和图23所示频率为130的间谐波，该间谐波的频率在之间，则故障为电源缺相。

图22是电源缺相故障时，检测到的本征模态函数的频谱图；图23为图22的局部放大图。

实施例6

一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法。本实施例所述变频调速系统故障诊断方法的步骤如图1所示：

步骤1、对变频调速系统进行建模：如图2所示，变频调速系统结构从左往右依次为三相电源、整流电路、逆变电路、交流异步电机和采集定子电流数据的总线选择模块。

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据。

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到14个本征模态函数。

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述14个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图，图23为14个本征模态函数的频谱图中的一个本征模态函数的频谱图。

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述变频调速系统的故障判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障。

本实施例的变频调速系统的故障判断基准是：在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相。如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。

本实施例在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为30Hz，变频调速系统未产生间谐波，则变频调速系统视为无故障。

本具体实施方式与现有的技术相比具有以下有益效果：

1、本具体实施方式是在变频调速系统运行时，实时地采集定子在不同工况时的电流数据，并对定子在不同工况时的电流数据进行处理，诊断出系统存在的故障，这样可以及时地解决变频调速系统存在的隐患，提高变频调速系统的工作效率。

2、本具体实施方式将间谐波引用到变频调速系统的故障诊断上，当变频调速系统异常工作时，根据产生的间谐波特征值与判断基准对比，可以定量地判断故障类型，提高了诊断的准确性。

3、本具体实施方式能模拟任意一种变频调速系统的故障情形，得到相对应的故障诊断基准，能有效地识别变频调速系统的任意一种故障，不存在找不到故障的情况。

因此，本具体实施方式能实时诊断故障，准确便捷地诊断出故障类型，能及时解决变频调速系统存在的隐患，从而提高变频调速系统的工作效率。

Claims (1)

1.一种基于间谐波特征的变频调速系统故障诊断方法，其特征在于所述变频调速系统故障诊断方法的步骤是：

步骤1、对变频调速系统建模；

步骤2、模拟变频调速系统运行，当变频调速系统运行时，分别采集不同工况时三相定子电流的数据；

步骤3、调用经验模态分解函数，对采集的不同工况时三相定子电流的数据进行分析，得到n个本征模态函数，n为13～16的自然数；

步骤4、调用快速傅里叶变换函数，对所述n个本征模态函数逐一进行频谱分析，得到每个本征模态函数的频谱图；

步骤5、根据每个本征模态函数的频谱图，判断是否有间谐波产生，如果有间谐波产生，根据所产生的间谐波的特征值和下述判断基准，诊断出变频调速系统存在的故障：

在变频调速系统的异步电机运行时，输出基波频率为f^*；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机机体接地对地短路；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机转子断条；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是异步电机过流；当检测到三个频率依次在和之间的间谐波时，故障是异步电机过压；当检测到一个频率在之间的间谐波时，故障是电源缺相；

如果无间谐波产生或者产生的间谐波频率不在本步骤所述范围内，则变频调速系统视为无故障。