CN107402350A - 一种三相异步电机偏心故障检测方法 - Google Patents
一种三相异步电机偏心故障检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种三相异步电机偏心故障检测方法，1、对三相电压UA、UB、UC，三相电流IA、IB、IC测量信号进行Park变换，得到两相静止坐标系下的定子电压、电流Usα、Usβ、Us0，Isα、Isβ、Is0；2、利用两相静止坐标系下的电压和电流生成载波信号；3、计算电机的定子零序反电动势作为调制信号；4、使用载波信号对调制信号进行调制，进行滤波后得到故障指示向量，再进行向量幅值计算，得到故障指示值；5、判断故障指示值和阈值之间的关系，确定电机的偏心类型以及偏心故障程度；6、通过静态偏心的故障指示向量判断静态偏心的方向；本发明基于三相异步电机的零序反电动势分析，在偏心故障初期进行报警，具有快速、算法简单、不受供电不平衡干扰的特点，适合电机运行状态下的在线实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及三相异步电机故障检测领域，特别涉及一种三相异步电机偏心故障检测方法。
背景技术
三相异步电机由于具有结构简单、结实耐用的特点，在国民经济中得到了广泛的使用。偏心是指三相异步电机定转子之间的气隙间距不均匀现象，是一种常见的故障，偏心严重时会产生扫膛现象，即电机定转子相互摩擦的现象。电机经过长时间运行后，在轴承磨损、不平衡磁拉力、重力等因素的影响下，偏心程度会逐渐增大，导致电机的性能逐渐下降，直至发生扫膛，导致定转子损坏，最终使电机停止运行，生产活动中断。因此在偏心故障初期对其进行检测具有十分重要的意义。
偏心故障分为静态偏心、动态偏心两种基本形式，现有的方法在很多文章中已有陈述，如定子电流检测、振动检测、气隙磁场检测等。但这些方法都存在着一定的不足：定子电流检测受到定子槽数和转子导条数配合的限制，且无法判断偏心的方向；振动检测易受外界干扰，准确性不高；气隙磁场检测是一种准确的检测方法，但需要预先在电机中埋设线圈，系统十分复杂。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种三相异步电机转子偏心故障检测方法，该方法检测快速、实时性强，且算法简单，无需使用过多的电机参数。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种三相异步电机转子偏心故障检测方法，利用三相异步电机运行状态下的电压、电流和转速测量值，进行零序反电动势分析，得到偏心指示信号；具体方法步骤如下：
步骤1：对三相异步电机的电压、电流进行坐标变换：
首先，对三相异步电机的定子相电压UsA、UsB、UsC进行等幅值Park变换，得到两相静止坐标系下的定子电压Usα、Usβ、Us0，计算公式如式(1)所示：
然后，对三相异步电机的定子相电流IsA、IsB、IsC进行等幅值Park变换，得到两相静止坐标系下定子的电流Isα、Isβ、Is0，计算公式如式(2)所示：
步骤2：利用定子电压和电流生成载波信号，并计算其幅值：
使用定子电压减去定子电阻压降再减去定子漏感压降后的数值作为检测静态偏心的载波Csα、Csβ，其计算公式如式(3)所示：
式中的Rs代表定子电阻，Lls代表定子漏感，p代表微分算子；
计算Csα、Csβ的幅值Csm，计算公式如式(4)所示：
对电机的转速ωr进行积分并乘以极对数Np，得到电机的当前电角度θ，用于后面的Clark变换，计算公式如式(5)所示：
θ＝Np*∫ωrdt (5)
对Csα、Csβ进行Clark变换并乘以电机转差率，得到用于检测动态偏心的载波信号Cdα、Cdβ，计算公式如式(6)所示：
式中的s代表电机转差率，定义如式(7)所式：
动态偏心载波信号的幅值Cdm使用式(8)进行计算：
步骤3：计算三相异步电机定子零序反电动势es0，作为调制信号：
计算电机定子零序反电动势es0，计算公式如式(9)所示：
es0＝Us0-RsIs0 (9)
步骤4：使用载波信号对调制信号进行调制，并除以载波信号幅值的平方，进行低通滤波后，分别得到静态偏心和动态偏心的指示向量，求取其幅值，得到静态偏心和动态偏心的故障指示值：
使用Csα、Csβ对es0进行调制，并除以调制信号幅值的平方，得到静态偏心故障信号Fsα、Fsβ，算法如式(10)所示：
对Fsα、Fsβ进行低通滤波，仅保留直流分量，得到静态偏心的指示向量Fasα、Fasβ，求取Fasα、Fasβ的幅值，得到静态偏心故障的指示值Fs，计算公式如式(11)所示：
使用Cdα、Cdβ对es0进行调制，并除以调制信号幅值的平方，得到动态偏心故障信号Fdα、Fdβ，算法如式(12)所示：
对Fdα、Fdβ进行低通滤波，仅保留直流分量，得到动态偏心的指示向量Fadα、Fadβ，求取Fadα、Fadβ的幅值，得到动态偏心故障的指示值Fd，计算公式如式(13)所示：
步骤5：比较故障信号与设定的阈值，判断是否发生故障以及故障的严重程度：
将Fs、Fd与设定的阈值进行比较，判断是否发生静态、动态偏心，针对不同的故障程度设定多个阈值进行比较，阈值的选取公式如式(14)所示：
式中的Np代表极对数，α代表偏心故障的程度；
步骤6：判断静态偏心的方向：
对Fasα与Fs的比值求反三角余弦，并除以极对数，得到偏心角度xe，xe的含义为静态偏心方向与A相的某极对中心线的夹角，以A、B、C相顺序所代表的方向为正方向，计算公式如式(15)所示：
xe＝arccos(Fasα/Fs)/Np (15)。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明与传统的基于磁通传感器的检测的方法相比，具有检测方便、实时性好、算法简单的优点。
2.该检测方法适用于在变频器中进行在线实时检测，仅使用电压、电流、转速信号，不需额外硬件设备，十分适合在变频器中进行嵌入式开发。
3.该检测方法的故障特征信号直接反应了电机的不平衡程度，不受电机供电不平衡的影响，不易产生误报。
4.该检测方法仅仅需要使用三相异步电机定子电阻和漏感两个电机自身的参数，受电机参数准确度影响较小。
附图说明
图1为三相异步电机偏心检测系统结构框图。
图2为载波生成模块原理框图。
图3为调制模块原理框图。
图4为三相异步电机电机偏心检测的Matlab/Simulink仿真模型。
图5为电机转速的变化曲线。
图6为静态偏心指示值的波形。
图7为动态偏心指示值的波形。
图8为静态偏心角度的波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
通过本发明的方法设计三相异步电机偏心故障检测系统，包括坐标变换模块、载波生成模块、调制模块、故障判断模块，其控制系统结构如图1所示。所述坐标变换模块使用Park变换对三相电压电流进行变换，将其转换到两相静止坐标系下；载波生成模块使用坐标变换的结果生成用于检测静态偏心和动态偏心的载波；调制模块使用载波对零序反电动势进行调制，生成故障特征信号；故障判断模块根据故障特征信号，判断电机是否发生故障以及故障程度，并判断静态偏心的方向。具体实施步骤如下所示：
步骤1：使用坐标变换模块对三相异步电机的电压、电流进行坐标变换：
首先，对三相异步电机的定子相电压UsA、UsB、UsC进行等幅值Park变换，得到两相静止坐标系下的定子电压Usα、Usβ、Us0，计算公式如式(1)所示：
然后，对三相异步电机的定子相电流IsA、IsB、IsC进行等幅值Park变换，得到两相静止坐标系下的定子电流Isα、Isβ、Is0，计算公式如式(2)所示：
步骤2：利用载波生成模块生成载波信号，并计算其幅值：
利用载波生成模块生成载波信号，载波生成模块的原理框图如图2所示，该模块使用定子电压减去定子电阻压降再减去定子漏感压降后的数值作为检测静态偏心的载波Csα、Csβ，其计算公式如式(3)所示：
式中的Rs代表定子电阻，Lls代表定子漏感，p代表微分算子。
计算Csα、Csβ的幅值Csm，计算公式如式(4)所示：
对电机的转速ωr进行积分并乘以极对数Np，得到电机的当前电角度θ，用于后面的Clark变换，计算公式如式(5)所示：
θ＝Np*∫ωrdt (5)
对Csα、Csβ进行Clark变换并乘以电机的转差率，得到用于检测动态偏心的载波信号Cdα、Cdβ，计算公式如式(6)所示：
式中的s代表电机转差率，定义如式(7)所示：
动态偏心载波信号的幅值Cdm使用式(8)进行计算：
步骤3：计算三相异步电机定子零序反电动势es0，作为调制信号：
计算电机定子零序反电动势es0，计算公式如式(9)所示：
es0＝Us0-RsIs0 (9)
步骤4：在调制模块中使用载波信号对调制信号进行调制，分别得到静态偏心和动态偏心的指示信号：
使用调制模块对定子零序感应电压进行调制，调制模块的结构如图3所示，使用Csα、Csβ对es0进行调制，并除以调制信号幅值的平方，得到静态偏心故障信号Fsα、Fsβ，算法如式(10)所示：
对Fsα、Fsβ进行低通滤波，只保留其中的直流分量，得到静态偏心故障的指示向量Fasα、Fasβ，求取Fasα、Fasβ的幅值，得到静态偏心故障的指示值Fs，计算公式如式(11)所示：
使用Cdα、Cdβ对es0进行调制，并除以调制信号幅值的平方，得到动态偏心故障信号Fdα、Fdβ，算法如式(12)所示：
对Fdα、Fdβ进行低通滤波后得到动态偏心故障指示向量Fadα、Fadβ，求取Fadα、Fadβ的幅值，得到动态偏心故障的指示值Fd，计算公式如式(13)所示：
步骤5：比较故障信号与设定的阈值，判断是否发生故障以及故障的严重程度：
将Fs、Fd与设定的阈值进行比较，判断是否发生静态、动态偏心，针对不同的故障程度可以设定多个阈值进行比较，阈值的选取公式如式(14)所示：
式中的Np代表极对数，α代表偏心故障的程度；
步骤6：判断静态偏心的方向：
对Fasc与Fs的比值求反三角余弦，并除以极对数，得到偏心角度xe，计算公式如式(15)所示，xe的含义为静态偏心方向与A相的某极对中心线的夹角，以A、B、C相顺序所代表的方向为正方向。
xe＝arccos(Fasα/Fs)/Np (15)
在Matlab/Simulink仿真软件上搭建的仿真模型如图4所示。对一20％静态偏心的电机进行检测，偏心方向的角度设置为π/2。三相异步电机的基本参数为：额定功率3kW，2极对，定子阻抗1.405Ω，转子阻抗1.395Ω，互感0.1722H，定子漏感0.005839H，转子漏感0.005839H。
电机的运行过程如下：0s‐1s电机恒压频比启动到额定转速，2s‐2.1s线性增加负载至额定负载，4s时电机开始调速，直到5s达到40％额定转速。
仿真结果如图5、图6、图7、图8所示。图5为电机的转速波形，可以看出0s‐1s为电机启动的过程，达到额定转速，2s处由于增加负载，电机的转速减慢，4s处电机开始调速，直到5s调速结束。
图6为静态偏心故障指示值随时间变化的波形，图7为动态偏心故障指示值随时间变化的波形。设定10％、20％、30％为轻度、中度、重度偏心的分界线，利用式(14)可以计算出轻度、中度、重度偏心的阈值分别为0.0107、0.0442、0.1048。从图6中可以看出稳态时静态偏心故障指示值为0.06左右，属于中度偏心范畴；从图7看出动态偏心故障指示值为0.005左右，属于无故障的范畴；从图8可以看出静态偏心的角度为1.57rad左右。因此根据图6、图7、图8可以得出结论，电机存在中度的静态偏心，偏心角度为1.57，与仿真对电机的设置相符，从而证明了本发明所提出方法的有效性。
Claims (1)
1.一种三相异步电机转子偏心故障检测方法，其特征在于：利用三相异步电机运行状态下的电压、电流和转速测量值，进行零序反电动势分析，得到偏心指示信号；具体方法步骤如下：
步骤1：对三相异步电机的电压、电流进行坐标变换：
首先，对三相异步电机的定子相电压UsA、UsB、UsC进行等幅值Park变换，得到两相静止坐标系下的定子电压Usα、Usβ、Us0，计算公式如式(1)所示：
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然后，对三相异步电机的定子相电流IsA、IsB、IsC进行等幅值Park变换，得到两相静止坐标系下的定子电流Isα、Isβ、Is0，计算公式如式(2)所示：
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使用定子电压减去定子电阻压降再减去定子漏感压降后的数值作为检测静态偏心的载波Csα、Csβ，其计算公式如式(3)所示：
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对Csβ、Csβ进行Clark变换并乘以电机转差率，得到用于检测动态偏心的载波信号Cdα、Cdβ，计算公式如式(6)所示：
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式中的s代表电机转差率，定义如式(7)所示：
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</mrow>
</mrow>
动态偏心载波信号的幅值Cdm使用式(8)进行计算：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
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<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
步骤3：计算三相异步电机定子零序反电动势es0，作为调制信号：
计算电机定子零序反电动势es0，计算公式如式(9)所示：
es0＝Us0-RsIs0 (9)
步骤4：使用载波信号对调制信号进行调制，并除以载波信号幅值的平方，进行低通滤波后，分别得到静态偏心和动态偏心的指示向量，求取其幅值，得到静态偏心和动态偏心的故障指示值：
使用Csα、Csβ对es0进行调制，并除以调制信号幅值的平方，得到静态偏心故障信号Fsα、Fsβ，算法如式(10)所示：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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<mtd>
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<mo>(</mo>
<mn>10</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
对Fsα、Fsβ进行低通滤波，仅保留直流分量，得到静态偏心的指示向量Fasα、Fasβ，求取Fasα、Fasβ的幅值，得到静态偏心故障的指示值Fs，计算公式如式(11)所示：
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
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</msub>
<mo>=</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>11</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
使用Cdα、Cdβ对es0进行调制，并除以调制信号幅值的平方，得到动态偏心故障信号Fdα、Fdβ，算法如式(12)所示：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>12</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
对Fdα、Fdβ进行低通滤波，仅保留直流分量，得到动态偏心的指示向量Fadα、Fadβ，求取Fadα、Fadβ的幅值，得到动态偏心故障的指示值Fd，计算公式如式(13)所示：
<mrow>
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<mi>F</mi>
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<mo>=</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>13</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
步骤5：比较故障信号与设定的阈值，判断是否发生故障以及故障的严重程度：
将Fs、Fd与设定的阈值进行比较，判断是否发生静态、动态偏心，针对不同的故障程度设定多个阈值进行比较，阈值的选取公式如式(14)所示：
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>h</mi>
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<mo>(</mo>
<mn>14</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中的Np代表极对数，α代表偏心故障的程度；
步骤6：判断静态偏心的方向：
对Fasα与Fs的比值求反三角余弦，并除以极对数，得到偏心角度xe，xe的含义为静态偏心方向与A相的某极对中心线的夹角，以A、B、C相顺序所代表的方向为正方向，计算公式如式(15)所示：
xe＝arccos(Fasα/Fs)/Np (15)。
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