CN108490350A - 一种大功率永磁电机故障诊断系统及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率永磁电机故障诊断系统及诊断方法，包括永磁电机、伺服控制器和工业控制计算机，永磁电机与伺服控制器相连，伺服控制器与工业控制计算机电连接，在永磁电机上设置有振动传感器和温度传感器，振动传感器和温度传感器均与工业控制计算机相连，永磁电机还通过测温光纤与工业控制计算机相连。本发明创新性地提出采用全光绕组温度检测、电机轴承振动检测、永磁电机电流分析三位一体的混合智能故障诊断方法，能够早期发现大型永磁电机的故障，减少维护量，提高了系统可靠性，实现了预知性维修，解决了大功率永磁电机不能进行提前、全面、有效故障诊断的难题。

Description

一种大功率永磁电机故障诊断系统及诊断方法

技术领域

本发明涉及大功率永磁电机故障诊断领域，具体涉及一种大功率永磁电机故障诊断系统及诊断方法。

背景技术

随着近年来稀土永磁材料性能的提高，大型永磁电机设计和驱动控制技术的不断发展，大功率变频调速型低速永磁电机以其高效节能、起动转矩大、可以无极调速等优势，在工业场合应用越来越广泛，正逐渐取代原来的异步电动机+减速器的传统驱动方式。由于大功率永磁电机(3000KW，90r/min)体积大(直径2m)、重量大(20t)、造价高，主要用于关键设备的驱动，一旦故障意外停机，对生产等影响重大。

而传统的电机故障诊断手段主要采用多点预埋热电阻测温方式进行电机超温故障检测，无法实现电机绕组温度的全覆盖检测；采用电流幅值比较判断过电流和短路故障，无法对电机失磁故障进行检测，而且单一的检测方式无法实现信息有效融合，导致故障无法诊断或者诊断不准确。

发明内容

本发明的第一目的是提供了一种大功率永磁电机故障诊断系统，能对大功率永磁电机故障进行全面、准确的诊断。

本发明采用以下的技术方案：

一种大功率永磁电机故障诊断系统，包括永磁电机、伺服控制器和工业控制计算机，永磁电机与伺服控制器相连，伺服控制器与工业控制计算机电连接，在永磁电机上设置有振动传感器和温度传感器，振动传感器和温度传感器均与工业控制计算机相连，永磁电机还通过测温光纤与工业控制计算机相连；

伺服控制器采集永磁电机的电流信号，并将电流信号上传至工业控制计算机，工业控制计算机通过伺服控制器控制永磁电机停机。

优选地，所述振动传感器包括第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器和第四振动传感器；

第一振动传感器安装在永磁电机前轴承端盖的侧面，用于测量永磁电机前轴承的轴向振动；

第二振动传感器安装在永磁电机前轴承端盖的上面，用于测量永磁电机前轴承的径向振动；

第三振动传感器安装在永磁电机后轴承端盖的侧面，用于测量永磁电机后轴承的轴向振动；

第四振动传感器安装在永磁电机后轴承端盖的上面，用于测量永磁电机后轴承的径向振动；

所述测温光纤缠绕在永磁电机定子绕组的线圈上，用于分布式测量定子绕组的温度；

所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一个温度传感器安装在永磁电机前轴承的外圈，用于测量永磁电机前轴承温度；第二个温度传感器安装在永磁电机后轴承的外圈，用于测量永磁电机后轴承温度。

本发明的第二目的是提供了以上所述的一种大功率永磁电机故障诊断系统的诊断方法。

一种大功率永磁电机故障诊断系统的诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：根据实际大功率永磁电机的状态与监测需求，针对电机超温故障建立电机温升模型，针对电机轴承故障和电机退磁故障，建立基于D-S理论的多源传感融合故障诊断模型；

电机温升模型：由于永磁电机定子绕组不同位置的温度不同，为实现分布式全面检测，以永磁电机轴的中心为原点，建立电机三维坐标系，通过网格划分，将电机定子绕组温度进行坐标化模拟计算输出，生成不同坐标下的T(i,j,k)；

由于电机轴承故障和退磁故障的故障征兆有相似之处，多源传感融合故障诊断模型的融合信度函数为：

不确定性函数为：

其中，α_j是传感器j最大相关系数；C_j(A_i)是传感器j对目标模式A_i的相关系数；N_c是目标模式数目；β_j是传感器j的相关分配值；W_j是传感器j的环境加权系数；R_j是传感器j的可靠性系数；N是传感器总数；

步骤2：在工业控制计算机上设定超温阈值T,信度函数阈值E(1)和E(2),证据不确定性阈值E(3)，根据工业控制计算机采集的传感器输入信息，分别提取特征向量；

步骤3：进行状态检测与故障诊断；

针对电机超温故障，根据光纤测温数据建立电机定子绕组三维坐标下的温度值T(x,y,z),与电机温升模型的参考温度值T(i,j,k)进行比较，当温度超过阈值T，说明出现超温故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理；

计算电机轴承温度、轴承振动和电机电流信号对各类故障的融合信度函数m(A₁),m(A₂),m(A₃)和结果不确定性信度函数m(θ)，设定信度函数阈值E(1),E(2),证据不确定性阈值E(3)；

针对电机轴承故障：计算W(1)＝m(A₁)-m(A₂),W(2)＝m(A₁)-m(A₃)，W(3)＝m(A₁)-m(θ),若m(A₁)＝Max[m(A₁),m(A₂),m(A₃)],且W(1)>E(1),W(2)>E(2),W(3)<E(3)，说明出现电机轴承故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理；

针对电机退磁故障：计算W(4)＝m(A₂)-m(A₁),W(5)＝m(A₂)-m(A₃)，W(6)＝m(A₂)-m(θ),若m(A₂)＝Max[m(A₁),m(A₂),m(A₃)],且W(4)>E(1),W(5)>E(2),W(6)<E(3)，说明出现电机退磁故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理。

本发明具有的有益效果是：

本发明提供的大功率永磁电机故障诊断系统及诊断方法，创新性地提出采用全光绕组温度检测、电机轴承振动检测、永磁电机电流分析三位一体的混合智能故障诊断方法。能够早期发现大型永磁电机的故障，减少维护量，提高了系统可靠性，实现了预知性维修，解决了大功率永磁电机不能进行提前、全面、有效故障诊断的难题。

附图说明

图1为大功率永磁电机故障诊断系统结构图。

图2为大功率永磁电机故障诊断系统的诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

实施例1

结合图1，一种大功率永磁电机故障诊断系统，包括永磁电机1、伺服控制器2和工业控制计算机3。

永磁电机1与伺服控制器2相连，伺服控制器2与工业控制计算机3电连接，在永磁电机1上设置有振动传感器和温度传感器，振动传感器和温度传感器均与工业控制计算机相连，永磁电机还通过测温光纤4与工业控制计算机3相连。

伺服控制器2采集永磁电机1的电流信号，并将电流信号上传至工业控制计算机，工业控制计算机3通过伺服控制器控制永磁电机1停机。

工业控制计算机采集永磁电机振动、温度等信息，进行实时处理从而实现永磁电机的状态监测及故障诊断，当工业控制计算机判断永磁电机出现故障时，向伺服控制器发出信号进行停机处理。

振动传感器包括第一振动传感器5、第二振动传感器6、第三振动传感器7和第四振动传感器8。

第一振动传感器安装在永磁电机前轴承端盖的侧面，用于测量永磁电机前轴承的轴向振动。

第二振动传感器安装在永磁电机前轴承端盖的上面，用于测量永磁电机前轴承的径向振动。

第三振动传感器安装在永磁电机后轴承端盖的侧面，用于测量永磁电机后轴承的轴向振动。

第四振动传感器安装在永磁电机后轴承端盖的上面，用于测量永磁电机后轴承的径向振动。

测温光纤4缠绕在永磁电机定子绕组的线圈上，用于分布式测量定子绕组的温度；

温度传感器包括第一温度传感器9和第二温度传感器10，第一个温度传感器安装在永磁电机前轴承的外圈，用于测量永磁电机前轴承温度。

第二个温度传感器安装在永磁电机后轴承的外圈，用于测量永磁电机后轴承温度。

实施例2

上述实施例所述的一种大功率永磁电机故障诊断系统的诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：根据实际大功率永磁电机的状态与监测需求，针对电机超温故障建立电机温升模型，针对电机轴承故障和电机退磁故障，建立基于D-S理论的多源传感融合故障诊断模型；

电机温升模型：由于永磁电机定子绕组不同位置的温度不同，为实现分布式全面检测，以永磁电机轴的中心为原点，建立电机三维坐标系，通过网格划分，将电机定子绕组温度进行坐标化模拟计算输出，生成不同坐标下的T(i,j,k)；

由于电机轴承故障和退磁故障的故障征兆有相似之处，多源传感融合故障诊断模型的融合信度函数为：

不确定性函数为：

其中，α_j是传感器j最大相关系数；C_j(A_i)是传感器j对目标模式A_i的相关系数；N_c是目标模式数目；β_j是传感器j的相关分配值；W_j是传感器j的环境加权系数；R_j是传感器j的可靠性系数；N是传感器总数；

步骤2：在工业控制计算机上设定超温阈值T,信度函数阈值E(1)和E(2),证据不确定性阈值E(3)，根据工业控制计算机采集的传感器输入信息，分别提取特征向量；

步骤3：进行状态检测与故障诊断；

针对电机超温故障，根据光纤测温数据建立电机定子绕组三维坐标下的温度值T(x,y,z),与电机温升模型的参考温度值T(i,j,k)进行比较，当温度超过阈值T，说明出现超温故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理；

计算电机轴承温度、轴承振动和电机电流信号对各类故障的融合信度函数m(A₁),m(A₂),m(A₃)和结果不确定性信度函数m(θ)，设定信度函数阈值E(1),E(2),证据不确定性阈值E(3)；

针对电机轴承故障：计算W(1)＝m(A₁)-m(A₂),W(2)＝m(A₁)-m(A₃)，W(3)＝m(A₁)-m(θ),若m(A₁)＝Max[m(A₁),m(A₂),m(A₃)],且W(1)>E(1),W(2)>E(2),W(3)<E(3)，说明出现电机轴承故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理；

针对电机退磁故障：计算W(4)＝m(A₂)-m(A₁),W(5)＝m(A₂)-m(A₃)，W(6)＝m(A₂)-m(θ),若m(A₂)＝Max[m(A₁),m(A₂),m(A₃)],且W(4)>E(1),W(5)>E(2),W(6)<E(3)，说明出现电机退磁故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大功率永磁电机故障诊断系统，其特征在于，包括永磁电机、伺服控制器和工业控制计算机，永磁电机与伺服控制器相连，伺服控制器与工业控制计算机电连接，在永磁电机上设置有振动传感器和温度传感器，振动传感器和温度传感器均与工业控制计算机相连，永磁电机还通过测温光纤与工业控制计算机相连；

伺服控制器采集永磁电机的电流信号，并将电流信号上传至工业控制计算机，工业控制计算机通过伺服控制器控制永磁电机停机。

2.根据权利要求1所述的一种大功率永磁电机的故障诊断系统，其特征在于，所述振动传感器包括第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器和第四振动传感器；

第一振动传感器安装在永磁电机前轴承端盖的侧面，用于测量永磁电机前轴承的轴向振动；

第二振动传感器安装在永磁电机前轴承端盖的上面，用于测量永磁电机前轴承的径向振动；

第三振动传感器安装在永磁电机后轴承端盖的侧面，用于测量永磁电机后轴承的轴向振动；

第四振动传感器安装在永磁电机后轴承端盖的上面，用于测量永磁电机后轴承的径向振动；

所述测温光纤缠绕在永磁电机定子绕组的线圈上，用于分布式测量定子绕组的温度；

所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一个温度传感器安装在永磁电机前轴承的外圈，用于测量永磁电机前轴承温度；第二个温度传感器安装在永磁电机后轴承的外圈，用于测量永磁电机后轴承温度。

3.根据权利要求2所述的一种大功率永磁电机故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据实际大功率永磁电机的状态与监测需求，针对电机超温故障建立电机温升模型，针对电机轴承故障和电机退磁故障，建立基于D-S理论的多源传感融合故障诊断模型；

电机温升模型：由于永磁电机定子绕组不同位置的温度不同，为实现分布式全面检测，以永磁电机轴的中心为原点，建立电机三维坐标系，通过网格划分，将电机定子绕组温度进行坐标化模拟计算输出，生成不同坐标下的T(i,j,k)；

由于电机轴承故障和退磁故障的故障征兆有相似之处，多源传感融合故障诊断模型的融合信度函数为：

不确定性函数为：

其中，α_j是传感器j最大相关系数；C_j(A_i)是传感器j对目标模式A_i的相关系数；N_c是目标模式数目；β_j是传感器j的相关分配值；W_j是传感器j的环境加权系数；R_j是传感器j的可靠性系数；N是传感器总数；

步骤2：在工业控制计算机上设定超温阈值T,信度函数阈值E(1)和E(2),证据不确定性阈值E(3)，根据工业控制计算机采集的传感器输入信息，分别提取特征向量；

步骤3：进行状态检测与故障诊断；

针对电机超温故障，根据光纤测温数据建立电机定子绕组三维坐标下的温度值T(x,y,z),与电机温升模型的参考温度值T(i,j,k)进行比较，当温度超过阈值T，说明出现超温故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理；

计算电机轴承温度、轴承振动和电机电流信号对各类故障的融合信度函数m(A₁),m(A₂),m(A₃)和结果不确定性信度函数m(θ)，设定信度函数阈值E(1),E(2),证据不确定性阈值E(3)；

针对电机轴承故障：计算W(1)＝m(A₁)-m(A₂),W(2)＝m(A₁)-m(A₃)，W(3)＝m(A₁)-m(θ),若m(A₁)＝Max[m(A₁),m(A₂),m(A₃)],且W(1)>E(1),W(2)>E(2),W(3)<E(3)，说明出现电机轴承故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理；

针对电机退磁故障：计算W(4)＝m(A₂)-m(A₁),W(5)＝m(A₂)-m(A₃)，W(6)＝m(A₂)-m(θ),若m(A₂)＝Max[m(A₁),m(A₂),m(A₃)],且W(4)>E(1),W(5)>E(2),W(6)<E(3)，说明出现电机退磁故障，则伺服控制器发出信号进行停机处理。