CN110082676B - 一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法及故障注入器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，公开了一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法及故障注入器，可提高转子导条故障注入的真实性和有效性；本发明的方法包括：将鼠笼式异步电机中故障转子的断裂导条视为开路，构建所述故障转子两端环间的电压方程数学表达式；将转子等效为静止的两相绕组，引入转子电压系数，根据所述故障转子两端环间电压方程的数学表达式分别建立电机转子在故障和正常时的转子电压方程；根据该转子电压方程设置故障注入参数进行故障注入。

Description

一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法及故障注入器

技术领域

本发明涉及电机故障注入技术领域，尤其涉及一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法及故障注入器。

背景技术

转子断条是鼠笼式异步电机常见故障之一，其异常工作会影响系统的稳定运行。导致转子断条故障的原因通常为电机在长期运行中，由于周期性间歇运行或频繁启动，造成转子上电磁应力急剧变化，加之自身设计不合理等缺陷，容易引起转子导条过热，振动加剧，从而导致转子导条断裂。当电机出现转子导条故障时，会造成电机的启动时间加长、定子电流增大、效率降低等现象，严重时甚至会导致事故的发生。因此，对于异步电机导条故障的研究已经成为热点。目前，在对鼠笼式异步电机转子断条故障模拟时，通常采用的方法是直接破坏电机转子导条或改变转子导条的电阻值，但直接破坏电机导条是一项破坏性不可逆试验，破坏性程度单一且存在很多不可控因素。通过改变转子某相的电阻值而模拟转子断条故障的方法虽然能很好的反映转子断条故障时的电流电压信号的特征特点，但由于没有考虑电抗的变化对电机电流电压的影响，具有一定的不准确性。

因此，现需提供一种异步电机转子断条故障建模方法及故障注入器，提高转子导条故障注入的真实性和有效性，为异步电机转子断条故障的检测与诊断等技术研究提供真实可靠的模拟环境。

发明内容

本发明目的在于公开一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法及故障注入器，以提高转子导条故障注入的真实性和有效性，为异步电机转子断条故障的检测与诊断等技术研究提供真实可靠的模拟环境。

为实现上述目的，本发明公开了一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，包括以下步骤：

S1：将鼠笼式异步电机中故障转子的断裂导条视为开路，构建所述故障转子两端环间电压方程的数学表达式；

S2：将转子等效为静止的两相绕组，引入转子电压系数，根据所述故障转子两端环间的电压方程的数学表达式分别建立电机转子在故障和正常时的转子电压方程；

S3：根据S2中的转子电压方程设置故障注入参数进行故障注入。

优选地，所述S1具体包括以下步骤：

S11：为异步电机的每根转子导条进行编号，计算异步电机单根转子导条两端的感应电势，计算公式为：

u_i＝|U|cos[γ(i-1)-(ω_s-ω_r)t]； (1)

式中，u_i为转子第i根导条的感应电势，i＝1,2,…,K，K为转子导条根数，U为感应电动势的最大值，γ为两根导条之间的圆心夹角，ω_s为定子磁链的转速，ω_r为转子的电角速度，t为电机转过的空间电角度所用的时间；

S12：将转子各导条产生的感应电动势叠加，计算转子两端环间电压方程的数学表达式，计算公式为：

式中，u_r为转子两端环间的电压；

S13：计算故障发生后故障转子两端环间电压方程的数学表达式，计算公式为：

式中，u_rf为故障后两端环间的电压，C＝{1,2,…,k}为异步电机中所有导条编号集合，

为异步电机中所有断裂导条编号的集合。

优选地，在导条完全断裂情况下，故障转子在相对定子静止坐标系αβ下的转子电压计算公式为：

式中，u_2sf为相对定子静止坐标系αβ下的转子端环电压的向量表示，u_2sf(1)为转子端环电压在α轴上的分量，u_2sf(2)为转子端环电压在β轴的分量。

优选地，所述S2中具体包括以下步骤：

S21：引入用于描述转子导条断裂严重程度的转子电压系数为：

式中，K_fi为编号为i的转子导条电压系数，且0≤K_fi≤1，K_fi＝0表示导条完全断裂，K_fi＝1表示导条完全正常，0＜K_fi＜1表示导条未完全断裂，U_ri为编号为i的未完全断裂导条两端的感应电动势最大值，且U_ri≤|U|；

S22：将转子端环电压从相对转子静止的坐标系dq变换到相对定子静止的坐标系αβ，综合考虑各根导条的断裂情况，计算导条未完全断裂情况下，所述故障转子在相对定子静止的坐标系αβ下的转子端环电压方程，计算公式为：

S23：建立正常运行情况下，异步电机转子在相对定子静止坐标系αβ下的电压方程为：

式中，u_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的电压，u_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系β轴的电压，且u_rα＝u_rα＝0，R_r为电机转子在相对定子静止坐标系下的相电阻，i_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的电流，i_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系β轴的电流，p为微分算子，ψ_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的磁链，ψ_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系下β轴的磁链；

S24：建立异步电机转子正常与故障时在相对定子静止坐标系下的转子电压方程，计算公式为：

当u_2sf(1)＝u_2sf(2)＝0时，公式(8)为电机正常运行状态；当u_2sf(1)≠0、u_2sf(2)≠0时，公式(8)为电机转子断条故障运行状态。

优选地，所述方法还包括步骤：构建转子断条故障注入器，设置故障注入参数，将所述故障注入参数输入所述故障注入器，由所述故障注入器实现故障注入。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种鼠笼式异步电机转子断条故障注入器，包括：

用户接口，用于接收用户设定的故障注入信息，所述故障注入信息包括故障注入时间和故障参数，并将所述故障注入信息传递给控制单元；

控制单元，用于将用户接口传来的故障注入信息传递给各子结构，所述子结构包括故障注入逻辑控制器、电压信号生成模块、以及模型切换模块；其中，所述故障注入逻辑控制器根据所述故障注入时间向模型切换模块发出模型切换指令；所述电压信号生成模块根据所述故障参数实时生成转子电压信号；所述模型切换模块根据模型切换指令选择模型库中的模型，模型库中包含鼠笼式异步电机的正常模型和故障模型；

模型库，包含鼠笼式异步电机的正常模型和故障模型以用于模型切换并实现故障注入。

综上，本发明具有以下有益效果：

本发明的鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，引入了用于描述转子导条断裂严重程度的转子电压系数的概念，将断裂导条视为开路，通过建立端环电压方程来对电机转子断条故障进行模拟，可完成对鼠笼式异步电机转子断条的建模以及故障注入，打破常规的电机转子断条故障模拟方法，提高转子导条故障注入的真实性和有效性，为异步为电机转子断条故障的检测与诊断等技术研究提供真实可靠的模拟环境。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法流程图；

图2是本发明实施例的实验仿真平台部分器件框架图；

图3是本发明实施例的异步电机转子鼠笼结构示意图；

图4是本发明实施例的异步电机转子断条故障时定子侧电流图；

图5是本发明实施例的异步电机转子断条故障时定子侧部分放大电流图；

图6是本发明实施例的异步电机转子断条故障时定子侧电流频谱图；

图7是本发明实施例的故障注入器结构图；

图8是本发明实施例的故障注入参数设置界面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，包括以下步骤：

S1：将鼠笼式异步电机中故障转子的断裂导条视为开路，构建故障转子两端环间的电压方程的数学表达式；

S2：将转子等效为静止的两相绕组，引入转子电压系数，根据故障转子两端环间的电压方程的数学表达式分别建立电机转子在故障和正常时的转子电压方程；

S3：根据S2中的转子电压方程设置故障注入参数进行故障注入。

上述的鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，引入了用于描述转子导条断裂严重程度的转子电压系数的概念，将断裂导条视为开路，通过建立端环电压方程来对电机转子断条故障进行模拟(无论电阻还是电抗的变化都会反映到端环电压的变化上来)，可完成对鼠笼式异步电机转子断条的建模以及故障注入，打破常规的电机转子断条故障模拟方法，提高转子导条故障注入的真实性和有效性，为异步电机转子断条故障的检测与诊断等技术研究提供真实可靠的模拟环境。

本实施例是在虚拟仿真平台Simulink软件环境下进行，如图2所示，仿真平台包括供电电源(Grid)、整流器(Rectifier)、逆变器(Inverter)、感应异步电机(InductionMotor)、故障注入单元(Fault Injection Unit)及控制电路等部分构成。整流器采用SPWM调制，逆变器采用电压空间矢量调制(SVPWM)策略进行控制。三电平逆变器左侧为两个支撑电容提供稳定的直流电压，经三电平逆变器输出频率可调的三相交流电给异步电机。异步电机部分参数如表1所示。

表1异步电机部分实验参数

需要说明的是，笼型异步电机的转子绕组部分形似鼠笼，其结构由导条和两侧的端环构成，其外观如图3所示。本实施例中，当鼠笼式异步电机发生转子断条故障时，将断裂导条视为开路，构建转子两端环间电压方程的数学表达式。正常情况下，电机数学模型中的转子电压方程中为u_rα＝u_rβ＝0；在发生转子断条故障时，三相电路的不平衡性导致转子端环出现电压，使得u_rα≠0，u_rβ≠0。

在实际应用时，上述的步骤还可以通过以下步骤进行优化：

首先，为异步电机的每根转子导条进行编号，根据电磁感应定律，计算异步电机单根转子导条两端的感应电势，计算公式为：

u_i＝|U|cos[γ(i-1)-(ω_s-ω_r)t]； (1)

式中，u_i为转子第i根导条的感应电势，i＝1,2,…,K，K为转子导条根数，U为感应电动势的最大值，γ为两根导条之间的圆心夹角，ω_s为定子磁链的转速，ω_r为转子的电角速度，t为电机转过的空间电角度所用的时间；

将转子各导条产生的感应电动势叠加，计算转子两端环间的电压方程的数学表达式，计算公式为：

式中，u_r为两端环间的电压。

本实施例中，发生转子断条故障时，将断裂导条视为开路，不产生感应电动势。因此，计算故障发生后转子两端环间的电压方程的数学表达式的计算公式为：

式中，u_rf为故障后两端环间的电压，C＝{1,2,…,k}为异步电机中所有导条编号集合，

为异步电机中所有断裂导条编号的集合。

进一步地，将转子等效为静止的两相绕组，计算考虑导条完全断裂时，转子在相应坐标系下的转子端环电压表达式，其步骤具体包括：

当某根导条完全断裂时，使用其余各正常导条端电压空间矢量，计算转子等效为两相绕组时，转子在相对转子静止坐标系dq的端环电压数学为：

式中，u_2rf为考虑导条完全断裂时转子端环电压的向量，u_2rf(1)为导条完全断裂时转子端环电压在d轴的分量，u_2rf(2)为导条完全断裂时转子端环电压在q轴的分量，

为转子第i根导条的位置角。

本实施例中，将转子等效为静止的两相绕组时，计算得到的两相静止坐标系(本实施例中为相对转子静止坐标系，即dq坐标系)，在dq坐标系下可直接计算得到dq轴的分量分别是多少。但在实际情况中无法直接得出相对定子静止的坐标系(αβ坐标系)，本实施例中先计算出dq坐标系下的电压方程，通过变换再得到αβ坐标系下电压方程。需要说明的是，对三相异步电机进行分析时，将三相异步电机经过坐标变换成两相旋转坐标可以便于控制，本实施例中的电机建模采用的数学模型有在αβ坐标系和dq坐标系下的数学模型两种，由于定子三相输入电压的频率估计困难，电机采用αβ坐标系下的数学模型，可以使建模更为方便。

进一步地，将转子端环电压从相对转子静止的dq坐标系变换到相对定子静止的αβ坐标系下，得到考虑导条完全断裂时转子在相对定子静止坐标系αβ下的转子端环电压数学计算公式为：

式中，u_2sf为导条完全断裂时转子在相对定子静止坐标系αβ下的转子端环电压的向量，u_2sf(1)为转子端环电压在α轴上的分量，u_2sf(2)为转子端环电压在β轴的分量。

将公式(3)和公式(1)带入公式(4)，综合考虑各根导条的断裂情况，得到考虑导条完全断裂时u_2rf的向量计算公式为：

将公式(6)带入公式(5)，综合考虑各根导条的断裂情况，得到考虑导条完全断裂时u_2sf的向量计算公式为：

引入转子电压系数，得到考虑导条未完全断裂情况的转子端环电压表达式，其具体步骤为：

首先，考虑导条未完全断裂情况，引入用于描述转子导条断裂严重程度的转子电压系数为：

式中，K_fi为编号为i的转子导条电压系数，且0≤K_fi≤1，K_fi＝0表示导条完全断裂，K_fi＝1表示导条完全正常，0＜K_fi＜1表示导条未完全断裂，U_ri为编号为i的未完全断裂导条两端的感应电动势最大值，且U_ri≤|U|。

综合考虑各根导条的断裂情况，得到考虑导条未完全断裂情况时，转子在相对定子静止坐标系αβ下的转子端环电压方程的计算公式为：

应当说明的是，当K_fi＝0，即第i根导条完全断裂时，公式(9)等同于公式(7)；当k_f1＝k_f2＝…k_fi＝…＝k_fK＝1，即所有导条都正常时，u_2sf(1)＝u_2sf(2)＝0。

将正常运行下鼠笼式异步电机转子电压方程中的转子电压替换为转子端环电压(即，用包含转子电压系数的转子端环电压替换转子电压)，得到异步电机正常与转子断条故障下的转子电压方程。其具体步骤为：

首先，建立正常运行情况下，异步电机转子在相对定子静止坐标系αβ下的电压方程为：

式中，u_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的电压，u_rβ为电机转子在相对定静止坐标系β轴的电压，且u_rα＝u_rα＝0，R_r为电机转子在相对定子静止坐标系下的相电阻，i_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的电流，i_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系β轴的电流，p为微分算子，ψ_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的磁链，ψ_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系下β轴的磁链。

将公式(10)中的转子电压u_rα、u_rβ分别用公式(9)中转子端环电压u_2sf(1)、u_2sf(2)替代，得到异步电机正常与故障时在相对定子静止坐标系下的转子电压方程，计算公式为：

当u_2sf(1)＝u_2sf(2)＝0时，公式(11)为电机正常运行状态；当u_2sf(1)≠0、u_2sf(2)≠0时，公式(11)为电机转子断条故障运行状态。

本实施例中，对2号导条注入导条故障，根据故障注入时间的一般取值规律，设定导条断裂时间t_f＝2s；优选地，将0-1s过程视为启动阶段，1-2s视为正常状况下稳定阶段，2s之后的为导条在某一断裂程度下的阶段。且本实施例中鼠笼式异步电机转子断条故障时定子侧三相电流图如下图4所示。本实施例中，异步电机转子断条故障时定子侧部分放大电流图如图5所示，由图5可知，未注入导条故障之前，定子侧三相电流稳定，注入导条故障后，定子侧三相电流明显不稳。图6为本实施例中2号导条断裂时定子侧a相电流频谱图，由图6可看出2号导条定子侧a相电流频谱图中在(1±2s)f处出现一定的谐波成分。

综上，本发明可完成对鼠笼式异步电机转子断条的建模，打破常规的电机转子断条故障模拟方法，提高转子导条故障注入的真实性和有效性，为异步电机转子断条故障的检测与诊断等技术研究提供真实可靠的模拟环境。

实施例2

与上述方法实施例相对应的，本实施例提供一种故障注入器，如图7所示，该故障注入器包括：

用户接口，用于接收用户设定的故障注入信息，故障注入信息包括故障注入时间和故障参数，并将故障注入信息传递给控制单元；

控制单元，用于将用户接口传来的故障注入信息传递给各子结构，子结构包括故障注入逻辑控制器、电压信号生成模块、以及模型切换模块；其中，故障注入逻辑控制器根据故障注入时间向模型切换模块发出模型切换指令；电压信号生成模块根据故障参数实时生成转子电压信号；模型切换模块根据模型切换指令选择模型库中的模型，模型库中包含鼠笼式异步电机的正常模型和故障模型；其故障注入参数设置界面图如下图8所示。

模型库，包含鼠笼式异步电机的正常模型和故障模型以用于模型切换并实现故障注入。

本实施例中，故障注入参数还包括电机转子导条编号i、故障注入时间t_f和转子电压系数K_fi，优选地，设定故障注入参数后，控制单元将故障注入参数传入模型库和故障逻辑控制器，模型库根据故障参数完成故障模型的初始化；故障逻辑控制器计时达到故障注入时刻，发出模型切换指令；模型切换模块从模型库中取出故障模型，实现故障注入。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将鼠笼式异步电机中故障转子的断裂导条视为开路，构建所述故障转子两端环间电压方程的数学表达式；

S2：将转子等效为静止的两相绕组，引入转子电压系数，根据所述故障转子两端环间的电压方程的数学表达式分别建立电机转子在故障和正常时的转子电压方程；

S3：根据S2中的转子电压方程设置故障注入参数进行故障注入；

所述S2具体包括以下步骤：

S21：引入用于描述转子导条断裂严重程度的转子电压系数为：

式中，K_fi为编号为i的转子导条电压系数，i＝1,2,…,K，K为转子导条根数，且0≤K_fi≤1，K_fi＝0表示导条完全断裂，K_fi＝1表示导条完全正常，0＜K_fi＜1表示导条未完全断裂，U_ri为编号为i的未完全断裂导条两端的感应电动势最大值，且U_ri≤|U|，U为感应电动势的最大值；

S22：将转子端环电压从相对转子静止的坐标系dq变换到相对定子静止的坐标系αβ，综合考虑各根导条的断裂情况，计算导条未完全断裂情况下，所述故障转子在相对定子静止的坐标系αβ下的转子端环电压方程，计算公式为：

式中，ω_s为定子磁链的转速，ω_r为转子的电角速度，t为电机转过的空间电角度所用的时间，u_2sf(1)为转子端环电压在α轴上的分量，u_2sf(2)为转子端环电压在β轴的分量，

为转子第i根导条的位置角；

S23：建立正常运行情况下，异步电机转子在相对定子静止坐标系αβ下的电压方程为：

式中，u_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的电压，u_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系β轴的电压，且u_rα＝u_rβ＝0，R_r为电机转子在相对定子静止坐标系下的相电阻，i_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的电流，i_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系β轴的电流，p为微分算子，ψ_rα为电机转子在相对定子静止坐标系下α轴的磁链，ψ_rβ为电机转子在相对定子静止坐标系下β轴的磁链；

S24：建立异步电机转子正常与故障时在相对定子静止坐标系下的转子电压方程，计算公式为：

当u_2sf(1)＝u_2sf(2)＝0时，该公式为电机正常运行状态；当u_2sf(1)≠0、u_2sf(2)≠0时，该公式为电机转子断条故障运行状态。

2.根据权利要求1所述的鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，其特征在于，所述S1具体包括以下步骤：

S11：为异步电机的每根转子导条进行编号，计算异步电机单根转子导条两端的感应电势，计算公式为：

u_i＝|U|cos[γ(i-1)-(ω_s-ω_r)t]；

式中，u_i为转子第i根导条的感应电势，i＝1,2,…,K，K为转子导条根数，U为感应电动势的最大值，γ为两根导条之间的圆心夹角，ω_s为定子磁链的转速，ω_r为转子的电角速度，t为电机转过的空间电角度所用的时间；

S12：将转子各导条产生的感应电动势叠加，计算转子两端环间电压方程的数学表达式，计算公式为：

式中，u_r为转子两端环间的电压；

S13：计算故障发生后故障转子两端环间电压方程的数学表达式，计算公式为：

式中，u_rf为故障后两端环间的电压，C＝{1,2,…,k}为异步电机中所有导条编号集合，

为异步电机中所有断裂导条编号的集合。

3.根据权利要求2所述的鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，其特征在于，在导条完全断裂情况下，故障转子在相对定子静止坐标系αβ下的转子电压计算公式为：

式中，u_2sf为相对定子静止坐标系αβ下的转子端环电压的向量表示，u_2sf(1)为转子端环电压在α轴上的分量，u_2sf(2)为转子端环电压在β轴的分量，

为转子第i根导条的位置角。

4.根据权利要求1-3任一所述的鼠笼式异步电机转子断条故障建模方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：构建转子断条故障注入器，设置故障注入参数，将所述故障注入参数输入所述故障注入器，由所述故障注入器实现故障注入。

5.一种采用上述权利要求1-4任一所述的故障建模方法进行故障注入的鼠笼式异步电机转子断条故障注入器，其特征在于，包括：

用户接口，用于接收用户设定的故障注入信息，所述故障注入信息包括故障注入时间和故障参数，并将所述故障注入信息传递给控制单元；

控制单元，用于将用户接口传来的故障注入信息传递给各子结构，所述子结构包括故障注入逻辑控制器、电压信号生成模块、以及模型切换模块；其中，所述故障注入逻辑控制器根据所述故障注入时间向模型切换模块发出模型切换指令；所述电压信号生成模块根据所述故障参数实时生成转子电压信号；所述模型切换模块根据模型切换指令选择模型库中的模型，模型库中包含鼠笼式异步电机的正常模型和故障模型；

模型库，包含鼠笼式异步电机的正常模型和故障模型以用于模型切换并实现故障注入。

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