CN114675183A

CN114675183A - 一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统

Info

Publication number: CN114675183A
Application number: CN202210597343.5A
Authority: CN
Inventors: 杨凯; 张雅晖; 李天乐; 杨帆; 罗成; 李黎
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2022-06-28

Abstract

本发明公开了一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统，其通过实时采集待检测的变频电机的电网侧交流电流和整流器直流侧电流，对不同的电流信号进行相关分析，获得对应的融合相关谱图，并利用得到的融合相关谱图判断变频电机是否发生转子断条故障。由于变频器前置二极管整流电路和大滤波电容的作用，使得电网侧交流电流和整流器直流侧电流受噪声干扰影响较小，在工业现场容易通过电流互感器测取，针对变频电机调速系统，通过利用容易测取且噪声干扰较小的电流信号建立转子断条故障的检测识别依据，具有重要的实际应用价值，且该方法能有效提取变频电机转子断条故障时的特征信息，从而提高了电机故障检测识别的精度及可靠性。

Description

一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电机故障检测技术领域，更具体的，涉及一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统。

背景技术

异步电机是一种交流电机，也称感应电机，主要作电动机使用。当异步电机定子绕组通入三相对称交流电源后，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场。转子绕组导体切割旋转磁场产生感应电势，并在转子绕组中产生相应的电流。转子电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而驱动转子旋转。由电磁转矩产生原理可知，当异步电机作电动运行时，其转速一定低于磁场的同步转速。

异步电机具有结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用、较高工作效率和较好工作特性等显著优点，被广泛应用于冶金、煤炭、矿山、机械和油田等各个工业生产领域。研究表明，转子断条故障是鼠笼式异步电机的常见故障之一，约占电机故障的10％。转子断条故障轻则使气隙磁场产生畸变，恶化电机的各项性能指标；重则导致电机温升严重、电机烧毁。因此，对电机断条故障的检测识别研究具有重要的应用价值，能及时依据故障频谱信息采取针对性的电机运维措施。

非侵入式的电机电流信号分析方法是目前使用最多的故障检测识别方法，当电机出现转子断条故障后，定子电流中将产生频率为（1±2s）f ₀的故障特征成分，通过对定子电流进行频谱分析可确定转子断条的故障状态。但是，当异步电机正常运行时，转差率s的数值很小，故障特征成分容易被基频频率淹没而难以识别，给故障检测识别带来了困难。且由于电机变频器中电力电子开关频繁关断作用以及变频装置中电磁干扰的影响，使得定子电流易受到严重的噪声干扰。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统，用以解决如何克服故障识别信号单一且定子电流频谱分析受基频分量干扰导致故障特征频率分量难以被识别检测的情形从而能够在电机变频供电时依据电网侧交流电流与整流器直流侧电流的信号综合检测识别转子断条故障的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法，包括步骤：

实时采集待检测的变频电机在预设时间间隔内的电网侧交流电流和整流器直流侧电流，分别对其进行包括希尔伯特变换和高频滤波的处理以得到在所述变频电机发生转子断条故障时的电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号；

对所述电网侧交流电流模量信号和所述整流器直流侧电流信号进行相关分析，获取对应的融合相关谱图；

判断所述融合相关谱图中存在预设故障频率分量，则确认所述变频电机发生转子断条故障。

进一步地，在所述变频电机发生转子断条故障时的所述电网侧交流电流模量信号的获取方式具体包括：

若所述变频电机发生转子断条故障，所述电网侧交流电流经希尔伯特变换后为：

此时，所述电网侧交流电流模量信号的表达式为：

其中， j为虚数单位，I _m为变频电机A相电流基波分量的幅值，I _bl、φ _bl分别为（1－2s）f ₀故障频率分量的幅值和相位，I _br、φ _br分别为（1＋2s）f ₀故障频率分量的幅值和相位，ω ₀为变频电机同步旋转角速度，s为变频电机转差率，t为时间，ω ₁为电网工频对应的角频率，θ ₁为电网工频分量的相位，M为调制系数，i _a为所述电网侧交流电流，

为所述电网侧交流电流的希尔伯特变换信号。

进一步地，在所述变频电机发生转子断条故障时的所述整流器直流侧电流信号的获取方式具体包括：

若所述变频电机发生转子断条故障，则所述整流器直流侧电流信号的表达式为：

其中，φ为变频电机A相电流基波分量的相位，i _d为所述整流器直流侧电流。

进一步地，对所述电网侧交流电流模量信号和所述整流器直流侧电流信号进行相关分析的具体方法为：

所述变频电机发生转子断条故障时，所述电网侧交流电流模量信号的表达式和所述整流器直流侧电流信号的表达式中均包括相同的值为2sf ₀的所述预设故障频率分量，采用所述相关分析的方法使所述融合相关谱图中的所述预设故障频率分量凸显；在值为2sf ₀的所述预设故障频率分量中，f ₀为基波频率，其对应所述变频电机的同步旋转角速度ω ₀。

进一步地，所述相关分析的具体公式为：

其中，

为电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的融合相关谱，其幅值大小用于表示电网侧交流电流模量信号频谱和整流器直流侧电流信号频谱在某处频率下的相关程度；

为电网侧交流电流模量信号的自功率谱密度估计；

为整流器直流侧电流信号的自功率谱密度估计；

为电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的互功率谱密度估计，

，E[.]为期望算子，T为信号的周期。

进一步地，使用电流互感器实时采集待检测的变频电机在预设时间间隔内的电网侧交流电流和整流器直流侧电流。

进一步地，所述整流器的整流电路采用三相不控整流电路。

按照本发明的第二个方面，提供了一种基于相关分析的变频电机断条故障检测系统，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述方法的步骤。

按照本发明的第三个方面，提供了一种存储介质，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行上述任一项所述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）本发明提供的一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统，其通过实时采集待检测的变频电机的电网侧交流电流和整流器直流侧电流，对不同的电流信号进行相关分析，获得对应的融合相关谱图，并利用得到的融合相关谱图判断变频电机是否发生转子断条故障。由于变频器前置二极管整流电路和大滤波电容的作用，使得电网侧交流电流和整流器直流侧电流受噪声干扰影响较小，在工业现场容易通过电流互感器测取，针对变频电机调速系统，通过利用容易测取且噪声干扰较小的电流信号建立转子断条故障的检测识别依据，具有重要的实际应用价值，且该方法能有效提取变频电机转子断条故障时的特征信息，从而提高了电机故障检测识别的精度及可靠性。

（2）本发明提供的一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法及系统，通过相关分析的方法简化了变频电机转子断条故障的检测识别难度。融合相关谱函数本质上表达了两种信号的相似性，同时也是两种信号线性相关的一种度量。这使得电网侧交流电流信号自功率谱和整流器直流侧电流信号自功率谱在相同频率处的幅值被增强，反之减弱。利用这一特征，在变频电机发生转子断条故障后，可在融合相关谱中准确提取表征转子断条故障的特征频谱分量，从而克服了单纯利用定子电流频谱分析的不足，同时也为电机故障检测识别中利用多元信息融合的思想提供了新的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法的流程示意图；

图2和图3为本发明实施例提供的正常电机与断条故障电机的电网侧交流电流信号傅里叶变换频谱的对比示意组图；

图4和图5为本发明实施例提供的正常电机与断条故障电机的整流器直流侧电流信号傅里叶变换频谱的对比示意组图；

图6和图7为本发明实施例提供的正常电机与断条故障电机的电网侧交流电流信号和整流器直流侧电流信号的融合相关谱对比示意组图；

图8为本发明实施例提供的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请中的术语“包括”或“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备却并没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

如图1所示，在一个实施例中，一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法主要包括步骤S1-S3：

S1、实时采集待检测的变频电机在预设时间间隔内的电网侧交流电流和整流器直流侧电流，分别对其进行包括希尔伯特变换和高频滤波的处理以得到电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号。

由于电机变频器中电力电子开关的频繁关断作用以及变频装置中电磁干扰的影响，使得电机定子电流易受到严重的噪声干扰。相比之下，由于电机变频器前置二极管整流电路和大滤波电容的作用，使得电网侧交流电流和整流器直流侧电流受噪声干扰影响较小，在工业现场容易通过电流互感器测取，针对变频电机调速系统，通过利用容易测取且噪声干扰较小的电流信号建立转子断条故障的检测识别依据，具有重要的实际应用价值。

实时获取待检测识别的变频电机的电网侧交流电流和整流器直流侧电流，分别对其进行傅里叶变换以得到电网侧交流电流频谱和整流器直流侧电流频谱，进一步获取电流信号故障特征频率分量的表征规律。

具体地，若当前所述的变频电机存在转子断条故障，定子电流频谱中将含有（1±2s）f ₀的故障频率分量，A相电流可表达为：

其中，I _m、φ分别为变频电机A相电流基波分量的幅值和相位，I _bl、φ _bl分别为（1－2s）f ₀故障频率分量的幅值和相位，I _br、φ _br分别为（1＋2s）f ₀故障频率分量的幅值和相位，ω ₀为变频电机同步旋转角速度，s为变频电机转差率，t为时间。

逆变电路采用三相正弦脉宽调制（SPWM）的控制方式，通过低频正弦信号和高频载波信号进行调制得到开关函数，逆变电路的A相开关函数的表达式为：

其中，M为调制系数，m、n为谐波系数，J _n为n阶Bessel函数，ω ₀为变频电机同步旋转角速度，其与低频正弦调制信号角频率（对应基波频率f ₀）一致，ω _c为高频三角载波信号角频率，t为时间。

则整流器直流侧的电流可表达为：

其中，S _A、S _B、S _C分别为逆变电路的A相、B相、C相的开关函数，其表达式的相位依次相差120度，i _A、i _B、i _C分别为电机的A相、B相、C相的定子电流，其表达式的相位依次相差120度。

由于连接整流电路和逆变电路的电容器起到了低通滤波器的作用，因此，可忽略整流器直流侧电流中的高频分量，整流器直流侧的电流可进一步表达为：

可知当变频电机发生转子断条故障后，整流器直流侧电流中含有2sf ₀的故障频率分量，可作为转子断条故障的检测识别依据。

整流器的整流电路采用三相不控整流电路，对其开关函数进行傅里叶分析可得：

其中，ω ₁为电网工频对应的角频率，θ ₁为电网工频分量的相位，n=1、2、3…，θ _6n±1为三相不控整流电路的谐波分量的相位。

则电网侧的交流电流可表达为：

忽略其中的高频谐波成分，进一步可表达为：

可知当变频电机发生转子断条故障后，电网侧交流电流中含有f ₁±2sf ₀的故障频率分量，可作为转子断条故障的检测识别依据。

进一步地，电网侧交流电流经Hilbert（希尔伯特）变换后为：

此时，电网侧交流电流模量信号可表达为：

其中，t为时间，j为虚数单位。

可知，当变频电机发生转子断条故障后，电网侧交流电流Hilbert模量信号中含有2sf ₀的故障频率分量，可作为转子断条故障的检测识别依据。

S2、对所述电网侧交流电流模量信号和所述整流器直流侧电流信号进行相关分析，获取对应的融合相关谱图。

具体地，电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的相关分析的方法为：

当变频电机存在转子断条故障时，电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号中会含有相同的故障频率分量，采用相关分析的方法可以使故障特征频率凸显，从而提高电机故障识别的精度。

信号的自功率谱密度函数表示信号自身的功率密度沿频率轴的分布情况，信号的互功率谱密度函数表示在频率域内一个信号的取值对另一个信号的依赖程度。

根据帕斯瓦尔定理，若两个信号都满足绝对可积的条件，可定义信号的互功率谱密度估计为：

进一步定义信号相关分析的具体计算式为：

其中，E[.]为期望算子，

为电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的互功率谱密度估计；

为电网侧交流电流模量信号的自功率谱密度估计，

为整流器直流侧电流信号的自功率谱密度估计；T为信号的周期。

信号相关分析在本质上表达了电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的相似性，当信号具有相同的频率分量时，其对应的融合相关谱中该频率分量的幅值就会增强，反之就会减弱。利用这一特性，可准确地提取故障特征频率分量，从而提高电机故障检测识别的精度及可靠性。

S3、判断所述融合相关谱图中存在预设故障频率分量，则确认所述变频电机发生转子断条故障。

利用得到的融合相关谱的函数图判断变频电机是否存在转子断条故障，具体为：若融合相关谱图中存在2sf ₀的谱峰分量（其中，s为变频电机转差率，f ₀为基波频率），则可判断变频电机发生转子断条故障，否则变频电机当前则处于正常运行状态。

在MATLAB/SIMULINK中建立变频电机转子断条故障的仿真模型，根据多回路模型理论，变频电机的转子断条故障可以用转子某相绕组的电阻变化来模拟。通过仿真后的处理操作分别提取正常电机、转子断条故障电机所对应的电网侧交流电流信号和整流器直流侧电流信号，继而通过MATLAB对信号作相关分析，通过判断融合相关谱图中故障特征频率的谱峰是否存在来判断当前变频电机的运行状态。

如图2和图3的对比组图所示，断条故障电机与正常电机的电网侧电流信号频谱相比，出现了f ₁±2sf ₀的故障特征频率分量，但谐波含量仅占电流基频分量的1.5%左右，故障识别受基频分量干扰，故障检测识别的难度较大。

如图4和图5的对比组图所示，断条故障电机与正常电机的整流器直流侧电流信号频谱相比，出现了2sf ₀的故障特征频率分量，但谐波含量仅为2.5%左右，故障检测识别的难度仍较大，且存在故障识别信号单一的问题，进一步考虑电网侧电流信号频谱和整流器直流侧电流信号频谱在断条故障下的相关性，提出一种基于相关分析的变频电机断条故障检测识别的方法，可提高故障检测识别的精确性与可靠性。

如图6和图7的对比组图所示，断条故障电机与正常电机的电流信号相关谱相比，在2sf ₀处有较大的谱峰，相较于图2和图3的对比组图、图4和图5的对比组图中不同电流信号的傅里叶变换频谱，故障特征频率的识别难度大大降低，这对于实际的现场检测识别工作非常必要。本方法的实效性得以验证，同时也为电机故障检测识别中利用多元信息融合的思想提供了新的思路。

图8示意性示出了根据本公开实施例的适于实现上文描述的方法的系统或电子设备的方框图。图8示出的系统或电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图8所示，本实施例中所描述的电子设备1000，包括：处理器1001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的程序或者从存储部分1008加载到随机访问存储器(RAM)1003中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器1001例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器1001还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器1001可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 1003中，存储有系统1000操作所需的各种程序和数据。处理器1001、ROM1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。处理器1001通过执行ROM 1002和/或RAM 1003中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除ROM 1002和RAM 1003以外的一个或多个存储器中。处理器1001也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例，电子设备1000还可以包括输入/输出(I/O)接口1005，输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。系统1000还可以包括连接至I/O接口1005的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分1006；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分1007；包括硬盘等的存储部分1008；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1009。通信部分1009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1010也根据需要连接至I/O接口1005。可拆卸介质1011，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1010上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1008。

根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1009从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1011被安装。在该计算机程序被处理器1001执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块或单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 1002和/或RAM 1003以外的一个或多个存储器。

需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。

附图中的流程图或框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。还要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别的，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims

1.一种基于相关分析的变频电机断条故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在所述变频电机发生转子断条故障时的所述电网侧交流电流模量信号的获取方式具体包括：

此时，所述电网侧交流电流模量信号的表达式为：

为所述电网侧交流电流的希尔伯特变换信号。

3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在所述变频电机发生转子断条故障时的所述整流器直流侧电流信号的获取方式具体包括：

4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，对所述电网侧交流电流模量信号和所述整流器直流侧电流信号进行相关分析的具体方法为：

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述相关分析的具体公式为：

其中，1≥C_xy≥0，C_xy为电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的融合相关谱，其幅值大小用于表示电网侧交流电流模量信号频谱和整流器直流侧电流信号频谱在某处频率下的相关程度；P_xx为电网侧交流电流模量信号的自功率谱密度估计；P_yy为整流器直流侧电流信号的自功率谱密度估计；P_xy为电网侧交流电流模量信号和整流器直流侧电流信号的互功率谱密度估计，

，E[.]为期望算子，T为信号的周期。

6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，使用电流互感器实时采集待检测的变频电机在预设时间间隔内的电网侧交流电流和整流器直流侧电流。

7.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述整流器的整流电路采用三相不控整流电路。

8.一种基于相关分析的变频电机断条故障检测系统，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

9.一种存储介质，其特征在于，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行权利要求1～7任一项所述方法的步骤。