CN207638319U - 一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，包括电流采集模块、DSP处理器、故障显示及保护模块，所述的电流采集模块将采集到的电机定子的电流送入到DSP处理器中，所述的DSP处理器分别与故障电流谐波对比库、故障显示及保护模块连接；所述的故障电流谐波对比库预先标定故障状态与电流总谐波系数对应关系；DSP处理器根据采集的电流计算得到电流总谐波系数，并通过故障电流谐波对比库获取得到故障信息；DSP处理器发出控制信号至故障显示及保护模块，故障显示及保护模块用于显示故障信息以及发出电机保护信号。本实用新型的优点在于：可以通过预先标定的故障电流谐波对比库，快速的获取故障信息、类型并及时切断驱动电路，保护电机的安全运行。

Description

一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统

技术领域

本发明涉及电机故障检测领域，特别涉及一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统及方法。

背景技术

电机作为工业生产、生活中必不可少的传动机构，电机性能的好坏决定着工业生产线的效率，生活舒适的程度，但电机故障往往会影响工业生产、生活的智能化和自动化，为此针对电机故障进行检测和保护，避免出现二次故障损害，电机故障检测与保护方法显得十分的有必要。

电机故障主要来源于电气故障和机械故障，电气故障主要有驱动电路的欠压、过压、过流、温度过高、短路以及驱动功率管的过压、过流、耐热，定子绕组线圈短路、短路、温度过高、缺相，转子轴承带载过大等等；机械故障主要有电机转子断条、断环开裂、高阻接头、机械不平衡、转轴弯曲、轴承松动等等。

针对电机故障检测与保护的问题，如专利201510275816X-电机故障检测方法和装置以及电机故障保护系统中，依据检测到的负序电流值与设定的阈值大小判定发生的故障并给予保护，但并不能精确检测到电机的故障类型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，能够依据电流总谐波系数准确判定电机故障的类型并作出及时的故障保护措施。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，包括电流采集模块、DSP处理器、故障显示及保护模块，所述的电流采集模块将采集到的电机定子的电流送入到DSP处理器中，所述的 DSP处理器分别与故障电流谐波对比库、故障显示及保护模块连接；所述的故障电流谐波对比库预先标定故障状态与电流总谐波系数对应关系；所述的DSP 处理器根据采集的电流计算得到电流总谐波系数，并通过故障电流谐波对比库获取得到故障信息；所述的DSP处理器发出控制信号至故障显示及保护模块，所述的故障显示及保护模块用于显示故障信息以及发出电机保护信号。

所述的DSP处理器包括电流频谱分析单元、电流总谐波系数计算单元、比较控制单元，所述的电流频谱分析单元输入端送入采集的电流信号，其输出端连接电流总谐波系数计算单元；所述的电流总谐波计算单元与比较控制单元连接，所述的比较控制单元连接故障电流谐波对比库。

所述的故障电流谐波对比库内存储有预先通过实验标定的不同故障状态下的电流总谐波系数，电流总谐波系数与故障状态相对应。

所述的故障显示及保护模块包括显示器、脉冲信号发射模块，所述的显示器与DSP处理器连接，用于显示DSP处理器获取的故障类型；所述的脉冲信号发射模块与DSP处理器连接，用于在故障状态时发出脉冲信号切断驱动电路。

所述的脉冲信号发射模块包括光电耦合器、脉冲发生器，所述的DSP处理器经光电耦合器与脉冲发射器连接，所述的脉冲发射器发出切断电机驱动电路的脉冲信号SVPWM。

所述的DSP处理器与报警器连接，用于在电机故障状态时发出报警信号。

本发明的优点在于：可以通过预先标定的故障电流谐波对比库，通过实际计算的电机的总谐波系数与对比库对于获取与总谐波系数相对应的故障状态，从而能够在电机出现故障时，快速的获取故障信息、类型并及时切断驱动电路，保护电机的安全运行。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明基于电流总谐波系数的电机故障检测系统结构原理图；

图2为本发明实际电机控制系统整体框图；

图3为本发明电机过载下电流总谐波系数波形图；

图4为本发明电机过流下电流总谐波系数波形图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

永磁同步电机定子绕组通以三相交流正弦电后，定子绕组线圈上产生旋转磁场，转子上的永磁体产生固定的磁场。转子磁场与定子磁场通过气隙磁通相互作用，在转子与定子表面间产生电磁作用。当定子、转子故障或者驱动电路输出电流变化时，会改变正常的气隙磁通波形，进而影响定子上三相交流电的频率。如转子出现断条故障时，转子上的磁场会改变，造成转子与定子间的气隙磁场改变，进而改变定子上电流波形，这些电流波形除了工频信号成分还含有谐波信号成分，通过频谱分析可以将故障电流信号的频率分离出来，通过分析各种故障的频率可以区分故障的类别，进而判定电机故障的类型，给出及时的保护，即所有的电机故障类型都会在电流谐波上得到反映。

不同的电机故障分离出来的故障谐波频率也不经相同，为了更加直观的显示电机故障的类型，本发明用电流总谐波系数来判定电机故障类型，控制器依据故障的类型给出相应的保护。总谐波系数是指用信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外谐波成分，功放工作时，由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次，三次谐波与实际输入信号叠加，在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分，而是包括了谐波成分的信号，这些多余出来的谐波成分与实际输入信号(基频)的对比，用百分比来表示就称为总谐波系数。一般来说，总谐波系数在1000Hz附近最小，所以大部分功放表明总谐波失真是用1000Hz信号做测试，总谐波系数这个数值越小，表明品质越高。

本发明提出的一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统与方法，依据前期搭建的电机模型，仿真各种电机的故障类型，并采集定子上电流，计算电机故障下的电流总谐波系数(THD)，该故障总谐波系数作为故障比对库，实际采集的定子电流总谐波系数与故障比对库比较，确定故障的类型，给出相应的保护。故障总谐波比对库是在电机理想状态下测得的，其总谐波系数更加准确可靠。另外，实际故障电流总谐波系数与故障总谐波比对库只涉及到数值大小的比较，其故障相应速度更快，保护更加及时。

一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，包括电流采集模块、DSP处理器、故障显示及保护模块，电流采集模块将采集到的电机定子的电流送入到 DSP处理器中，DSP处理器分别与故障电流谐波对比库、故障显示及保护模块连接；故障电流谐波对比库预先标定故障状态与电流总谐波系数对应关系；DSP 处理器根据采集的电流计算得到电流总谐波系数，并通过故障电流谐波对比库获取得到故障信息；DSP处理器发出控制信号至故障显示及保护模块，故障显示及保护模块用于显示故障信息以及发出电机保护信号。DSP处理器包括电流频谱分析单元、电流总谐波系数计算单元、比较控制单元，所述的电流频谱分析单元输入端送入采集的电流信号，其输出端连接电流总谐波系数计算单元；电流总谐波计算单元与比较控制单元连接，比较控制单元连接故障电流谐波对比库。

如图1所示，首先通过电流采集模块采集电机的电流，通过DSP处理器进行数据处理分析，通过DSP处理器的频谱分析单元进行频谱分析(FFT)，提取电流的总谐波系数，并将计算的系数与电机故障电流总谐波系数进行比较，比较器输出故障信号，显示电路显示出电机故障代码与故障类型，同时电机保护电路接受到光电耦合电路发出的信号，切断驱动电路的脉冲信号，实现电机的实时保护。

故障显示及保护模块包括显示器、脉冲信号发射模块，显示器与DSP处理器连接，用于显示DSP处理器获取的故障类型；脉冲信号发射模块与DSP处理器连接，用于在故障状态时发出脉冲信号切断驱动电路。脉冲信号发射模块包括光电耦合器、脉冲发生器，DSP处理器经光电耦合器与脉冲发射器连接，脉冲发射器发出切断电机驱动电路的脉冲信号SVPWM。DSP处理器与报警器连接，用于在电机故障状态时发出报警信号。

故障电流谐波对比库内存储有预先通过实验标定的不同故障状态下的电流总谐波系数，电流总谐波系数与故障状态相对应。通过分析实际的电机的物理结构，在Simulink中搭建电机仿真模型，利用搭建的仿真模型分析各种电机故障状态下的电流总谐波系数，并将各种故障总谐波系数存储于DSP存储器中，作为电机故障电流总谐波系数比对库，从而形成对比库。

基于电流总谐波系数的电机故障检测方法，包括

步骤一：预先构建电机故障电流总谐波系数对比库，对比库中电流总谐波系数与故障状态相对应；

步骤二：采集电机运行时定子侧电流，计算此时的电流总谐波系数，将计算得到的电流总谐波系数与电机故障电流总谐波系数对比库对比，获取与电流总谐波系数相对应的故障信息。

步骤三：显示电机的故障信息，并发出脉冲信号切断电机驱动电路。

电机故障电流总谐波系数对比库构建方法包括通过分析电机的内部物理结构，在Simulink中搭建电机仿真模型，利用搭建的仿真模型分析各种电机故障状态下的电流总谐波系数，并将各种故障总谐波系数存储于DSP存储器中，作为电机故障电流总谐波系数比对库。涉及到具体步骤如下：

S11:预先分析实际的电机(直流电机、交流异步电机、交流永磁同步电机) 的物理模型，依据电机的电压、电流、磁通量及电磁转矩等数量关系，在Simulink 中搭建双闭环矢量控制系统，包括电机控制系统的硬件电路模块以及软件控制模块。根据实际需要检测的电机的类型、控制系统的控制方式来分析建立该实际电机的模型用于分析，即对实际电机进行分析其模型，根据模型预先模拟仿真各种故障状态下的电力总谐波系数。

S12:利用Simulink仿真各种电机的故障，如驱动电路的欠压、过压、过流、温度过高、短路以及驱动功率管的过压、过流、耐热，定子绕组线圈短路、短路、温度过高、缺相，转子轴承带载过大等等；机械故障主要有电机转子断条、断环开裂、高阻接头、机械不平衡、转轴弯曲、轴承松动等等。

S13:利用Simulink中的Powergui分析定子上的电流，在1000Hz下，通过离散傅里叶变换(FFT)计算电流总谐波系数的大小。具体计算过程如下：

其中，V＝V₁+V₂+V₃+V₄+、、、，V1为基波电压值，V2、V3、V4为电机故障下电流的谐波电压值。

S14：记录各种电机故障下的电流总谐波系数，并将其存储于电机控制器的存储器中，得到电机故障总谐波系数比对库。

图2为实际电机控制系统整体框图，将采集的电流通过DSP处理器计算得到实际的电流总谐波系数。涉及到具体步骤如下：

S21：电机控制系统主要包括硬件驱动电机模块即三相整流电路、IPM逆变电路以及控制器控制电路，软件主要包括电机双闭环矢量控制算法以及控制信号、反馈信号及电流信号采集处理等。

S22：采集实际电机控制系统的电流，电机处理器对电流进行频谱分析得到实际的电流谐波系数(THD)。

S23：这里为了能够实现电机故障的准确判定以及电机故障的快速保护，处理器对实际电机故障的总谐波系数进行处理，当实际总谐波系数与电机故障比对库的总谐波系数相等时，可以依据比对库电机故障类型判定实际电机出现的故障。

如图3、4是选取基础频率100Hz，最大频率1000Hz，即采样点为10个点，测得一个周期下的电流总谐波系数，其中图3为过载下总谐波系数波形图，图4 为过流下总谐波系数波形图，其他类型的故障仿真原理同上，测不同类型故障下，电流总谐波系数，进而得到电机故障电流总谐波比对库。仿真电机故障电流总谐波系数与实际电机故障电流总谐波系数比较的大小决定电机的故障类型，并及时进行故障保护。

实际搭建的电机模型参数、算法参数与仿真搭建的电机模型参数、算法参数要保持一致，保证仿真的故障类型能够在实际电机系统得到体现，其中也包括实际电机电流采样频率与仿真电机采样频率的一致。

过本发明的电流总谐波系数可以准确确定电机故障的类型，并且对电机故障进行实时保护，一方面可以提高电机维修的效率，另一方面可以提高电机的使用寿命。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，其特征在于：包括电流采集模块、DSP处理器、故障显示及保护模块，所述的电流采集模块将采集到的电机定子的电流送入到DSP处理器中，所述的DSP处理器分别与故障电流谐波对比库、故障显示及保护模块连接；所述的故障电流谐波对比库预先标定故障状态与电流总谐波系数对应关系；所述的DSP处理器根据采集的电流计算得到电流总谐波系数，并通过故障电流谐波对比库获取得到故障信息；所述的DSP处理器发出控制信号至故障显示及保护模块，所述的故障显示及保护模块用于显示故障信息以及发出电机保护信号。

2.如权利要求1所述的一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，其特征在于：所述的DSP处理器包括电流频谱分析单元、电流总谐波系数计算单元、比较控制单元，所述的电流频谱分析单元输入端送入采集的电流信号，其输出端连接电流总谐波系数计算单元；所述的电流总谐波计算单元与比较控制单元连接，所述的比较控制单元连接故障电流谐波对比库。

3.如权利要求1所述的一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，其特征在于：所述的故障电流谐波对比库内存储有预先通过实验标定的不同故障状态下的电流总谐波系数，电流总谐波系数与故障状态相对应。

4.如权利要求1-3任一所述的一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，其特征在于：所述的故障显示及保护模块包括显示器、脉冲信号发射模块，所述的显示器与DSP处理器连接，用于显示DSP处理器获取的故障类型；所述的脉冲信号发射模块与DSP处理器连接，用于在故障状态时发出脉冲信号切断驱动电路。

5.如权利要求4所述的一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，其特征在于：所述的脉冲信号发射模块包括光电耦合器、脉冲发生器，所述的DSP处理器经光电耦合器与脉冲发射器连接，所述的脉冲发射器发出切断电机驱动电路的脉冲信号SVPWM。

6.如权利要求1-3任一所述的一种基于电流总谐波系数的电机故障检测系统，其特征在于：所述的DSP处理器与报警器连接，用于在电机故障状态时发出报警信号。