CN211014561U - 一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了仪器仪表技术领域的一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统，旨在解决现有技术中异步电动机转子故障检测种类单一、检测算法单一、检测过程和结果不能进行远程监控的技术问题。所述系统包括数据采集模块、信号处理模块、故障分析模块、无线通信模块，所述数据采集模块和信号处理模块部署于本地且彼此电性连接，所述故障分析模块部署于云端服务器且集成有检测算法，所述检测算法包括快速傅里叶变换、希尔伯特变换、PARK矢量算法中的至少任两项，数据采集模块通过无线通信模块与故障分析模块无线连接，所述无线通信模块包括4G路由模块。

Description

一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统，属于仪器仪表技术领域。

背景技术

异步电动机因其具有结构简单、使用寿命长、成本低廉等优点，在国民经济领域中得到了广泛应用。在各种电气传动系统中，有90%左右采用异步电动机驱动；在电网总负载中，异步电动机占了60%左右。但由于实际运行过程中客观存在的负载过重、频繁启动和制动、机械应力和热应力过大等恶劣工况，以及电动机转子自身固有缺陷，容易出现偏心、断条或端环开裂等故障，不仅会造成巨大的经济损失，严重时还会危及人身安全。因此，对异步电动机进行早期的转子故障检测，及时排除故障，具有重要意义。

传统的异步电动机转子故障检测装置主要存在如下不足：（1）检测算法单一，不便于比较和分析，且仅适用于特定工况；（2）单一检测算法所能检测到的故障类型比较单一，尤其是不能实现初发故障的检测，导致检测精度低下；（3）检测系统的操作过程以及检测结果不能进行远程监控，需要现场人员进行操作。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，以解决现有技术中异步电动机转子故障检测种类单一、检测算法单一的技术问题。

本实用新型提供了一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统，包括数据采集模块、信号处理模块、故障分析模块、无线通信模块，所述数据采集模块和信号处理模块部署于本地且彼此电性连接，所述故障分析模块部署于云端服务器且集成有检测算法，所述检测算法包括快速傅里叶变换、希尔伯特变换、PARK矢量算法中的至少任两项，数据采集模块通过无线通信模块与故障分析模块无线连接，所述无线通信模块包括4G路由模块。

优选地，所述数据采集模块包括电流传感器、电压传感器、数据采集卡，所述数据采集卡通过电流传感器或／和电压传感器采集获取本地电动机定子的电压或／和电流信号；所述电流传感器包括电流钳，所述电压传感器包括霍尔传感器。

优选地，所述信号处理模块包括信号调理电路，信号调理电路的输入端分别与电流传感器和电压传感器的输出端电性连接，信号调理电路的输出端与数据采集卡的输入端电性连接。

优选地，所述信号处理模块还包括低纹波线性电源模块，所述低纹波线性电源模块与电流传感器、电压传感器和信号调理电路电性连接。

优选地，所述故障分析模块包括上位机软件操作系统。

优选地，所述4G路由模块为导轨式4G无线路由器。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：采集电动机定子的电压和电流信号无需侵入电动机壳体，便捷性较强，适用于各种复杂工况；故障分析模块部署于云端服务器，可在异地实时监测；故障分析模块同时利用多种检测算法对信号进行在线检测运算，通过对各种检测算法的检测结果进行比较和分析，有利于提高检测精度，及时发现电动机初发故障；通过无线传输方式将故障识别结果反馈至本地用户端，便于本地用户及时掌握电动机的运行状况，及时排除电动机故障，避免造成安全隐患。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统的原理框图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统的硬件部分设计框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型具体实施方式提供了一种非侵入式异步电动机初发故障检测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，采集获取位于本地的异步电动机定子的电压和电流信号，并对该电压和电流信号进行转换和滤波，以获取检测异步电动机转子初发故障所需信号的波形，即标准电压和电流信号。本实施例中的电压和电流信号，即异步电动机定子输入端的电压和电流信号，可利用电流钳、霍尔传感器等进行采集，无需侵入电动机壳体，具有较强的便捷性和实用性，适用于各种复杂工况。

步骤二，将转换和滤波后的电压和电流信号无线传输至云端服务器，部署云端服务器上的故障分析模块利用其自身集成的快速傅里叶变换（FFT）、希尔伯特变换（Hilbert）和PARK矢量算法等多种检测算法，分别对该标准电压和电流信号进行检测运算，对每种检测算法的检测运算结果进行对比和分析，最终获取电动机转子故障识别结果。

FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号从时域变换到频域，以便于识别信号的频谱特征。异步电动机发生转子故障后，在其定子电流中将出现频率为(1±2s)f ₁的附加电流分量，其中，s为异步电动机的转差率， f ₁为供电频率。因此，对定子电流进行频谱分析以提取、考察其边频分量，即可实现转子故障检测；

采用PARK矢量变换方法检测电机转子故障的基本原理，是将静止三相坐标系下的定子电流变换到静止两相坐标下（d轴和q轴），得到相应的直轴电流分量I_d和交轴电流分量I_q，观察上述两相坐标系中电流轨迹为圆或椭圆即可实现对转子的故障检测，正常时其电流轨迹为一个圆形，转子故障时则呈现椭圆状；

采用Hilbert变换算法检测电机转子故障的基本原理，是将定子任意一相电流信号经过Hilbert变换形成Hilbert变换对，以之构成解析信号。其中，解析信号的实部为原始电流信号，虚部为电流经过Hilbert变换后的量。通过对解析信号的平方模进行频谱分析，检测其频谱中是否含有2ksf ₁或mf _r的频率分量，就可以实现对转子的故障检测。其中，s为异步电动机的转差率， f ₁为供电频率，f _r为转速频率，所述转速频率即偏心故障对应的故障特征频率，k和m为正整数。

集成多种检测算法以提高检测方法的多样性，是为了便于比较和分析不同方法诊断的有效性，当一种方法检测不理想时，可采用另一种或几种检测方法协同检测，进而提高故障诊断的准确性。

步骤三，故障分析模块利用无线传输方式，将故障识别结果反馈至本地用户端，以利于本地用户实时掌握异步电动机的运行状况，及时排除电动机转子初发故障，确保电动机的平稳可靠运行，避免初发故障演变为偏心、断条、端环开裂等较大故障和安全隐患，危及人身和财产安全。

本实用新型具体实施方式还提供了一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其原理框图和硬件部分设计框图分别如图1和图2所示，所述系统包括数据采集模块、信号处理模块、故障分析模块、无线通信模块，所述数据采集模块和信号处理模块部署于本地且彼此电性连接，所述故障分析模块为部署于服务器上的上位机软件操作系统，软件操作系统中集成有快速傅里叶变换（FFT）、希尔伯特变换（Hilbert）、PARK矢量算法等多种检测算法，所述无线通信模块为4G路由模块；所述数据采集模块包括电流传感器、电压传感器、数据采集卡，所述信号处理模块包括信号调理电路和低纹波线性电源模块，低纹波线性电源模块与电流传感器、电压传感器和信号调理电路电性连接，信号调理电路的输入端分别与电流传感器和电压传感器的输出端电性连接，信号调理电路的输出端与数据采集卡的输入端电性连接，数据采集卡的输出端与4G路由模块电性连接，数据采集卡通过4G路由模块与上位机软件操作系统无线连接。

本实用新型系统实施例的运行过程如下：（1）低纹波线性电源模块向电流传感器、电压传感器和信号调理电路提供稳定电源；（2）电压传感器采集获取本地电动机定子的电压信号，电流传感器采集获取本地电动机定子的电流信号；（3）信号调理电路对采集到的电压和电流信号进行转换和滤波处理，以获取标准电压和电流信号，该信号调理电路还对信号进行放大处理，以适应数据采集卡的量程；（4）数据采集卡获取经转换、滤波和放大后的标准电压和电流信号；（5）4G路由模块将数据采集卡所采集到的标准电压和电流信号无线传输至上位机软件操作系统；（6）上位机软件操作系统利用其集成的快速傅里叶变换（FFT）、希尔伯特变换（Hilbert）、PARK矢量算法等多种检测算法分别对该标准电压和电流信号进行检测运算，对每种检测算法的检测运算结果进行对比和分析，最终获取电动机转子故障识别结果，具体故障检测原理和协同检测过程已在本实用新型方法实施例中作了详细描述，该软件操作系统具有友好的操作界面，能够实现包括信号实时采集、算法实时分析以及结果实时显示等在内的各种功能，由于该软件操作系统部署于云端服务器，因而可由检测人员利用无线通讯方式进行远程检测监控；（7）软件操作系统利用4G路由模块将电动机转子故障识别结果无线传输至本地用户端，以利于本地用户实时掌握异步电动机的运行状况。

本实施例中，数据采集模块的设计采用了美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）的NI 9202多功能数据采集卡，电压传感器选择型号为LEM-LAH 25-NP的霍尔传感器，电流传感器选择iProbe200电流钳作为测量电流的主要设备。

低纹波线性电源模块主要包括降压模块（变压器）、整流滤波模块（整流器和大电容）、线性稳压模块（正负线性稳压电路）、低通滤波模块（低通滤波电路），220V交流电经过变压器降压至18V，由整流电路及大电容滤波后，进入正负线性稳压电路，再利用低通滤波电路滤除直流外的干扰信号后，分别输出±15V的低纹波直流电压，纹波波动的幅度小于等于3mV，以确保输出电压的稳定性。

云端服务器选用型号为研华IPPC-6172A工业平板电脑，前述作为故障分析模块的软件操作系统部署于该平板电脑上。所述软件操作系统以LabVIEW作为软件开发平台，采用模块化编程的思想，分别设计了参数设置、数据采集与波形显示、算法分析、诊断结果显示等功能模块。系统开始检测电动机转子故障前，需要对信号采样频率、采样模式、每通道采样数等参数进行初始化设置；接下来，通过数据采集模块和信号处理模块完成信号的采集与处理，采集的信号通过LabVIEW中的波形图控件进行实时显示；同时，选择相应的检测算法对电压和电流信号进行检测运算，进而提取故障特征量。为提高检测精度，一般至少选取两项以上的检测算法对信号进行检测运算，分别提取其故障特征量进行比较和分析，以利于提高检测精度，及时发现电动机转子初发故障；最后，根据波形图控件的显示结果以及所采用算法的检测原理，来判断电动机转子是否发生故障，并将检测结果利用无线传输方式及时地反馈给本地用户端。

4G路由模块选用了工业级别的HF8014型导轨式4G无线路由器。它拥有1个可切换的WAN/LAN以太网接口，顶部的3根天线分别用于接受4G信号、放大以及发射无线信号。系统运行时，NI 9202多功能数据采集卡与该路由器的以太网接口相连，而工业平板电脑则连接路由器发出的无线信号，这样就实现了数据采集模块与平板电脑之间的无线通信。同时，该模块通过插入SIM卡连接上网络，实现工业平板电脑与远程终端的无线通讯。

软件操作系统在使用时，只需按照以下步骤进行即可：（1）检测人员远程登录工业平板电脑端软件操作系统的登录界面，输入用户名和密码，进入操作界面；（2）创建信号采集任务，设置相关采集参数，如采样模式、采样频率、采样点数等；（3）按下软件操作系统的启动按钮，开始对信号进行检测；（4）通过界面的选项卡控件选择相应的检测算法；（5）根据算法分析模块所显示的图形，结合算法相应的检测原理，判别异步电动机是否存在转子故障。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其特征是，包括数据采集模块、信号处理模块、故障分析模块、无线通信模块，所述数据采集模块和信号处理模块部署于本地且彼此电性连接，所述故障分析模块部署于云端服务器且集成有检测算法，所述检测算法包括快速傅里叶变换、希尔伯特变换、PARK矢量算法中的至少任两项，数据采集模块通过无线通信模块与故障分析模块无线连接，所述无线通信模块包括4G路由模块。

2.根据权利要求1所述的非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其特征是，所述数据采集模块包括电流传感器、电压传感器、数据采集卡，所述数据采集卡通过电流传感器或／和电压传感器采集获取本地电动机定子的电压或／和电流信号；所述电流传感器包括电流钳，所述电压传感器包括霍尔传感器。

3.根据权利要求2所述的非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其特征是，所述信号处理模块包括信号调理电路，信号调理电路的输入端分别与电流传感器和电压传感器的输出端电性连接，信号调理电路的输出端与数据采集卡的输入端电性连接。

4.根据权利要求3所述的非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其特征是，所述信号处理模块还包括低纹波线性电源模块，所述低纹波线性电源模块与电流传感器、电压传感器和信号调理电路电性连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其特征是，所述故障分析模块包括上位机软件操作系统。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的非侵入式异步电动机初发故障检测系统，其特征是，所述4G路由模块为导轨式4G无线路由器。

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