鼠笼式电动机的定子和转子故障诊断基于基波分量提取方法

文摘

如今,定子电流分析用于检测鼠笼式电动机的隐患已经得到太多的关注。然而,在定子匝间短路的情况下,传统的对称分量法已经失去了前提由于谐波和噪声;负序分量(NSC)很难获得准确。的转子断条,新添加故障特征被忽视的基本组件也很难被歧视在当前的频谱。解决上面的问题,一个基本组件提取(FCE)方法在本文提出。一方面,通过antisynchronous速度协调(ASC)变换,NSC提取信号转换成直流值。NSC的合成矢量的振幅是用来评估定子故障的严重程度。另一方面,可以过滤掉提取的基本组件使转子故障特征的定子电流频谱。实验结果表明,该方法是可行的和有效的故障诊断转子匝间短路和破碎的酒吧。此外,只有定子电流和电压频率需要记录,这方法很容易实现。

1。介绍

如今,鼠笼式电动机已广泛应用于工农业生产,因为它简单而坚固的结构(1]。但它通常受到不可避免的压力,这在不同部分创建失败。统计研究表明,在定子匝间短路故障占近30%故障总数的-40%;破碎的转子酒吧断层带近10% (2- - - - - -4]。传统的非侵入性技术通常用于诊断这些类型的错误。这些策略都是基于数量的分析如振动、电压、电流、转矩和速度(5]。随着现代信号处理和计算机技术的发展,最近提出了一些先进的诊断方法。

在定子匝间短路的情况下,传统的对称分量法的前提,因为已经失去了谐波和噪声(6- - - - - -8]。国家安全委员会作为故障特征难以准确获得。文献[9)把定子负序阻抗作为匝间短路故障特征;这种方法鲁棒性不平衡供电的情况下,因为负序阻抗是负序电压和电流的比率。但如果电力供应足够平衡,计算结果将包括错误。文献[10)提取诊断绕组故障的振动特性;不幸的是,它不能区分转子偏心与定子的错。文献[11)利用神经网络检测绕组的短路,但它通常需要大量的训练数据。如果数据是训练过度或训练不足,会影响诊断结果。通过分析高次谐波的变化后的残余电压AC转储,在定子绕组匝间短路的位置可以找到,但很难实现在线故障诊断(12]。文献[13)利用瞬时功率分解技术来提高故障识别的精度在不同的操作条件下,但有很多参数需要确定。

破碎的转子的酒吧,断层的存在会引起气隙磁场扰动在定子电流频谱,和两个边带组件出现在电源频率附近,与频率给定如下(14]: 在哪里代表故障频率,代表电源频率,代表滑鼠笼式电动机。

然而,谱泄漏的基本组件掩盖了转子故障组件。它可以变得更糟时,鼠笼式电动机运行在低滑移值,因为这些组件变得更紧密。为了解决这个问题,15,16]提出延长公园的矢量方法,17]提出了希尔伯特模谱分析来提取断条故障特性。但上述两种方法会产生其他一些交叉组件,使频谱更复杂。文献[18)利用希尔伯特变换来检测转子断条故障定位通过包络分析的启动电流,但很难实现在线故障诊断。文献[19)提出了一个公园矢量旋转过滤器;准确的基本组件可以被删除。但该算法需要过滤掉NSC首先,和复杂的计算限制应用程序。文献[20.)利用高阶谱来检测转子的错,但大量的计算问题需要首先解决。

FCE考试方法提出了基于电流信号的相关分析。在定子匝间短路的情况下,该方法用于避免谐波和噪声的影响首先在当前信号。然后,通过ASC变换,提取信号的NSC转化为直流值,和一个合成矢量的振幅NSC定子故障的严重程度进行评估。破碎的转子的酒吧,可以过滤掉提取的基本组件准确根据FCE考试方法的结果,可能会出现和转子故障组件从定子电流频谱。

本文的组织结构如下:部分2提出了FCE考试方法,介绍了实现该方法的在这两种情况下的故障诊断转子匝间短路和破碎的酒吧。部分3介绍了故障诊断系统的结构框架。部分4提供了一个良好的实验结果的讨论和分析。最后,我们的结论提供了部分5。

2。算法的FCE考试

2.1。FCE考试方法

相关函数描述一个瞬时值之间的关系和另一个。自相关和互相关函数定义为: 在哪里代表信号周期和代表时间的差异。

现在有两个信号表示为 在哪里和代表振幅,代表弧度的频率,代表相角,代表相位差。

因为是有限的,之间的互相关估计和可以描述如下:

在(4),它可以得出的结论是,频率和相位信息都保留。

现在包含噪声的正弦信号给出如下: 在哪里代表了正弦分量的振幅,代表相角,表明噪声。

然后两个参考信号具有相同的频率可以构造: 在哪里代表参考信号的振幅。

没有相关性与和,所以之间的互相关估计和和可以描述如下:

由(7)、相角和幅值可以表示如下:

通过这种方式,可以从定子电流中提取准确的基本组件。

2.2。FCE考试方法在定子短路故障诊断中的应用

定子匝间短路故障会导致三相不平衡电流。由于定子电流谐波和噪声,传统的对称分量法已经失去了前提条件;国家安全委员会很难准确获得。因此,FCE考试方法可以应用于定子故障诊断。

在本文的其余部分的阶段将为例进行讨论。假设相电流信号记录点时间。离散阵列的电流称为。根据(6),相对应的数组表示为参考信号和分别在哪里。互相关的估计和之间的和和可以表示如下:

由(8),很容易获得基波分量的幅值和相位的定子相电流。可以使用相同的方法来计算阶段的价值和。然后基本组件三相的电流可以表示如下: 在哪里,,代表基波分量的振幅,,代表基本组件的相位角度。

由于直流分量的提取是更容易在信号处理中,一个方法基于ASC转换申请NSC计算。在这个坐标,变成了二次谐波正序分量,NSC转化为直流分量,意思是可以提取的算法。然后提取直流分量可以用来评估的严重性在定子匝间短路故障。从三相坐标矩阵(ASC) ()是由 在哪里代表弧度定子电压的频率,代表初始夹角设在在静止的协调设在在旋转坐标。ASC,基本组件可以表示如下: 在哪里设在组件而著称,设在组件而著称和零序分量是指出。

调整采样时间的整数倍数供电。通过均值算法,国家安全委员会已变成直流可以提取。与此同时正序分量已经变成了二次谐波可以过滤掉。零序分量小到可以被忽略: 在哪里代表NSC投射在的价值设在和代表了一个预测设在ASC。

合成矢量的振幅给药

为了评估匝间短路的严重程度,一个敏感性因素考虑制造的不对称的定义是 在哪里表明在故障状态和合成矢量的振幅表明健康的价值地位相同的负载。

当电动机是健康的,敏感性因素的价值是零。故障严重程度越大,也会增加。所以它可以用来反映的趋势匝间短路的严重程度。

2.3。应用FCE考试方法在转子断条故障诊断

应对谱泄漏的问题来自于基本组件掩盖了转子故障特征,FCE考试方法也可以用来准确过滤的基本组件。因为故障特性可以被包括在光谱的相电流,只需要单阶段电流信号记录在转子故障诊断。电网的容量足够大;可以看出定子电压和定子电流的基波分量具有相同的频率。因此,参考信号的频率等于定子电压可以构造之一。然后参考信号之间的相关分析定子电流信号能够被完成。没有相关的参考信号谐波和噪声;很容易获得基波分量的幅值和相位通过一些简单的数据处理。下面讨论的详细的实现方法。

假设点记录在期。离散阵列而著称。根据(6),构造两个参考信号。由(7)和(8),很容易获得振幅和相位相电流的基本组成部分。为了消除干扰的基本组件的故障特性,信号给出如下:

信号可以用于进一步分析的光谱。

3所示。鼠笼式电动机的故障诊断系统

32位微处理器S3C2410X作为定子电流信号采样的核心。S3C2410X的芯片上的A / D转换器将输入信号转换为10位二进制数字编码的最大转化率500增殖为2.5 MHz时钟A / D转换器(21]。快照S3C2410X臂板图所示1。

信号调节板包括三相流调节电路、电压频率调节电路和电动机转速调节电路。电路板如图的快照2。

通过LabWindows / CVI软件安装在上电脑,多国评价方法应用于转子匝间短路和破碎的酒吧故障诊断,分别。系统的结构框架如图3。

4所示。实验结果

4.1。匝间短路故障诊断的结果

测试电机的类型是JO2-32-4。其额定功率3 kW,额定转速1400 r / min。电机上的负载变化通过改变磁粉制动器的励磁电流。电机实验系统显示在图4。

三相定子电流信号,包括健康、短路,三是短路,和六个阶段的短路记录的实验系统。记者波形如图5。

三相基波分量的振幅和相位信息可以通过FCE考试方法。根据(14),合成矢量的振幅可以获得。然后,通过(15),灵敏度的因素考虑了生产的不对称可以计算。在不同的短路计算如表所示1。

,,代表有效的基本组件的值。

为了显示了FCE考试方法的有效性的匝间短路故障诊断,计算得到传统的对称组件(TSC)方法如表所示2(22]。

,,代表的相电流有效值。

结果显示在表中1和2的对比图如图敏感性因素6。

它可以得出结论,与定子故障恶化,失衡越来越严重,敏感性因素增加的价值。因此,定义的敏感性因素可以正确地反映在匝间短路故障的严重程度,它是可行的设置阈值决定是否生成警报。

通过对比图如图6,可以发现,计算处理FCE考试方法更敏感比TSC的短路故障。在定子电流谐波和噪声的影响,可以有效地减少了FCE考试方法,并被证明是更有效的匝间短路故障诊断。

4.2。转子断条故障诊断的结果

测试了鼠笼式电动机的类型是Y90S-4。其额定功率1.1千瓦,额定的频率是50赫兹,额定转速1400 r / min。电机上的负载可以改变通过改变磁粉制动器的励磁电流。电流信号是1 kHz的采样频率,采样时间是1 s轨道。产生的破碎的酒吧可以部分或全部钻(23,24]。测试电机转子断条之一,如图所示7。

当测试电机连接到50 Hz电网额定负载,测量速度是1402 r / min,转子故障的频率值基于组件是43.4赫兹和56.6赫兹。当电机50%额定负载下运行的特点,测量速度是1462 r / min。基于转子故障的频率组件47.5赫兹,52.5赫兹。定子电流频谱的局部放大图所示8。

在图8,它可以发现谱泄漏来自基本组件掩盖了转子故障组件,,很难区分的转子故障特征频谱即使以对数纵坐标。在50%额定负载的情况下,故障组件接近基本组件,并没有表明转子故障的频谱。

当地的放大处理的定子电流光谱FCE考试方法在100%和50%额定负载图所示9。

图9表明,转子故障组件可以出现明显的光谱,即使在轻负载。实验结果与理论,显示很好的协议和FCE考试方法可以应用于转子断条诊断。

5。结论

本文提出了FCE考试方法提取特征在定子和转子故障诊断的鼠笼式电动机,分别。通过分析,我们可以得到以下结论:(1)通过构造信号之间的相关分析和定子电流信号基波分量的振幅和相位信息可以获得准确。(2)匝间短路故障诊断,负面影响定子电流谐波和噪声的信号可以避免基于FCE考试方法。定义的敏感性系数可以反映定子匝间短路的严重的趋势。此外,只有单相短路是本文所讨论的,和其他短路故障将在我们未来的工作报告。(3)在破碎的转子酒吧故障诊断,FCE考试方法可以用来消除干扰的基本组件故障特性。定子电流中的故障特征识别增强光谱处理这种方法,即使是在轻负载的情况下。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(批准号河北(51541506),自然科学青年基金批准号E2017208086),河北大学青年科学技术研究基础(批准号QN2017329),通用航空的基础河北科技大学(批准号201525)。

引用

1. v . n . Ghate和美国诉Dudul最佳MLP神经网络分类器的三相感应电动机故障检测”专家系统与应用程序,37卷,不。4、3468 - 3481年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. g·辛格·t·c·a·库马尔,v . n . a . Naikan“感应电动机国米将使用红外线thermographic分析故障检测,”红外物理与技术,卷77,不。7,277 - 282年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. r·沙里夫和m . Ebrahimi检测使用三相感应电动机的定子绕组故障电流监测、”ISA事务,50卷,不。1、14到20,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. h . Caliş和a . Cakir转子酒吧在三相感应电动机故障诊断通过监测电机电流过零瞬间波动,”电力系统研究,卷77,不。5 - 6,385 - 392年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. w·f·戈,i n·d·席尔瓦,a . Goedtel和r·h·c·帕拉西奥斯”评估电源供电感应电动机的定子绕组故障严重程度”应用软计算32卷,第431 - 420页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 方,S.-Y。杨,X.-G。侯,Z.-G。吴”,负序电流的计算新方法,”武汉科技大学学报,33卷,不。5,872 - 875年,2009页。视图:谷歌学术搜索
7. p . Naderi“鼠笼型转子感应电动机inter-turn短路故障检测与不饱和效应通过MEC模型,”ISA事务,卷64,不。9日,第230 - 216页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. r . Roshanfekr和a . Jalilian”分析转子和定子绕组inter-turn断层在WRIM使用模拟MEC模型和实验结果,“电力系统研究卷,119年,第424 - 418页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. Y.-G。李,小时。李、赵h . S.-T。湾”,转子故障识别方法,国际米兰将使用定子绕组短路检测”中国电机工程学会学报》上,卷2,不。2、856 - 860年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. S.-T。万小时。李,Z.-F。许”,发电机振动特性分析定子绕组inter-turn短路故障,”中国电机工程学会学报》上,4卷,不。24日,57 - 161,2004页。视图:谷歌学术搜索
11. c·t·科瓦尔斯基,t . Orlowska-Kowalska感应电动机故障诊断神经网络应用程序。”数学和计算机模拟,卷63,不。3 - 5,435 - 448年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
12. J.-W。张问:姚明,N.-H。l .杨朱,问:,“诊断方法在鼠笼式感应电动机定子绕组故障,”高电压工程》第六卷,没有。33岁,114 - 117年,2007页。视图:谷歌学术搜索
13. X.-G。侯,Z.-G。吴、l .夏和L.-P。部”,瞬时功率分解技术应用于感应电动机定子故障诊断,”中国电机工程学会学报》上25卷,第115 - 110页,2005年。视图:谷歌学术搜索
14. m·r·Mehrjou n . Mariun m . Hamiruce Marhaban,和n . Misron“鼠笼型感应——转子故障状态监测技术审查,”机械系统和信号处理,25卷,不。8,2827 - 2848年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. g·g·阿科斯塔c . j . Verucchi和e . r . Gelso”电流监测系统感应电动机的电气故障诊断,”机械系统和信号处理,20卷,不。4、953 - 965年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. k . n . Gyftakis a·j·m·卡多佐和j·a . Antonino-Daviu”介绍公园的过滤,过滤延长公园的向量方法检测转子断条感应电动机独立于转子槽数,“机械系统和信号处理,卷93,不。1,30 - 50,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 艾登,m . Karakose大肠类似,“早期故障检测和诊断的新方法破碎的转子酒吧,”能量转换和管理,52卷,不。4、1790 - 1799年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m . Abd-el-Malek a . k . Abdelsalam和o·e·哈桑“转子感应电动机断条故障定位检测通过包络分析的启动电流用希尔伯特变换,“机械系统和信号处理,卷93,不。1,第350 - 332页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. y邵”特征提取方法的感应电动机的定子和转子故障公园矢量旋转过滤器,”电机和控制,14卷,不。143年,页57 - 61,2010。视图:谷歌学术搜索
20. t·林狼z Leonowicz、j . Szymanda和p . Ruczewski”应用程序的高阶谱信号处理在电力工程中,“强迫国际期刊在电气和电子工程计算和数学,17卷,不。5,602 - 611年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. g . y . Liu l .郭问:Wang, m .郭和h·丽安,“应用感应电动机故障诊断的振幅恢复方法结合FFT,”机械系统和信号处理,24卷,不。8,2961 - 2971年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. x。刘,S.-J。程,J.-Y。温”,一种改进的方法瞬时对称compnents及其对正面和负序电流的检测,“中国电机工程学会学报》上,28卷,不。1,52-58,2008页。视图:谷歌学术搜索
23. 顾,t . Wang A . Alwodai x, y邵,公元球,“准确的破碎的转子酒吧诊断的一种新方法基于电机电流信号的调制信号双谱分析,“机械系统和信号处理,50-51卷,不。1,第413 - 400页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. m·o·穆斯塔法g . Nikolakopoulos t . Gustafsson和d . Kominiak“基于最小的故障检测方案确定的不确定性范围违反对感应电动机转子酒吧,”控制工程实践48卷,第77 - 63页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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