文摘

在本文中,提出了一种新的故障检测技术为鼠笼式感应电动机(SCIM)基于检测转子酒吧失败。一般这种类型的故障检测是进行,而电动机稳态政权继续工作。最近,已经提出了很多方法酒吧转子故障检测评估的基础上启动瞬变电流。这里的方法是能够故障检测后立即酒吧破损,在三相SCIM模型在有限元方法(FEM)使用Maxwell2D软件。转子酒吧然后模仿了相应的遗传算法获得的外转子阻抗,从而提供一个模拟模型提取有限元模拟在MATLAB / SIMULINK等灵活的环境。提高故障识别,分析了定子电流信号使用离散小波变换(DWT)。

1。介绍

感应电动机(IMs)在许多工业过程起着重要的作用。因此,即时通讯失败应该在早期阶段发现他们成为灾难,导致关闭和增强的维护成本。增加机械的状态监测是可取的可用性,减少间接损害,和提高运作效率1- - - - - -3]。我的缺点可能发生在机器的三个主要部分;定子、转子和轴承。在鼠笼式感应电动机转子酒吧通常破碎(SCIM)由于几个原因4,5),包括(1)热应力,(2)磁压力,(3)残余应力从制造、(4)从轴扭矩动态应力,(5)欠轴承故障、机械应力和(6)水分等环境压力。

状态监测、故障检测SCIM研究了两类;在启动瞬变工况稳态条件。多年来,研究人员专注于故障检测方法都是基于FFT等稳定状态。最近,在信号处理进展之后,启动瞬变电流的方法基于研究吸引了注意力。传统方法监测转子定子电流的条件是基于频域分析(6,7),机械振动(8在搜索线圈[],通量9),转子速度(10在稳定状态。电机电流特征分析(MCSA)被许多研究人员由于其可用性和简单性。破碎的酒吧诱发一些特殊频率谐波分量定子电流(边带频率),如下 在哪里滑,电源频率。酒吧破损发生在基本频率的振幅之间的区别和左边带分量小于50 dB (11]。等频率分析FFT, STFFT,最近多信号分类(音乐)和zoom-MUSIC适当的技术来检测定子电流频谱的频率边带(12]。图1表明STFFT能够诊断满载我破碎的酒吧。的主要缺点STFFT [13)包括(1)负载方法的依赖和(2)球轴承故障造成的错误的诊断和电压/负载波动。许多研究人员试图通过引入一种新的提高诊断标准(14)或使用故障等高频成分指标,不受负载的影响(15]。在过去的几年里,启动瞬变电流研究考虑到信号处理技术的进展。伯内特et al。16和沃森和帕特森17)显示的优越性比其他信号处理技术分析小波分解的非平稳信号。使用离散小波变换(DWT) (18)曾建议”左边的频率边带在启动过程中变化幅度宽及其振幅达到数倍的值高于静止的政权,这是适用于任何负载情况”。一些频率允许的进化破碎的诊断和识别转子酒吧在我启动瞬态。根据边带谐波的频率(例如,),当电动机开启(),左侧边带分量等于电源频率。然而,变成了0 Hz时滑动达到一半的价值,当速度增加时,滑移和下降几乎达到了电源频率(18]。这种方法需要一个最低启动时间避免电磁瞬态发生后立即启动和面具左边边带组件(19]。

一个有效的状态监测系统应该能够检测和测量采取故障发生后立即使用。这是因为检测潜在的灾难性故障的初期阶段防止大功率和生产损失,还降低了维护成本。SCIM在这项研究中,一个故障检测系统是由假设一个酒吧突然坏了,虽然SCIM运行在一个稳定状态。提供故障不是诊断在其早期阶段,错将传播到邻近的酒吧,导致当地的热点和interbar电流出现导致进一步损害磁路。诊断故障的初始步骤的关键是解决控制和保护SCIM。这里发达诊断系统检测转子断条破损后立即在额定值条件。然而,研究破酒吧后立即破损不能发生在现实中,由于缺乏SCIM的转子在操作期间。

2。SCIM使用有限元法分析

一种有效的诊断方法需要一个准确和可靠的SCIM模型能够准确揭示机器的行为。在过去几十年里,有限元方法(FEM)已经证明了自己是一个准确和廉价的技术SCIM分析造型材料特性,非线性和复杂的结构等机器的转动部分(20.,21]。在这方面,有限元模拟提供了一个强大的工具,以及一个好的基准研究故障机行为,通过比较现有的监测技术和信号处理方法设计。然而,尽管有限元法准确的造型能力SCIM通过著名的麦克斯韦方程,它需要一个广泛的计算时间由于涉及机器零件的几何复杂性。

对称的原则是尽可能使用机器零件,以减少计算时间。然而,在破碎的酒吧,这不能进行施加的磁场不对称故障。因此,为了确保正确的磁场分布,整个机器横截面分析。SCIM这项研究展示在表所需规格1。图2显示整个横截面的模拟SCIM Maxwell2D [22,23),由一个对称的三相正弦来源与定子绕组的三个阶段有相同的数量()。机器的各个部分分为一小部分的网格节点如图3对转子酒吧、气隙和定子槽。这里使用的有限元程序Maxwell2D评估转子断条的影响(马上回来)故障对电动机性能和生成虚拟数据在一个精确的和廉价的方式。

3所示。破碎的转子酒吧造型

合适的造型打破酒吧需要准确、可靠的诊断。在这种背景下,电阻的破酒吧被认为是尽可能大的有限元法,考虑到在现实中有一个interbar当前在酒吧中,从而增加了焦耳损失在邻近的酒吧。此外,磁通线的分布在破碎的酒吧发生了变化。磁通线的不对称是由于(a)涡流,特别是在转子槽,(b)剧烈变化的起始时间开始时,(c)起动电流升高,和(d)注入谐波电流和饱和破碎的酒吧。在分析问题之前,一系列的小网格/机器的所有部分首先由有限元法。因为有明显不同的节点的网络故障和健康的酒吧,在转子栏失败的情况下,瞬时分析在有限元破损后不久就变成了一个复杂的过程。因此,需要另一个辅助程序,如MATLAB酒吧破损后立即断条故障诊断等造型参数对应的外转子阻抗。错误的阻抗包括阻力和电感模仿的系列转子,演示图4。

转子酒吧故障之前模拟(24,25)只使用单阶段转子的电阻增加,而忽略了由此产生的电感。相对应的增量增加抵抗破酒吧要考虑外部转子电路的计算是按照(25]: 在那里,是连续的破酒吧的数量,是转子栏数,把定子相绕组的数量,是转子电阻。然而,就不够准确,因为破酒吧电阻和电感的计算本质上是一个复杂的过程,一般没有可靠的公式,遗传算法(GA)一直在使用这种新方法来获取电感和电阻尽可能同时失败的酒吧。寻找故障阻抗方法在下一节中描述。

4所示。遗传算法和提出的目标函数

遗传算法是一种全局优化和搜索技术出于遗传学和自然选择的过程。在遗传算法中,一组染色体(人口)是导致偏见的方式向发展适者染色体根据特殊的规则(26,27]。遗传算法的流程图用于这项工作呈现在图5。目标是寻找一个最优解,发现错误的破酒吧阻抗(电阻和电感)和最小化目标函数。开始GA过程中随机选择一个初始种群大小为100区间[]。错误的电阻和电感,应该被安装为染色体进行了优化。因此, MATLAB / SIMULINK执行所有染色体获得速度曲线在错误的情况下,每个染色体是评估目标函数是值得的。必须指出,为了更准确和真实和模拟之间的密切关系情况下,有限元法也用于选择和变异率为20%。然后,目标函数定义为: 在哪里在有限元法使用麦克斯韦软件输出速度,速度_垫MATLAB是输出速度,是样品的总数。图6显示了该方法的原理图寻找故障阻抗。如图7和8使用模拟设置用于模型验证在健康和有缺陷的条件下,创建一个类似的模型在MATLAB / SIMULINK对健康和有缺陷的情况下,错误的阻抗在哪里获得的GA和电阻和电感的值破酒吧在额定状态

5。离散小波变换

小波理论的优秀的特性是它的频谱变化,这使得它适合于分析非平稳的信号(28,29日]。时间演化的定子电流信号的频率成分取决于这个特定的现象。例如,进化左边带的频率,在启动转子不对称的情况下,以特定的方式发展;当机器开启时,它等于电源频率。后来,当滑= 0.5,它达到0赫兹和再次接近电源频率的增加,一旦达到稳态机制(18]。

离散小波变换(DWT)分解采样信号为: 在哪里表示扩展功能,是母小波,尺度函数的规模吗转移的。同时,母小波的尺度吗转移的,近似系数的规模吗和类似的细节系数的规模吗(30.]。如图9的频率范围内近似信号的时间间隔,细节包含的组件频率属于区间,在那里采样频率。减少乐队之间的重叠,一个高阶小波(Daubechies 44)用于本研究分析定子电流信号后立即酒吧破损。DWT能够定位准确的频率及其具体时间地点。因此,不可预测可以检测瞬态变化,都可能发生在任何稳态由于它的时频分解。

6。仿真结果

模拟转子的SCIM酒吧进行了故障检测来验证该方法。图10显示了检测的示意图SCIM转子酒吧,酒吧后不久,在MATLAB / SIMULINK破损。可以看到,断条故障被连接阻抗模拟转子。模型栏失败很快破损后,理想开关用于转子的外围电路。图11显示电流的仿真结果曲线的理想开关用于造型栏失败SCIM操作期间对电机性能没有明显的影响。假设一个酒吧坏了两秒后,电机已达到稳态操作。

考虑DWT提供的优势,在信号处理,用于定子电流信号的研究SCIM如图12,健康条件可以和破碎的酒吧。错误的发生,DWT系数的变化成为高于他们在这一事件之前。第七个近似,(),对应于低频组件(低于60 Hz),显示了一个有意义的变化后的错。故障发生后的峰值变化清楚地看到在第六细节信号(对应的频率范围在78赫兹到156赫兹)和其他细节信号。更高的变化,代表高频电流信号的内容,细节中可以看到一至五(),覆盖156到5000赫兹之间的频率范围。图12显示了谐波出现破碎后的小波系数转子栏的错。

7所示。结论

故障检测在早期阶段对控制和保护SCIM很重要。本文旨在开发一个诊断系统栏失败后立即断裂。利用有限元法、遗传算法和MATLAB,一个精确的模型是模拟快速故障检测利用DWT定子电流。小波分解显示了有意义的变化细节编号1 - 5和7级(称为一个近似),它对应于错误的频率带宽。模拟启动当前DWT满载机表明破损在一个酒吧可以诊断正确处于初期阶段。仿真结果表明,该技术能够准确模拟酒吧酒吧破损后立即失败。