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基于瞬时功率信号频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障在线诊断方法

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:794

  摘 要:该文介绍了一种基于瞬时功率频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障监测与诊断方法。采集定子某两个端子之间的线电压和对应的线电流,由二者的乘积即可构成瞬时功率信号。理论分析表明,与常见的基于定子线电流频谱分析方法相比,使用瞬时功率信号能避免基波电流对故障特征成分的影响,更好地突出故障特征,分离复合故障。这些都有益于对故障程度的量化,和诊断规则的建立。通过对样机进行断条和偏心故障设置,多种故障情况下的实验结果也证实了上述结论。

  关键词:鼠笼式异步电动机;转子;故障诊断;瞬时功率;频谱分析

1 引言

  转子断条和偏心是鼠笼式异步电动机的常见故障,若不能及时发现而让其继续“带病”运行,时间过长可能造成设备损坏,产量下降,维护费用增大等不良后果。

  为了能在其形成的初期尽早发现故障,需要有可靠的监测与诊断方法。监测的途径很多,如定子电流信号监测、振动信号监测、轴电压监测、轴向漏磁监测等[1-2]。定子电流监测方法因可以做成非侵入式而得到最为广泛的应用。

  当转子出现断条、端环断裂等故障时,会在定子电流中产生频率为
fbr=(1±2ks)f1 (1)
  的故障特征成分,k=1,2,3…;当电动机转子出现偏心故障时,定子电流中会产生频率为
fece=(f1±mfτ) (2)

  的故障特征成分,m=1,2,3…。其中f1为外加电压频率;fr为转子旋转频率(fr =(1-s) f1/ps为转差率;p为电机的极对数)。

  最典型的电流监测与诊断方法是对采样的单个线电流信号进行频谱分析,根据频谱中是否存在与故障相关的特征频率成分及其大小来判定故障是否存在及故障的程度。这种方法简单易行,硬软件开销小。但是,通常异步电动机额定运行时的转差率就小,轻载或空载时的转差率更小。转子断条的主要特征频率为(1±2s)f1,因s很小,(1±2s)f1f1很接近,且幅值相差很悬殊,导致线电流的频谱中前者容易被后者淹没,难以准确诊断故障。为此,需要消除基波对断条故障特征频率成分的影响,直接滤除线电流信号中的基波成分同样会影响到断条特征频率成分。一般的做法是利用自适应陷波滤波[3-4]途径来减小基波分量。从线电压信号中选择一个与基波电流相位相近的分量,然后与电流信号的转换值相减,同样可以减小基波的影响,更好地突出故障特征,这就是相关抵消法[5]的基本思想。

  同时采集多相电流、电压信号,经适当的转换来突出断条故障特征,是近年来的努力方向。park’矢量方法[6-8]是同时采样三相电流,将其转换到静止的两轴坐标系(ab)中,由ia、ib形成的轨迹来进行故障诊断。扩展 的park’矢量方法[9]是通过对由构成的所谓的park’

  摘 要:该文介绍了一种基于瞬时功率频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障监测与诊断方法。采集定子某两个端子之间的线电压和对应的线电流,由二者的乘积即可构成瞬时功率信号。理论分析表明,与常见的基于定子线电流频谱分析方法相比,使用瞬时功率信号能避免基波电流对故障特征成分的影响,更好地突出故障特征,分离复合故障。这些都有益于对故障程度的量化,和诊断规则的建立。通过对样机进行断条和偏心故障设置,多种故障情况下的实验结果也证实了上述结论。

  关键词:鼠笼式异步电动机;转子;故障诊断;瞬时功率;频谱分析

1 引言

  转子断条和偏心是鼠笼式异步电动机的常见故障,若不能及时发现而让其继续“带病”运行,时间过长可能造成设备损坏,产量下降,维护费用增大等不良后果。

  为了能在其形成的初期尽早发现故障,需要有可靠的监测与诊断方法。监测的途径很多,如定子电流信号监测、振动信号监测、轴电压监测、轴向漏磁监测等[1-2]。定子电流监测方法因可以做成非侵入式而得到最为广泛的应用。

  当转子出现断条、端环断裂等故障时,会在定子电流中产生频率为
fbr=(1±2ks)f1 (1)
  的故障特征成分,k=1,2,3…;当电动机转子出现偏心故障时,定子电流中会产生频率为
fece=(f1±mfτ) (2)

  的故障特征成分,m=1,2,3…。其中f1为外加电压频率;fr为转子旋转频率(fr =(1-s) f1/ps为转差率;p为电机的极对数)。

  最典型的电流监测与诊断方法是对采样的单个线电流信号进行频谱分析,根据频谱中是否存在与故障相关的特征频率成分及其大小来判定故障是否存在及故障的程度。这种方法简单易行,硬软件开销小。但是,通常异步电动机额定运行时的转差率就小,轻载或空载时的转差率更小。转子断条的主要特征频率为(1±2s)f1,因s很小,(1±2s)f1f1很接近,且幅值相差很悬殊,导致线电流的频谱中前者容易被后者淹没,难以准确诊断故障。为此,需要消除基波对断条故障特征频率成分的影响,直接滤除线电流信号中的基波成分同样会影响到断条特征频率成分。一般的做法是利用自适应陷波滤波[3-4]途径来减小基波分量。从线电压信号中选择一个与基波电流相位相近的分量,然后与电流信号的转换值相减,同样可以减小基波的影响,更好地突出故障特征,这就是相关抵消法[5]的基本思想。

  同时采集多相电流、电压信号,经适当的转换来突出断条故障特征,是近年来的努力方向。park’矢量方法[6-8]是同时采样三相电流,将其转换到静止的两轴坐标系(ab)中,由ia、ib形成的轨迹来进行故障诊断。扩展 的park’矢量方法[9]是通过对由构成的所谓的park’

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