基于虛擬儀器和MCSA技術(shù)的電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷的研究

曹慶皎　王靜爽　王奕卓

摘? 要：本設(shè)計(jì)利用LabVIEW可視化技術(shù)，通過(guò)ARM芯片STM32103對(duì)霍爾傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的診斷，開(kāi)發(fā)利用電流頻譜診斷分析技術(shù)（MCSA），測(cè)試電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電流信號(hào)，利用傅里葉快速變換分析電流時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換的頻譜，以判斷電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子斷條故障。

關(guān)鍵詞：電流頻譜分析;故障診斷;虛擬儀器;定子電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM307? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0005-03

Abstract： In this design， the data collected by Hall sensor is processed by ARM chip STM32103 by using LabVIEW visualization technology， the broken bar fault diagnosis of motor rotor is realized， and the motor current spectrum analysis （MCSA） is developed. The current signal of the motor load is tested， and the frequency spectrum of the current time domain signal conversion is analyzed by Fourier transform in order to judge the rotor bar breaking fault in the process of motor operation.

Keywords： current spectrum analysis; fault diagnosis; virtual instrument; stator current

交流電機(jī)故障監(jiān)測(cè)和診斷的有效方法可以采用定子電流頻譜分析法，此法能診斷出靜態(tài)氣隙偏心、交流電機(jī)中籠型繞組的斷條、動(dòng)態(tài)氣隙偏心、機(jī)械不平衡等故障。通常交流電機(jī)的故障因其設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)所決定，具體是由于機(jī)械和電氣兩方面原因相互結(jié)合引起的。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于內(nèi)部空氣間隙狹小，其對(duì)磁力不平衡以及磁動(dòng)勢(shì)不平衡很敏感。由于交流電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流會(huì)較大，所以籠型繞組或阻尼繞組在短時(shí)啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)承受較高的機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力，進(jìn)而極易導(dǎo)致籠條以及端環(huán)在很高應(yīng)力作用下因疲勞而斷裂。直接起動(dòng)時(shí)的大電流與此同時(shí)還會(huì)在繞組末端產(chǎn)生大量電能，使繞組末端產(chǎn)生振動(dòng)與變形，由此導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生機(jī)械損壞與磨損，造成擊穿故障。還有，直接起動(dòng)時(shí)的大電流也會(huì)致使磁芯產(chǎn)生振動(dòng)，而機(jī)械振動(dòng)引起的氣隙偏心現(xiàn)象會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)諧波，最終產(chǎn)生比較大的單邊磁力等。通過(guò)氣隙磁場(chǎng)，在定子電流中反映出籠條斷裂、動(dòng)靜氣隙偏心等故障癥狀。所以，在對(duì)這些故障進(jìn)行診斷時(shí)，可以采用定子電流檢測(cè)和頻譜分析方法。因此本文主要介紹的內(nèi)容是電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的診斷原理和方法。

虛擬儀器是一個(gè)基于PC機(jī)的硬件平臺(tái)，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)要求定義虛擬面板，并編寫(xiě)相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)的相應(yīng)測(cè)試功能。將虛擬儀器與電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷相結(jié)合，充分發(fā)揮了“軟件即儀器”的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在虛擬面板上簡(jiǎn)單地操作各種控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷的研究。

1 診斷轉(zhuǎn)子斷條的原理

異步電機(jī)定子電流頻率在理想條件下是50Hz。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子電路在發(fā)生故障時(shí)，定子電流譜圖中會(huì)有一個(gè)旁頻帶，是與電源頻率f1相差2sf1。這一現(xiàn)象已被推斷和證實(shí)。

對(duì)p對(duì)磁極的異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電源頻率是f1時(shí)，定子電流產(chǎn)生磁勢(shì)M1，基波磁勢(shì)為：

根據(jù)公式（11）可以觀察到磁動(dòng)勢(shì)表達(dá)式的第一項(xiàng)包含3ωt和3θ兩項(xiàng)，這兩項(xiàng)將會(huì)在三相定子繞組中產(chǎn)生零序電勢(shì)，但是對(duì)電源電流沒(méi)有影響。第二磁動(dòng)勢(shì)分量包含低于電源角頻率的分量2sω，即F2=（1-2s）F1的分量，該分量會(huì)在異步電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)三相電流分量，而該三相電流分量會(huì)比電源電流角頻率低，并且非常接近電源電流頻率。因此分量調(diào)制作用，定子電流將按一定規(guī)律發(fā)生節(jié)拍性的變化。電流周期性脈動(dòng)的情況會(huì)使定子電流表的指針進(jìn)行擺動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨之發(fā)生波動(dòng)，致使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以兩倍的滑差頻率進(jìn)行波動(dòng)。轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)造成異步電機(jī)的電流在以供電頻率為中心，在-2sf1—+2sf1之間發(fā)生變化，由于電機(jī)定子三次諧波磁通調(diào)制的原因，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流兩者的波動(dòng)將更加明顯。所以異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的損傷程度會(huì)對(duì)邊頻電流幅值和基頻電流幅值兩者之間的差值大小產(chǎn)生直接影響。

若異步電機(jī)的籠型繞組發(fā)生斷條故障，則在定子電流中產(chǎn)生（1±2s）f1的故障特征分量，即在定子電流基頻附近出現(xiàn)頻率為±2sf1的側(cè)頻。從邊緣頻率的幅值和邊緣頻率的幅度與基波電流的幅值之間的差值可推斷出斷裂籠條的估計(jì)數(shù)目。以上是診斷異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的理論依據(jù)。

2 定子電流檢測(cè)與診斷

2.1電流檢測(cè)與診斷

對(duì)定子電流進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、微控制器和診斷軟件組成。傳感器在現(xiàn)場(chǎng)采集電流信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入微處理器，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行頻譜分析，并記錄頻譜，通過(guò)通訊電路上傳上位機(jī)，由上位機(jī)使用labVIEW軟件對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行頻譜診斷。

傳感器選用霍爾電流傳感器，其輸出信號(hào)是毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，需要適當(dāng)調(diào)理后作下一環(huán)節(jié)的輸入。微處理器采用STM32103作為控制器，系統(tǒng)斷條診斷所依據(jù)的原理是：電機(jī)在提供動(dòng)力的同時(shí)，將采集到的定子電流信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)理電路處理后，通過(guò)光電隔離電路，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將得到的數(shù)字量送入芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由通訊電路上傳給上位機(jī)，利用快速FFT變換提取電機(jī)相應(yīng)的電流信號(hào)頻譜，通過(guò)分析電機(jī)的頻譜來(lái)判斷電機(jī)是否存在斷條故障，最終將在人機(jī)交互界面上顯示結(jié)果。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用串口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW可以通過(guò)NI VISA函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信。NI VISA是NI提供的VISA I/O標(biāo)準(zhǔn)。LabVIEW的 VISA模塊位于“儀器 I/O →串口”函數(shù)選板中[2]。

3 轉(zhuǎn)子斷條的頻譜圖變化

實(shí)驗(yàn)一臺(tái)2對(duì)磁極轉(zhuǎn)子51槽的異步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1430r/min，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)差率s=0.058，在不同故障狀態(tài)下，檢測(cè)定子電流和做頻譜分析，測(cè)出其基頻電流分量和邊頻電流分量，并將它們之差值與故障程度進(jìn)行分析比較，研究其變化規(guī)律。

電動(dòng)機(jī)在正常滿載時(shí)，不同狀態(tài)下的電流頻譜圖如圖1-圖3所示。

圖1電流譜圖是電機(jī)滿載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子無(wú)斷條情況下得出的，由此圖可知，滿載運(yùn)行時(shí)，邊頻分量極小，它與基頻分量的幅值之間電流級(jí)差值已高達(dá)64dB。圖2是電機(jī)滿載運(yùn)行，繞組在斷條一根時(shí)具有的電流頻譜圖，邊緣頻率分量增加到71dB，并且邊緣頻率分量和基頻分量之間的差減小到44.5dB。圖3是滿載運(yùn)行時(shí)兩根斷條時(shí)的電流譜圖。邊緣頻率分量隨斷條數(shù)目的增加而增大，邊緣頻率分量達(dá)到78.5dB，邊緣頻率分量與基頻分量之間的電流差減小到37dB。通過(guò)對(duì)不同故障條件下電流譜的分析，可知邊緣頻率分量隨故障程度的加重而增大，基頻分量與邊緣頻率分量的差值隨故障程度的加重而減小。根據(jù)此規(guī)律，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的籠形繞組進(jìn)行故障診斷，如正常、高阻、一條斷條、兩根斷條或是多條斷條等情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于虛擬儀器和MCSA技術(shù)的電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷的設(shè)計(jì)，利用labVIEW圖形化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，通過(guò)ARM芯片STM32103對(duì)霍爾傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的診斷，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、放大、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通訊、圖形顯示幾個(gè)功能，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王新，付子義，鄭征.機(jī)電設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M].煤炭工業(yè)出版社，2014.

[2]胡乾苗.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2016.

[3]武奇生，白璘，惠萌，等. 基于ARM的單片機(jī)應(yīng)用及實(shí)踐——STM32案例式教學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.