籠型異步電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 平

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

異步電動(dòng)機(jī)是社會(huì)生產(chǎn)生活中最常見(jiàn)的電氣設(shè)備，在國(guó)民生產(chǎn)活動(dòng)中占有重要地位[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2019年籠型異步電動(dòng)機(jī)的全球市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到了148億美元，預(yù)計(jì)2026年將會(huì)達(dá)到164億美元[3]。異步電動(dòng)機(jī)通常作為機(jī)床的主控電機(jī)[4]，如果出現(xiàn)故障，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則導(dǎo)致生產(chǎn)線癱瘓，故對(duì)異步電動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常有意義。

異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中定子、轉(zhuǎn)子和軸承都有可能出現(xiàn)故障[5-7]。定子故障一般指定子繞組故障，包括匝間短路、過(guò)熱和絕緣故障；轉(zhuǎn)子故障主要指氣隙偏心、轉(zhuǎn)子斷條或者端環(huán)斷裂[8-9]；軸承故障主要指軸承損壞[10-11]。故障識(shí)別需要利用相關(guān)物理量[12-16]，在獲取相關(guān)信號(hào)的基礎(chǔ)上，采用信息融合方法[17]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者小波分析[18]等方法進(jìn)行。但目前一般的研究多集中于一種故障，對(duì)3種故障進(jìn)行診斷的故障分析系統(tǒng)較少。為此，本研究以籠型異步電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，選擇氣隙偏心、轉(zhuǎn)子斷條和匝間短路3種故障，以電流為基本分析信號(hào)設(shè)計(jì)了故障診斷系統(tǒng)，以便于異步電動(dòng)機(jī)故障分析。

1 故障診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

故障診斷系統(tǒng)基本流程為利用數(shù)據(jù)采集卡采集電流信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)不同故障的特征分別采用不同方法進(jìn)行特征提取，根據(jù)特征信息進(jìn)行特征識(shí)別，流程見(jiàn)圖1。

圖1 程序設(shè)計(jì)流程Fig.1 Diagram of programming design

故障診斷系統(tǒng)基于模塊化方法來(lái)設(shè)計(jì)，分為信號(hào)采集、信號(hào)處理、特征提取及故障識(shí)別4個(gè)模塊。其中，信號(hào)采集模塊只需要采集電流信號(hào)，選用電流互感器和數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)預(yù)處理只進(jìn)行簡(jiǎn)單的粗大數(shù)據(jù)剔除。

2 特征提取方法

根據(jù)相關(guān)理論分析可知，當(dāng)存在氣隙偏心和轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，某些特征頻率點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)幅值突然增大的情況[9]。其中：存在氣隙偏心故障時(shí)電流信號(hào)會(huì)在25 Hz及75 Hz的頻率點(diǎn)附近出現(xiàn)特征分量，存在轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)電流信號(hào)會(huì)在45 Hz和55 Hz的頻率點(diǎn)附近出現(xiàn)特征分量，故氣隙偏心和轉(zhuǎn)子斷條故障識(shí)別可以基于頻譜特性進(jìn)行；當(dāng)存在匝間短路故障時(shí)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)派克(Park)變換后的矢量軌跡由類(lèi)圓形向橢圓形過(guò)渡。為此，特征提取方法為傅里葉變換和Park變換，其中傅里葉變換主要用于時(shí)域-頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換，Park變換用于坐標(biāo)變換。

2.1 傅里葉變換

傅里葉變換的基本原理是將連續(xù)信號(hào)表示為不同頻率正弦信號(hào)的疊加，具體分為三步來(lái)進(jìn)行：首先是將某個(gè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)變成N個(gè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)，然后在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到N個(gè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)頻域，進(jìn)而得到N個(gè)頻域點(diǎn)，最后將得到的N個(gè)頻域點(diǎn)按照順序累加后得到所需要的頻域信息。

2.2 Park變換

Park變換的基本原理是將數(shù)據(jù)由一般坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系，設(shè)定三相交流電的電流分別為

Ia=Imcosωt，
Ib=Imcos(ωt-120°)，
Ic=Imcos(ωt-120°)，

(1)

式中：Ia、Ib、Ic分別表示三相電流值，A；Im表示電流基波幅值，A；ω為交流電角頻率，rad/s；t為時(shí)間，s。

經(jīng)過(guò)Park變換后的電流矢量由Iα和Iβ合成，與原始電流之間的關(guān)系為

(2)

3 故障識(shí)別

在完成特征提取后，得到傅里葉變換和Park變換后的數(shù)據(jù)，后續(xù)工作就是基于上述數(shù)據(jù)完成故障識(shí)別。為此，對(duì)故障識(shí)別模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其能夠根據(jù)特征提取后的數(shù)據(jù)判斷出具體故障。

3.1 氣隙偏心和轉(zhuǎn)子斷條故障診斷

圖2 氣隙偏心及轉(zhuǎn)子斷條故障診斷流程Fig.2 Diagram of diagnosis of air gap and broken bar

如前所述，存在氣隙偏心和轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)某些特征頻率點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)幅值突然增大的情況，對(duì)傅里葉變換之后的數(shù)據(jù)采用差分方法可以判斷特征點(diǎn)處是否存在突變。其原理是光滑曲線任意點(diǎn)處的前向差分Δf(k)=f(k+1)-f(k)與后向差分Δf(k)=f(k)-f(k-1)基本相等，而有幅值突變的特征點(diǎn)則會(huì)產(chǎn)生凸起，據(jù)此可以判斷該特征點(diǎn)處是否存在突變。具體流程見(jiàn)圖2。

3.2 匝間短路故障診斷

當(dāng)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，Park變換圖不規(guī)則程度會(huì)加劇，根據(jù)其扁平度、矢量軌跡傾斜角度可判斷匝間短路故障[19]。先繪制出Iα和Iβ圖像，基于點(diǎn)集得到最小邊界框，正常電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的邊界框?yàn)檎叫?，即邊框長(zhǎng)和寬相等，否則即為匝間短路故障。具體流程如圖3所示。

圖3 匝間短路故障診斷流程Fig.3 Diagram of diagnosis of turn-turn short circuit

4 程序設(shè)計(jì)

由于幾個(gè)界面的功能是互相獨(dú)立的，可以認(rèn)為是多個(gè)平行事件，所以采用選項(xiàng)卡功能來(lái)實(shí)現(xiàn)不同界面的直接切換。該功能模塊相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要對(duì)選項(xiàng)卡進(jìn)行添加即可。

4.1 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理

設(shè)計(jì)采集程序時(shí)，采樣的通道數(shù)、信號(hào)形式、頻率、模式、時(shí)鐘源及數(shù)據(jù)處理方式等都設(shè)置為多選模式，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

4.2 特征提取

由前述內(nèi)容可知，針對(duì)氣隙偏心、轉(zhuǎn)子斷條及匝間短路這3種故障，分別需要用到Park變換和傅里葉變換，采用類(lèi)似于C語(yǔ)言的語(yǔ)句進(jìn)行編程，再直接將代碼復(fù)制到公式節(jié)點(diǎn)模塊內(nèi)，通過(guò)按鍵進(jìn)行傅里葉變換或者Park變換。程序結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖4 Park變換截圖Fig.4 The printscreen of Park transformation

圖5 傅里葉變換截圖Fig.5 The printscreen of fourier transformation

圖6 故障識(shí)別算法截圖Fig.6 The printscreen of fault diagnosis method

4.3 故障識(shí)別

故障識(shí)別采用差分法和比較法，判斷電動(dòng)機(jī)發(fā)生哪種故障并輸出故障類(lèi)型，如圖6所示。

5 具體應(yīng)用

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了檢測(cè)。其中：氣隙偏心故障通過(guò)在端蓋上設(shè)置調(diào)節(jié)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖7)。具體方法是在端蓋上增加一個(gè)內(nèi)六方螺栓，螺栓與電動(dòng)機(jī)軸承接觸，通過(guò)螺栓來(lái)調(diào)整偏心位置，偏心距設(shè)定為0.2 mm。轉(zhuǎn)子斷條故障通過(guò)在轉(zhuǎn)子上鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖8)，設(shè)置3根斷條。匝間短路故障采用抽頭的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，且只針對(duì)B相繞組進(jìn)行抽頭(圖9)，抽頭后電阻是1.7 Ω。

圖7 氣隙偏心故障設(shè)置Fig.7 Setting of air gap fault

圖8 轉(zhuǎn)子斷條故障設(shè)置Fig.8 Setting of broken bar fault

圖9 匝間短路故障設(shè)置Fig.9 Setting of turn-turn circuit short fault

圖10所示為對(duì)氣隙偏心、轉(zhuǎn)子斷條和匝間短路故障的識(shí)別結(jié)果，可見(jiàn)氣隙偏心故障在25 Hz處出現(xiàn)凸起，而轉(zhuǎn)子斷條故障在45 Hz處出現(xiàn)凸起，當(dāng)存在匝間短路故障時(shí)，得到的Park變換圖非標(biāo)準(zhǔn)圓，可以實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。

圖10 故障診斷結(jié)果Fig.10 Results of fault diagnosis

6 結(jié)論

本研究以實(shí)現(xiàn)氣隙偏心、轉(zhuǎn)子斷條和匝間短路3種故障的診斷為目標(biāo)，完成了籠型異步電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

(1)氣隙偏心和轉(zhuǎn)子斷條故障診斷可以基于傅里葉變換后的電流數(shù)據(jù)，采用差分方法來(lái)找到特征點(diǎn)處是否存在突變來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)匝間短路故障診斷可以基于Park變換后的圖像，通過(guò)其圓度來(lái)實(shí)現(xiàn)。