異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條失效診斷研究與發(fā)展概況

王澤宇,陳建國(guó),王景明,盛志偉,宋雨

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

異步電動(dòng)機(jī)的使用比任何其他形式的電機(jī)都要廣泛,尤其是具有更高功率和電壓的大型異步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中,如水利、礦山、石化及核電,以為其主機(jī)提供動(dòng)力。然而,有許多故障會(huì)阻礙異步電動(dòng)機(jī)的順利運(yùn)行,并且任何故障都是從正常運(yùn)行的一個(gè)小偏差開(kāi)始的。如果在早期階段沒(méi)有檢測(cè)到故障并進(jìn)行處理,可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此,電動(dòng)機(jī)“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”越來(lái)越受到用戶和制造商的重視。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是檢測(cè)和診斷與故障相關(guān)的基本電機(jī)量變化的過(guò)程,從而可以安排適當(dāng)?shù)木S護(hù),防止故障擴(kuò)大,這優(yōu)化了運(yùn)維性能并強(qiáng)化了運(yùn)維質(zhì)量控制。

轉(zhuǎn)子斷條,是異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品常見(jiàn)的故障,無(wú)論是設(shè)計(jì)制造或者是長(zhǎng)期運(yùn)行環(huán)節(jié)的不足或者不當(dāng),均有可能逐步引發(fā)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條開(kāi)裂或斷裂現(xiàn)象,從而直接對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全產(chǎn)生不利影響。因此,更好地實(shí)現(xiàn)斷條故障在不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、不同負(fù)載水平、不同速度下等條件下的準(zhǔn)確在線檢測(cè)和診斷,成為制造商和用戶的迫切需求和完美目標(biāo)。

需要注意的是,不同類型的電機(jī)電源在故障診斷過(guò)程中有著不同的作用。直接在線模式下,向電動(dòng)機(jī)施加純正弦電源電壓,而在逆變器供電模式下,電源電壓包含各種諧波。在第一種情況下,電機(jī)變量直接取決于負(fù)載水平,但在逆變器供電模式下,電氣和機(jī)械變量是可控的。由此,故障診斷過(guò)程中的有效因素?cái)?shù)量顯著增加,故障檢測(cè)因而更加復(fù)雜。主要影響因素因子包括高頻開(kāi)關(guān)電源電壓,它導(dǎo)致了氣隙磁通密度的更多失真。

本文介紹和總結(jié)分析了當(dāng)前較為主流及較準(zhǔn)確較易實(shí)施的轉(zhuǎn)子斷條狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理及方法和例證。當(dāng)然,所有診斷方法和指標(biāo)都無(wú)法涵蓋工業(yè)環(huán)境中遇到的所有實(shí)際情況。例如,使用傅立葉變換(FFT),作為斷條故障的直接結(jié)果的幅度不能在輕負(fù)載水平下返回真實(shí)的故障特征。這說(shuō)明,盡管故障一發(fā)生,電機(jī)量中確實(shí)存在與故障相對(duì)應(yīng)的量,但它們?cè)谀承┨囟l件下可能無(wú)法檢測(cè)到。因此,有人提出分析電動(dòng)機(jī)電流以外的信號(hào),例如對(duì)故障反饋比電動(dòng)機(jī)電流更敏感的磁通密度。然而,測(cè)量磁通密度需要一個(gè)場(chǎng)的檢測(cè)過(guò)程,從而導(dǎo)致更復(fù)雜的診斷方案。那么,影響故障檢測(cè)過(guò)程的因素很多,而選擇適當(dāng)?shù)姆椒?以便在負(fù)載和速度水平等各種影響量的變化時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)、確定和診斷故障程度,十分必要。

1 電機(jī)電流特征分析(MCSA)

此處首先討論直接在線運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī),則有電源電壓和電流有公式如下

V=Vmsin(ωst)

(1)

Is=Imsin(ωst+α)

(2)

然而,電源電壓是固定的,不會(huì)隨著故障而變化。因此,電機(jī)電流信號(hào)被重新表述如下

Is=Asin(ωst)+Bcos(ωst)

(3)

根據(jù)式(3),斷條故障反映為時(shí)域中電機(jī)電流包絡(luò)的周期性振蕩。振蕩的頻率等于2ksfs,這意味著在電機(jī)電流中檢測(cè)到不僅具有最大振幅的一階邊帶分量,同時(shí)對(duì)更高階分量也有影響。通常情況下,邊帶分量的幅值隨著一個(gè)位置的故障水平的增加而增加。

圖1展示了一個(gè)正常的電機(jī),圖2展示了有一根斷條的電機(jī)。在圖2中可以清楚地觀察到電流包絡(luò)的周期性振蕩。由于2ksfs是電機(jī)滑差的函數(shù),如果電機(jī)負(fù)載增加,則振蕩頻率會(huì)更高。也可以看到,在固定電源頻率下增大負(fù)載會(huì)導(dǎo)致故障特征的明顯增大。

圖1 正常異步電動(dòng)機(jī)定子電流圖

圖2 異步電動(dòng)機(jī)斷條后定子電流圖

在時(shí)域或頻域中研究電機(jī)電流(MCSA),被稱為故障診斷程序中最好的技術(shù)之一,但并不一定是最準(zhǔn)確的技術(shù)。該技術(shù)被廣泛使用的原因之一是相應(yīng)測(cè)量的容易性。此外,如果使用可靠的屏蔽電纜,監(jiān)控單元可以遠(yuǎn)離電機(jī)位置,在測(cè)量電機(jī)電流信號(hào)的同時(shí),可以使用調(diào)諧良好的無(wú)線傳輸設(shè)備傳輸故障量相關(guān)數(shù)據(jù),從而可能實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控。

MCSA同樣適用于逆變器供電的應(yīng)用,無(wú)論逆變器的類型和控制策略如何,參見(jiàn)圖3、圖4(電壓源)。圖中顯示了逆變器供電電機(jī)在兩種不同速度下以及不同故障水平下電流包絡(luò)的時(shí)域變化。

圖3 逆變器供電的電機(jī)定子電流包絡(luò)圖(1500rpm)

圖4 逆變器供電的電機(jī)定子電流包絡(luò)圖(700rpm)

2 振蕩

由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型通常忽略不計(jì)了其固有不對(duì)稱性,因此使用電流的分布在某種程度上不能診斷由固有邊帶分量引起的隨時(shí)間變化的振蕩。這時(shí),它可以通過(guò)一種稱為“持續(xù)振蕩”的新故障指數(shù)來(lái)體現(xiàn),該指數(shù)定義為電壓和電流空間矢量之間的相移,由式(7)得到作為斷條數(shù)量函數(shù)的相應(yīng)變化示例的圖5。

圖5 PWM電機(jī)的持續(xù)振蕩檢測(cè)應(yīng)用

α2(ic-ia)]

(4)

(5)

(6)

(7)

持續(xù)振蕩要使用低通濾波器進(jìn)行測(cè)量,從而消除高頻開(kāi)關(guān)現(xiàn)象引起的可能會(huì)影響正確測(cè)量過(guò)程的波動(dòng),且電壓和電流信號(hào)都需要通過(guò)低通濾波器采樣到處理器中。擺動(dòng)振蕩既適用于直接在線運(yùn)行電機(jī),也適用于逆變器供電電動(dòng)機(jī)。

這里,振蕩的振幅隨著故障和負(fù)載水平的增加而增加。值得注意的是,正常電動(dòng)機(jī)的擺動(dòng)振幅不為零,這也證明了邊帶分量存在的概念。

需要注意,對(duì)于此種精確診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)工具,除了斷條故障之外產(chǎn)生的不同因素,例如氣隙中產(chǎn)生反向磁場(chǎng),可能會(huì)引入相同的特征,而導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷。因而這種因素需要事先得到排除。這里我們介紹的是一個(gè)時(shí)域指標(biāo),使得能夠在不同的故障和負(fù)載水平下診斷斷條故障,并且該技術(shù)的準(zhǔn)確實(shí)施可以用于各種供電模式,包括在線運(yùn)行以及開(kāi)環(huán)和閉環(huán)策略。因此,它可以被認(rèn)為是在時(shí)域中應(yīng)用的最有用的診斷技術(shù)之一。當(dāng)然,該指標(biāo)檢測(cè)故障位置的能力尚未得到進(jìn)一步研究。

3 速度波動(dòng)

多數(shù)情況下,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的故障發(fā)生在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,因此,存在從正常狀態(tài)到故障狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致某種不希望的瞬態(tài)波動(dòng),這些波動(dòng)在幾個(gè)循環(huán)后穩(wěn)定下來(lái),直到穩(wěn)態(tài)操作。那么,在最初情況下的故障的診斷非常重要,尤其是當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)-停止操作過(guò)程中,因?yàn)殡姍C(jī)速度的突然變化導(dǎo)致的機(jī)械瞬態(tài)增加了故障發(fā)生的概率。由于斷條故障給電動(dòng)機(jī)速度引入了非常明顯的2sfs諧波分量,以及相應(yīng)的故障級(jí)別與顯示效果的對(duì)應(yīng)關(guān)系,使得電機(jī)速度波動(dòng)檢測(cè)成為一種檢測(cè)早期斷條故障很有發(fā)展的技術(shù)。圖6顯示了在線啟動(dòng)感應(yīng)電機(jī)在三種不同故障水平下的速度波動(dòng),包括1、2個(gè)斷條以及正常的情況進(jìn)行結(jié)果的比較。早期斷條故障清楚地顯示了不希望的速度波動(dòng),其幅度隨著故障等級(jí)的增加而變大。在t=0.3s處發(fā)生的信號(hào)的瞬態(tài)部分具有很大的振幅,使得電機(jī)承受了額外的機(jī)械應(yīng)力,而這反過(guò)來(lái)又是導(dǎo)致其他電機(jī)部件故障的一個(gè)因素。隨著時(shí)間的變化,信號(hào)的瞬態(tài)部分逐步消失,這與正常的電機(jī)起動(dòng)明顯不同。

圖6 直接在線電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條引起的起始速度波動(dòng)

圖7顯示直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)和電壓頻率比(CV/F)控制模式的速度波動(dòng),圖中為兩根斷條故障和正常運(yùn)行。該圖清晰地表明,各種控制模式可以極大地影響診斷過(guò)程。DTC控制策略的電動(dòng)機(jī)的波動(dòng)幅度大約等于零,這是由于DTC驅(qū)動(dòng)器中存在速度閉環(huán),因此相應(yīng)的機(jī)械速度總是由PI控制器的帶寬調(diào)節(jié);如果帶寬很小,振蕩的幅度可能會(huì)減小到零;而CV/F控制策略相關(guān)的波動(dòng)幅度相對(duì)較大。

圖7 逆變器供電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條引起的速度波動(dòng)

4 小波變換在斷條故障診斷中的應(yīng)用

小波變換(WT)通常被應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)信號(hào),以便在瞬態(tài)操作過(guò)程提取故障信息。其中一個(gè)重要的應(yīng)用方式是將WT應(yīng)用于電機(jī)電流,該電機(jī)電流的基頻通過(guò)從電機(jī)瞬態(tài)電流中減去正弦信號(hào)而被濾除。由此,這里考量的是從濾波電流中提取的小波系數(shù)。

考慮到由正弦曲線和未知頻率組成的附加信號(hào)的組成,如式(8)表示

u(t)=Asin(ωt+δ)+n(t)

(8)

式中,n(t)—附加信號(hào)的總和;A、ω—正弦波潛在的時(shí)變振幅和頻率;δ—正弦曲線的恒定相位。

正弦波的總相位為φ=ωt+δ。如果時(shí)間變化足夠慢,參數(shù)A、ω和φ被認(rèn)為在很短時(shí)間間隔內(nèi)是恒定值,它們就是時(shí)間的函數(shù)。

這里使用梯度下降方法來(lái)最小化輸入信號(hào)u(t)和嵌入其中的正弦信號(hào)Asin(ωt+δ)之間的最小二乘誤差。結(jié)果是以下一組非線性微分方程來(lái)呈現(xiàn)信號(hào)動(dòng)態(tài)算法,該算法旨在提取嵌入u(t)中潛在的正弦信號(hào),而不需要對(duì)附加信號(hào)的組成進(jìn)行任何假設(shè)。

(9)

(10)

(11)

頂部的點(diǎn)(·)表示相對(duì)于時(shí)間的差異。誤差信號(hào)e(t)表示輸入信號(hào)和提取的正弦曲線之間的差,即

e(t)=u(t)-Asinφ

(12)

圖8顯示了該算法在檢測(cè)擾動(dòng)方面的能力。一旦算法提取出基本分量(虛線),就會(huì)檢測(cè)到疊加分量(點(diǎn)線)。該算法在跟蹤輸入信號(hào)特性(如基本分量的振幅、相位和頻率)的時(shí)間變化方面具有完全自適應(yīng)性。最重要的是,該算法在追蹤頻率隨時(shí)間變化方面表現(xiàn)出非常好的性能。

圖8 施加在正弦信號(hào)上的擾動(dòng)的檢測(cè)圖示

在實(shí)現(xiàn)基本提取算法之前,將線電流轉(zhuǎn)換為單個(gè)旋轉(zhuǎn)電流矢量,然后將該矢量轉(zhuǎn)換到時(shí)域中,并用作提取算法的輸入。該算法提取非平穩(wěn)基波的瞬時(shí)頻率、幅值和相位,同時(shí),該算法需要幾個(gè)周期才能收斂,因此,當(dāng)從原始波形中減去估計(jì)的基波時(shí),應(yīng)該丟棄0到0.2s之間的算法輸出,以允許算法收斂。然后使用離散小波變換和Daubechies 8小波對(duì)剩余電流進(jìn)行分解。通常,在分解等級(jí)7～10,會(huì)看到斷條電動(dòng)機(jī)與正常電動(dòng)機(jī)樣本后段相比的小波系數(shù)存在明顯差異。

5 Hilbert-Huang變換(HHT)在斷條故障診斷中的應(yīng)用

HHT方法應(yīng)用是基于電機(jī)電流,而MCSA無(wú)疑是最可靠的診斷方法,因此這是一種很有前途的斷條故障診斷工具。它的基本概念公式為

(13)

(14)

式中,m—表示輸入信號(hào)被分解成的能級(jí)的數(shù)量;a—特定時(shí)間t的信號(hào)幅度和瞬時(shí)頻率ω。對(duì)于不同的頻率分量,從輸入信號(hào)的HT獲得a和ω?？梢?jiàn)HHT是基于對(duì)一種時(shí)間變化現(xiàn)象的計(jì)算以及對(duì)其在不同頻帶上的變化的表示。

圖9和圖10顯示了正常電機(jī)以及典型斷條故障電流的IMF。IMF1包括信號(hào)的最高頻帶,其他頻帶的頻率限制按IMF的順序減小。這意味著IMF3的分量存在于較低的頻率。殘差是輸入信號(hào)和IMF之和之間的差。如圖10所示,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),可在IMF2中觀察到單頻波動(dòng)。

圖9 正常負(fù)載下電機(jī)電流IMFs

圖10 1根斷條情況電機(jī)電流IMFs

6 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)分析了異步電動(dòng)機(jī)斷條故障時(shí)主流穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的信號(hào)處理和檢測(cè)方法,可以看到,實(shí)現(xiàn)精確的異步電動(dòng)機(jī)斷條故障診斷,首先需要首先選擇合適的信號(hào)并經(jīng)過(guò)處理,信號(hào)處理技術(shù)以及最終提取故障敏感特征是診斷過(guò)程的關(guān)鍵,亦即選擇適當(dāng)?shù)挠?時(shí)間、頻率、時(shí)間-頻率)、合適的信號(hào)、應(yīng)用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)等。值得注意的點(diǎn)是,大多數(shù)提出的技術(shù)都是和正常條件相關(guān)的,這意味著有必要在正常條件下建立指標(biāo)庫(kù),以便在故障情況時(shí)進(jìn)行比較,從而更加清晰地對(duì)轉(zhuǎn)子斷條故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。