（電機與電器專業(yè)論文）時頻分析在電機故障診斷裝置中的實現(xiàn)和系統(tǒng)調試.pdf

a b s t r a c ti th a sb e e nas c i e n c es u b j e c ti nt h ec u r r e n tf i e l do fe n g i n e e r i n go nh o wt op r e v e n tt h em o t o rf a u l tt oo c e u r ，a n dh o wt op r e d i c tt h es e r i o u sf a u l to fm o t o r sb e f o r et h e yo c c u r , a sw e l la st od e v e l o pc o r r e s p o n d i n gf a u l td i a g n o s i n gs y s t e m ，w h i c hh a sag r e a ts i g n i f i c a n ta n dw i l lg i v eu sm u c he c o n o m i cv a l u e t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do ns t u d y i n gt h em o t o r - f a u l td i a g n o s i n gm e t h o d sb a s e do nt i m e - f r e q u e n c ya sw e l la st od e v e l o pt h em o t o rb r o k e nr o t o rb a rd i a g n o s i n gi n s t r u m e n to fs q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o rb a s e do nt id s pp l a t f o r m ，a n di ta l s od e s c r i b e st h ew h o l ep r o c e s so ft h ec i r c u i ta n ds y s t e md e b u g g i n g t h ep a p e rs t a r t sw i t hd i s c u s s i n go ft h ei n n e rm e c h a n i s mo fm o t o rf a u l tt h e ni tc o n c l u d e ss o m ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do ft h em o t o rf a u l tu s i n gs o m ed i a g n o s i n gm e t h o d s f i n a l l yo u rd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h ed i a g n o s i n gm e t h o d sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f o rt h ei n d u c t i o nm o t o rh a st w or u n n i n gs t a t e s ：t h es t a b l er u n n i n gs t a t ea n dt h es t a r t - p r o c e s ss t a t e t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt w od i a g n o s i n gm e t h o d sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi na l l u s i o nt ot h em e t h o d sa b o v e o n ei st h ef r e q u e n c y s p e c 廿aa n a l y s i so ft h es t a t o rc u r r e n td i a g n o s i n gm e t h o d si ns t a b l er u n n i n gs t a t e s ，t h eo t h e ri st h et i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i so f t h es t a t o rc u r r e n ti ns t a r t - p r o c e s ss t a t e t h et w om e t h o d sa r ea l lp r o v e dt r u et h r o u g ht h ee x i s t i n gt h e o r y ,m a t l a bs i m u l a t i n g ，a n dt h er e a le x p e r i m e n t s t h i sp a p e ra l s ob r i n g sf o r w a r dt h l em e t h o d sw h i c hc a nr e s t r a i nt h el e a k a g eo ft h eb a s ef r e q u e n c ya l w a y so c c u r r i n gi nt h ef r e q u e n c y - s p e c t r aa n a l y s i s s u c ha st h ea d a p t i v ef i l t e rm e t h o d ，w i n d o wf u n c t i o n s ，t h ef i n i n gm e t h o d so f f r e q u e n c y w i t ht h ea p p e a r a n c eo f h i g h - e n dd s pc h i p s ，t h ed i a g n o s i n gm e t h o d so fm o t o rf a u l tw i l lu s es o m ec o m p l e xa l g o r i t h m sf o rw h i c ht h el o w - e n ds i n g l e - c h i pp r o c e s s o rc a nn o tb ec o m p e t e n t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e v e l o p e dat h em o t o rb r o k e nr o t o rb a rd i a g n o s i n gi n s t r u m e n to fs q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o rb a s e do nt id s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，a sw e l la st h et a s ko f c i r c u i td e b u g g i n gw h i c hm a k e st h ei n s t r u m e n tt om a r c hi n t ot h em a r k e t t h e r ea r et h r e ef e a t u r e si nt h i sd i a g n o s i n gs y s t e m ：1 t h ep 3 0 1w i n d o wf u n c t i o ni si n t r o d u c e dt of f ta l g o r i t h mi nt h ea n a l y s i so f t h es t a t o rc u r r e n td u r i n gt h es t a b l e - r u n n i n gs t a t e t h er a t i ob e t w e e nt h ef a u l t yf r e q u e n c ya n dt h em a i nf r e q u e n c yi sp r o p o s e dt o j u d g et h ef a u l t 2 t h eh a m m i n g - w i n d o w e ds t f ta l g o r i t h mi su s e dt oa n a l y s i st h es t a t o rc u r r e n td u r i n gt h es t a r t 。p r o c e s so fm o t o r a n dt h el a r g es c a l ec u r r e n td u r i n gs t a r tp r o c e s si sf u l l ym a d eu s eo f 3 t h i sp o r t a b l ei n s t r u m e n th a sq u i c kd i a g n o s i n gc a p a b i l i t y , e a s yo p e r a t i o n a lp r o c e d u r ea n ds t r o n gp r a c t i c a l i t y i tc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o m p u t e rt h r o u g hi t sp a r a l l e lp o r t k e yw o r d s ：m o t o rf a u l td i a g n o s i n g , b r o k e nr o t o i b a r ，m o t o rs t a r t - p r o c e s s ，f f t , s t f t ，c i m u i td e b u g g i n g ，t e s tp o i n t ，w i n d o w f u n c t i o ni i東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。泗坦搬f東南大學學位論文使用授權聲明東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內容。論文的公布( 包括刊登) 授權東南大學研究生院辦理。研究生簽名：導師簽名：拙越日期望。牛牛2第一章緒論1 1 異步電機故障診斷的研究背景與意義隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)化的提高、城鄉(xiāng)電網(wǎng)的改造的步伐，電機設備已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)中。我國8 0 的動力、傳動都是通過各種異步電機來完成的。在實際運行中，特別是在礦山、化工、發(fā)電廠等惡劣環(huán)境中，異步電機的故障頻率特別高，輕則影響電機預定的功能，重則產生嚴重事故造成重大的經(jīng)濟損失。事實上，很多發(fā)電廠為了預防故障的發(fā)生，采用設備輪換制嘲。就是定期將正在運行的電機設備換下檢修。這雖然從一定程度上抑制了故障的發(fā)生，但同時也浪費大量人力物力，檢修定期性也不能按照設備的運行狀態(tài)來預防故障。另外，繼電保護在工程領域得到廣泛的應用9 1 但它畢竟是一種狀態(tài)監(jiān)測，只是當故障發(fā)生后保護才動作。異步電機的大部分故障來自于轉子，其診斷也是比較困難的，對異步電機轉子繞組故障進行深入機理分析和準確診斷的研究具有重要意義。因此，如何防止電機故障的發(fā)生，能夠提前對嚴重故障進行預測，并研制出相應的故障診斷系統(tǒng)，已經(jīng)成為目前工程領域的研究課題，具有重大的理論意義和經(jīng)濟價值。1 2 電機故障診斷技術研究的現(xiàn)狀電機故障診斷技術在企業(yè)的成功應用和因此帶來的巨大經(jīng)濟效益促使人們不斷研究和發(fā)展新的理論和技術。近幾十年來，該鋇域不斷吸取科學技術發(fā)展酌新殘果，從理論到實際應用都有迅速的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為集數(shù)學、力學、振動分柝、信號處理、人工智能、電子技術等各種現(xiàn)代科學技術于一體的新興交叉學科，其研究內容主要反映在以下四個方面【1 】：( 1 ) 電機內部故障機理的研究：( 2 ) 故障信號處理技術的研究；( 3 ) 故障診斷方法的研究；( 4 ) 監(jiān)測、診斷儀器和系統(tǒng)的開發(fā)與研究。1 2 1 異步電機內部故障機理的研究現(xiàn)狀無論是對電機還是對其他電氣設備進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，都依賴于診斷對象進行深入的機理分析，弄清楚故障產生的原因、故障引起的各種征兆、故障的發(fā)展趨勢，甚至還有必要弄清故障對被測對象的性能所產生的影響吼國內外廣大學者對異步電機定子、轉子、繞組等典型故障的機理進行了大量的理論和實驗研究，得出了許多重要的結論，有效地指導了異步電機的監(jiān)測與診斷，但是大多數(shù)故障的動力學方程表現(xiàn)出非線性特征難以得出精確的解析解，而且不同的模型做的簡化和假設也不同，所得的近似解之間差剮很大，很難確定到底那一個模型更準確。所以目前異步電機故障診斷的核心問題仍是如何全面掌握電機的運行信息，分析各種故障的表現(xiàn)特征及對各種特征的識別。從而正確區(qū)分異步電機的各種故障，確定故障發(fā)生部位和程度。異步電機直接起動時，較大的起動電流和轉矩波動，可能造成端部繞組、轉子和軸承出現(xiàn)故障；主電路的電壓不平衡，會造成繞組故障；而且，較小的電壓不平衡，能引起數(shù)倍的電流不平衡a 異步電機的故障按其發(fā)生的部位，可分為軸承、定子繞組、轉子導條和端環(huán)、轉軸或聯(lián)軸器和外部裝置等5 類”1 。本文主要針對轉子斷條故障進行研究，因此下面著重分析轉子故障。轉子故障主要是：因負載脈動或電機直接起動，造成導條與端環(huán)聯(lián)結處斷裂，結果其它導條中的電流增加，可能導致更多的導條斷裂。轉子故障造成轉矩波動、轉速波動、振動、供電電流和軸向磁場中頻譜分量發(fā)生變化，并伴隨著噪音、轉子過熱、拉孤以及轉子疊片的損壞。電機的故障往往通過電機的運行表現(xiàn)出來，因此異步電機故障的分析一般通過對其運行狀態(tài)特性的分析來進行。分析方法一般有【6 l ：理論分析、試驗研究、仿真研究等。1理論分析：理論分析是應用一定的基本物理規(guī)律，對所分析的對象進行理論分析研究得出其運行規(guī)律的數(shù)學表達式，然后依靠數(shù)學知識和實際運行條件進行理論計算，得出所需要的分析結果的研究方法，其結果是一種數(shù)學解析表達式。國內外許多學者致力于這種方法的研究，也得到了一定的成果。如用電機振動中齒諧波來監(jiān)測異步電機轉子偏心，并通過理論分析得到電機轉子偏心所引起的齒槽諧波頻率的解析表達式p j 。2試驗研究法：試驗研究法是進行電機故障分析的重要方法之一i 】。它是在實驗室通過模擬電機進行故障動態(tài)模擬試驗的研究方法。對于那些不便于試驗、難以建立數(shù)學模型的故障分析，使用這種方法比較有優(yōu)勢，但是要模擬各種電機故障，還是比較困難的存在一定的局限性。3仿真研究：分為基于物理模型的物理仿真和基于數(shù)學模型的數(shù)字仿真。在電機故障分析中應用較多的有場路耦合法、坐標變換法和多回路法。由此可見，導致轉子故障的原因很多，由于時頻分析具有完善的數(shù)學方法去解決，河題的重點便放在轉子電流的頻譜變化上。即當異步電機轉子發(fā)生斷條故障，在定子電流頻譜中將感應出( 1 2 s ) f 的故障頻率分量，而利用異步電機起動過程中電流量值大，故障頻率分量將更加明顯這些內容將在第二章進行詳細的介紹。1 2 2 信號處理技術與診斷方法在故障診斷中的應用檢測信號如振動、噪聲、溫度、壓力、電流、電壓等，蘊含了反映電力設備運行狀態(tài)的重要信息- 但一般情況下很難直接觀察出信號的特征，應該采用合適的方法對檢測信號進行處理以提取敏感的反映故障征兆的特征【1 1 】。故障信號處理技術就是對這些檢測信號進行加工、變換，提取出對診斷有用的特征量，所以信號處理技術在整個故障診斷過程中是起著重要的橋梁作用。在電機故障診斷中主要有時、頻分析方法，神經(jīng)網(wǎng)絡方法以及基于證據(jù)理論的方法。1 ) 信號時、域分析方法的研究自適應濾波、時域平均與自相關分析是常用的幾種時域消噪方法，這些方法在消噪的同時保留了信號的時域特征，可用于分析信號特征。時間序列模型參數(shù)與統(tǒng)計分析參數(shù)是常用的信號時域特征參數(shù)提取方法，這些參數(shù)可用于電機故障診斷中；以快速傅立葉變換( f f t )為核心的頻域處理方法在工況監(jiān)視與故障診斷中發(fā)揮了巨大的作用，它包括：頻譜分析、相關分析、相干分析、傳遞函數(shù)分析、細化譜分析、時間序列分析、倒譜分析、包絡分析等：短時功率譜方法、時頻分布法( 如短時傅立葉變換) 、小波分析法，綜合時域與頻域來分析檢測信號特征。2 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法人們探索進化求解的原理來解決問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡就是基于這種思想來模擬生物大腦的信息處理功能而構成的計算模式。由于神經(jīng)網(wǎng)絡具有快速并行處理、聯(lián)想記憶、自組織和自學習以及非線性映射的能力，同現(xiàn)有的動態(tài)信號處理、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等診斷技術相2結合，為故障信號分析與處理、故障模式識別、故障診斷領域專家知識的組織和推理等提供了新方法。3 1d s 證據(jù)理論的方法d s 證據(jù)合成理論是目前多傳感器決策級融合算法中應用最廣泛的一種信息融合方法。d s 證據(jù)理論中提出的證據(jù)合成公式能將多個傳感器分別提供的有關目標對象l j 。將d s 證據(jù)理論應用于多傳感器數(shù)據(jù)融合時，從傳感器獲得的相關系數(shù)值就是該理論中的證據(jù)，它可構成待識別目標模式的信度函數(shù)( 也稱測度函數(shù)) 分配，表示每一個目標模式假設的可信程度，由此每一傳感器形成一個證據(jù)組，所謂多傳感器數(shù)據(jù)融合就是通過d s 聯(lián)合規(guī)則聯(lián)合兒個證據(jù)組形成一個新的綜合的證據(jù)組，即用d s 聯(lián)合規(guī)則聯(lián)合每個傳感器的信度函數(shù)分配形成融合的信度函數(shù)分配，從而為目標模式的決策提供綜合、準確的信息。1 2 3 故障診斷儀器與開發(fā)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀近些年來，隨著應用軟件的加速開發(fā)和新技術的廣泛應用，診斷儀器正以更快的速度向更高的層次發(fā)展。新一代智能儀器的問世和完善是科學儀器發(fā)展的必然趨勢。激光、超導、計算機技術以及各種成像、聯(lián)用和變換技術，使得診斷儀器靈敏度更高、分析速度更快、適用范圍更廣。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路及片狀元件的普遍采用，科學儀器將進一步實現(xiàn)體積小、重量輕、分析速度快并獲得更高的性能價格比，如數(shù)字信號處理器在電機故障診斷裝置中的應用得到了廣泛的推廣，診斷和監(jiān)鍘系統(tǒng)的大量的數(shù)據(jù)要求實時性、精確性地得到處理，與計算機及其它設備的兼容性的要求使數(shù)字信號處理器的優(yōu)勢得到了淋漓盡致的發(fā)揮，數(shù)字信號處理器的硬件化的算法、程序的可移植性更使診斷與監(jiān)測系統(tǒng)能得到不斷的升級、完善”4 1 ，正因為數(shù)字信號處理器的這些優(yōu)點在工業(yè)、航空、醫(yī)學等領域，數(shù)字信號處理器正在逐步淘汰單片機進行快速的、大量的、復雜的數(shù)據(jù)處理。我國分析診斷儀器工業(yè)經(jīng)過3 0 多年的發(fā)展，已具有一定研究、開發(fā)和生產能力，自主研制和生產過電鏡、質譜、色譜、光譜、波譜及電化學等多種診斷儀器。但目前專業(yè)生產分析儀器的骨干企業(yè)，現(xiàn)狀不很景氣。在深化改革的形勢下，涌現(xiàn)了一批技工貿結合的新型科學儀器公司。這些公司的人員主要來自研究所、大學和儀器廠家，大多具有高學歷和深厚的專業(yè)知識，可以較好地進行相關儀器的研制與開發(fā)而且選擇的目標同市場需要一致，很有發(fā)展前景。目前科學儀器發(fā)展面臨的主要問題是：a 儀器的性能指標和穩(wěn)定性、可靠性差b 國家對科學儀器研究開發(fā)的投入不夠c 沒有形成儀器開發(fā)同生產結合的機制因此加速診斷儀器和系統(tǒng)在我國的使用和開發(fā)，是現(xiàn)代化發(fā)展的迫切需要，對我國科技進步和經(jīng)濟、社會發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。本文介紹了1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 數(shù)字信號處理器在異步電機轉子斷條檢測中的應用，研制出電機故障的診斷裝置，并獲得了良好的效果，具有很高的經(jīng)濟實用價值。1 。3 本文的研究方向和主要內容本文研究課題方向是基于t c x a s i n s 吼m e n t 公司的1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片為核心對電機的定子電流進行采樣、數(shù)字濾波、f f t 變換，檢測具有轉子斷條電機由轉子繞組感應產生的( 1 2 s ) ，特征分量，判斷電機的運行性能及運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)電機運行中的異常信息或3早期故障。課題還完成與計算機的并口通訊，使數(shù)據(jù)在計算機中利用豐富的軟件資源進行進一步處理、研究。本課題預期完成大中型三相異步電動機的基于d s p 的故障診斷軟件包和電機故障診斷儀的設計與調試工作。本文著重分析了電機起動過程的定子電流時變信號的頻譜分析，使用短時傅立葉變換( s h o r t t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m ) ，作為分析手段，在實際測量中監(jiān)測起動電流中某一最佳頻率電流成分的變化，產生對故障診斷更為有效的信息，使整個系統(tǒng)的處理更為方便；并且對裝置系統(tǒng)的電路調試作了詳細地說明對裝置向產品的轉化起到了橋梁作用。本文的主要內容安排如下：1 ) 介紹了電機故障診斷技術研究的背景與實際意義，以及電機內部故障機理與診斷方法的研究現(xiàn)狀，包括國內故障診斷分析儀器的開發(fā)與生產能力。確立了論文的研究切入點，即使用信號的時、頻研究方法，通過分析電機定子電流的頻譜，診斷并發(fā)現(xiàn)轉子斷條故障。2 )從電機故障檢測與診斷裝置系統(tǒng)介紹了轉子斷條故障檢測的基本原理，以及基于數(shù)字信號處理器的故障檢測與診斷系統(tǒng)實現(xiàn)方法、組成與功能出發(fā)，提出了基于電流頻譜法的兩種診斷方法：其一是異步定子電流頻譜分析法，針對診斷穩(wěn)態(tài)運行中的帶較大負載的異步電機；其二是定子起動電流分析法，針對診斷在帶較輕負載，或空載情況下的異步電機。還對轉子故障診斷裝置系統(tǒng)的結構與功能作了詳細地說明。3 ) 重點講述了短時傅立葉算法在電機故障診斷中的應用。通過基本理論、仿真分析和實際測量的結果分析，驗證傅立葉算法、短時傅立葉算法，自適應濾波以及驗證軟件模塊、故障診斷方法的正確性?？偨Y歸納了三種抑制基頻泄漏的有效方法。給出了電機故障診斷軟件模塊在t i 公司t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片匯編語言的編制實現(xiàn)過程。4 ) 著重講述了電機轉子故障檢測儀的各部分模塊以及整個系統(tǒng)的調試與實現(xiàn)方法。包括故障面板顯示模塊、d s p 外部電源模塊、d s p 主電路板的調試、以及通過t 1c c s2 1 對電機轉子故障檢測電路軟件部分的調試等等。4第二章電機故障檢澳l 與診斷裝置系統(tǒng)電機故障檢測與診斷裝置系統(tǒng)要完成對異步電動機定子電流信號的采集、信號數(shù)據(jù)的分析和故障診斷等功能，能夠提前發(fā)現(xiàn)電機的早期故障，避免了災難性事故的發(fā)生，同時也為電機的維修提供參考意見。本章從異步電動機轉子斷條的機理入手，逐步闡明轉子斷條故障檢測的基本原理，以及基于數(shù)字信號處理器的故障檢測與診斷系統(tǒng)硬件模塊的實現(xiàn)、系統(tǒng)的組成與功能等。2 1 異步電動機轉子斷條的機理分析異步電動機轉子故障主要是導條斷裂或者端環(huán)開裂故障，這與轉予導條的結構、電機運行特點、轉子的所用材料有關。異步電機的轉子繞組是電機的副邊繞組它不是由電源直接供電，而是由定子繞組產生的磁通感應產生電能。電機轉子繞組中的感應電流大小與轉差率有關，異步電機在起動時，轉子繞組短時間內流過很大的起動電流，不僅承受很大的沖擊力，而且很快升溫，產生熱應力，端環(huán)還要承受較大的離心應力。反復的起動、運行、停轉，會使轉子導條受到循環(huán)熱應力和變形，由于各部分的位移量不同，受力不均勻，會使導條因為應力分布不均而斷裂。另外從電磁轉矩看，起動時韻加速力矩、工作對的驅動力矩均是有轉子導條產生的，電機制動時，導條又承受制動力矩。由于負載的變化和電壓波動時，轉子導條就要受到交變負荷的作用，容易產生疲勞【”。當導條的材料和焊接質量存在問題時。其斷裂故障更易產生。目前大中型籠型三相異步電動機轉子導條大多是由銅、鋁或二者的合金造成。在冷卻條件較差時。在電動機起動過程中，由于起動電流可達到額定電流的5 7 倍，重載和頻繁起動使轉子導條在較長時間內有很大的電流通過，致使轉子導條過熱，對于任意一種材料，一旦溫度達到熔點。都會造成災難性的后果。當轉子繞組發(fā)生斷條故障的時候，會出現(xiàn)很多電機特征量的變化，這樣給電機故障診斷提供了很多有力的依據(jù)，如電機起動時間加長：通過窺視孔時?？梢园l(fā)現(xiàn)電??；由于轉子導體過熱，造成電機局部溫度升高；定子電流擺動，轉子轉速波動，使整個電機產生振動。但是由于測量方法和儀器的限制，以上特征量都難以得到，在實際中經(jīng)常使用檢測定子電流信號，和頻譜分析的方法來檢測轉子斷條故障，下面將介紹這種方法基本原理依據(jù)。2 2 異步電機穩(wěn)態(tài)運行轉子斷條故障檢測的基本原理正常情況下，異步電機定子電流的頻率是單一的，即電源頻率，。當轉子導條斷條或者端環(huán)開裂時，即轉子繞組出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，當感應電機外施電壓時，定子三相繞組合成磁勢產生的氣隙磁勢，除了正轉分量以外，還出現(xiàn)反轉分量。由于轉子導條斷條產生的反轉氣隙磁勢分量，在定子繞組中產生( 1 2 s ) f 頻率電流分量( 故障特征量) 這是本課題轉子導條故障診斷的主要依據(jù)。且這一現(xiàn)象已被英國學者h a r g i s 等在理論上進行數(shù)學推導證實【2 】。設一臺極對數(shù)為p 的異步電動機，當電網(wǎng)頻率為，工作時定子繞組產生的磁動勢，其基波表達式為：m l = k 1 n l i ls i n ( c o t 一，臼)( 2 1 )式中k ，一與極對數(shù)，繞組系數(shù)有關常數(shù)n l 一定子繞組有效匝數(shù)： 一定子電流；國一電網(wǎng)角頻率，腳= 2 a f ；0 一以機械角度表示的初相角。轉子繞組相位角= 0 一曲，r式中c o 一轉子旋轉角速度-對于兩極( p = 1 ) 電機來說，其磁動勢( 2 2 )m l = k l 1 ，1s i n ( c o c o ， 一廬】( 2 3 )轉子轉速與定子旋轉磁場轉速之差即為轉差率，轉子繞組在定子旋轉磁場作用下，將感應電勢并產生電流。建立起一個與定子磁動勢相平衡的轉子磁勢，轉子磁動勢基波表達式為m 2 = k 2 n 2 2s i n 【( 一，一妒】( 2 - 4 )式中k 2 一與極對數(shù)和轉子繞組系數(shù)有關的常數(shù)：2 一轉子繞組匝數(shù)：，2 一轉予電流。當轉子繞組存在故障時，例如，有一根斷條時，轉子電流的磁動勢s i n 2 所調制，這時轉子磁動勢將變?yōu)橐韵卤磉_式；m 2 = k 2 n 2 ，2s i n 【( 國一， 一聲 s i n 2 ( 2 5 )因此聊：= 蔓：j 量 c 。s ( ( 1 9 - - ( o r v 一3 礦卜。( c o - - c _ d r ) f + 廬】( 2 6 )由于轉子磁動勢和定子磁動勢是相互平衡的，將( 2 2 ) 式代入，則得到反映到定子的磁勢的表達式：聊= 他= 掣警 c 。s 【 + 2 q ) r 一3 口卜c o s ( 0 - 2 0 , ) f + 口】( 2 _ 7 )對于兩極電機，其轉差率s = - 一即國，= ( 1 一s 徊6( 2 8 )( 2 9 )式( 2 - - 9 ) 代入式( 2 - - 7 ) 即得到由于轉子斷條反映到定子的磁勢表達式：州= m ：= 半 c 。s 【( 3 2 j 皿一3 口卜c 。s 【( 1 2 s 泗一口】( 2 - 1 0 )由上述推導，可以發(fā)現(xiàn)磁勢表達式中包含有兩個頻率( 3 2 s ) c o 與( 1 2 s ) c o 的磁動勢分量。前者在三相定子繞組中產生一個零序電動勢，對電源電流沒有影響。而后者將使異步電動機定子繞組電流中出現(xiàn)一個比電源頻率廠低2 s 的分量即頻率為( 1 2 s ) f 的分量。異步電動機轉子繞組斷條故障會在定子電流中產生頻率為( 1 2 s ) f 的邊頻帶，由于其調靠4 作用，定子電流將會出現(xiàn)節(jié)拍性變化，這樣的幅度周期變化的電流反作用在轉予上，產生兩倍轉差頻率2 s 的力矩，如果轉動慣量不是無窮大，就會引起轉子在速度上產生2 s 的速度干擾l l 3 j 。速度的擾動降低了在( 1 2 s ) c o 處的下單邊帶同時又產生了在( 1 + 2 s ) c o 處的上單邊帶，上下單邊帶被定子的三次諧波磁通的調制所增強，所以上下單邊帶的幅值對電源頻率( 基頻) 的幅值的比值大小可以推斷出轉子繞組的損壞程度，這就是本文依照上述原理所尋找出判斷電機轉子斷條故障的基本方法，即異步定子電流頻譜分析法。由該方法可以總結出以下三點：1 當轉子出現(xiàn)斷條，在定子電流中會感應出f 1 2 s ) f 故障頻率分量；2 故障頻率分量的位置與轉差率有關，即與電機的轉速有關；3 故障頻率分量幅值的太小和轉子的電流大小有關然而在數(shù)字信號處理時，往往在采樣中，由于電機轉差率s 很小，使得( 1 2 s ) f 與，很接近，再加上主頻泄漏的影響，往往會湮沒我們需要的故障特征量，給信號處理與故障判斷帶來困難【4 j 。因此在轉差率s 很小的情況下，如電機空載，或帶輕微負載的時候，我們必須尋找其他的解決方法。上節(jié)曾提到電機起動過程中，起動電流可達額定電流的5 7 倍，如果在起動過程中尋找故障特征量就應該比穩(wěn)態(tài)的時候顯著的多?，F(xiàn)在需要解決的問題便是如伺分析電機的起動過程這便是本文針對電流頻譜分析法的一個補充完善方法，即使用s t f t來進行電機起動過程的分析。這些內容和工作將在第二章的第3 節(jié)和第三章中給與詳細地介紹。2 3 異步電機起動過程轉子斷條故障檢測的基本原理上面一節(jié)分析了使用異步電流頻譜法分析電機故障的優(yōu)缺點，在電機穩(wěn)態(tài)運行，帶額定負載的時候，其診斷效果比較理想，然而在轉差率s 很小的情況下( 如空載) ，故障特征量變得很小f f t 的弊端也暴露出來，往往出現(xiàn)誤診斷。電機起動過程中包含了非常豐富的信息，國內外學者已經(jīng)在這方面進行了一定深度的研究，并提出了一些新的電機故障診斷方法口】。本節(jié)主要集中在電機起動過程中的基本故障特征量的提取與分析上。通過分析起動過程中。電機轉子故障對定子電流時域波形的影響、轉子繞組故障時故障特征量的變化以及定子起動電流中特定分量，提出了問題關鍵點所在，并研究出種適合于電機起動過程的轉子故障分析方法。2 3 1 轉子繞組故障對定子起動電流時域波形的影響本節(jié)使用無錫華達電機廠生產的y 9 0 s 一4 型三相雙鼠籠轉子感應電動機，以該異步電7動機為例進行了m a t l a b 仿真計算和實驗測試。對于仿真的具體實現(xiàn)方法將在第三章第4 節(jié)給予詳細說明。對于良好的異步電機，起動時轉差率s 大，轉子電流大，從而定子繞組中的電流也很大，隨著電機的轉速提高，轉差率逐漸變小，如圖2 - l 。因此定子繞組電流在整個時域上起變化應該是平緩的：圖2 1 無故障電機起動時域波形當轉子發(fā)生斷條故障的時候，定子電流被( 1 2 s ) f 的故障特征量所疊加，而s 隨時間是由大變小的，因此在整個起動過程中，電流的波形將變得不規(guī)則，如圖2 - 2 。在這里也要指出，穩(wěn)態(tài)時候定子電流也被( 1 2 s ) f 所疊加，但因其數(shù)值較小，沒有起動過程中明顯，但也能觀測到。圖2 - 2 故障電機起動時域波形2 3 2 轉子繞組故障時故障特征量的變化異步電機起動過程中，轉差率s 是在不斷變化的，由轉予不對稱所感應的( 1 2 s ) ，分量的頻率也是不斷變化的吼電機剛開始起動時，轉速為0 ，轉差率s 為1 ，故障頻率分量應為5 0 h z ：隨著轉速的上升，當轉差率等于0 5 時，故障頻率分量就為o h z ；轉速繼續(xù)上升直到起動過程結束，穩(wěn)定在工作條件下，例如等于0 0 3 ，故障頻率分量就等于4 7 h z 。由于時域周期性信號在頻域也是周期性的，因此在5 0 h z 與5 0 h z 頻譜對稱，實際中我們就考慮頻率5 0 h z 的頻譜，就可以發(fā)現(xiàn)，在異步電機起動過程中，隨著時間的變化，故障頻率應該從5 0 h z 到0 h z ，再從0 h z 到很接近5 0 h z 的一個過程。5 0 h z：二圓圈蘭：罵i臣圖2 - 3 起動過程中轉差率與故障特征量的變化由于電機正常起動過程時間很短，我們采用降壓起動，電源電壓保持在1 0 0 v 左右，起動時間大概在2 0 秒鐘，這樣可以在起動過程的時頻圖上觀察到這一現(xiàn)象。圖2 - 4 轉子故障電機起動過程時、頻、幅值3 d 圖( m a r l a bm e s h 仿真圖形)由上面兩幅圖，我們就可以觀察到具有轉子斷條故障電機的定子電流故障信號量在整個時間軸上變化是一個回歸的規(guī)程( 5 0 h z 專o h z 接近5 0 h z ) ，也就是說對于每一個o h z 5 0 h z之間的頻率分量其起動過程中將出現(xiàn)兩個峰峰值：如圖選取2 l h z 分量作為參考。9圖2 - 5 起動過程中2 1 h z 分量的變化( 說明：本圖使用實驗室自己編制的電機故障診斷軟件結合實測數(shù)據(jù)所得。在后面的章節(jié)里將使用本課題研究的故障診斷裝置進行實際測量計算。)而良好的異步電機在起動過程的時頻分析中，每一個0 h z 一5 0 h z 之間的頻率分量將只產生一個峰峰值將在后面的章節(jié)加以證明。由上面分析，我們可以得出以下結論：1 當轉子出現(xiàn)斷條，在定子起動電流中的故障頻率分量變化呈現(xiàn)回歸過程。而無故障電機則沒有這個回歸變化過程。2 轉子斷條故障電機，定子起動電流中每一個在0 - 5 0 h z 的頻率分量隨時間變化呈兩次峰峰值，而無故障電機則只有一個峰峰值。3 故障電機定子起動電流頻率分量的兩個峰峰值便是該時刻的故障特征量。這樣解決問題的關鍵就歸結到尋找特定頻率分量的在起動過程中的變化，判斷其出現(xiàn)峰峰值的個數(shù)，這也是本課題對于分析電機起動過程，診斷電機轉子斷條故障的主要依據(jù)。2 3 3 起動過程中定子電流最佳特定頻率分量在起動過程中分析對于電流中的頻率分量的變化，可以診斷轉子的斷條故障，但是在實際測量中，如果能檢測某一最佳頻率變化，能產生對故障診斷更為有效的信息，有利于故障診斷系統(tǒng)的處理。由圖2 4 ，可以觀察到，定子起動電流頻率分量從5 0 h z 到0 h z 移動過程中，所對應的兩個峰峰值之間的距離隨時間線性減小，到0 h z 時兩者重合。在5 0 h z 附近的故障特征量由于受到頻率邊緣泄漏的影響，給觀測與計算帶來困難；同樣在0 h z 附近由于兩個波峰之間的距離也接近0 ，也不利于故障診斷。另外由于短時傅立葉計算窗數(shù)的限制，其時域分辨率也將受到限制。實驗表明，在0 - - 5 0 i - i z 中間這段，即2 5 h z 附近，將受到以上因素的影響很小- 在實際中，根據(jù)頻率分辨率的精度來選取合適的最佳頻率，比如短時傅立葉計算窗的長度為5 1 2 ，而采樣頻率為1 0 2 4 h z ，則頻率分辨率為：a f = 1 0 2 4 5 1 2 = 2 h z , 這樣可以選擇2 4 h z或2 6 h z 為最佳特定頻率分量。l o2 4 診斷裝置系統(tǒng)的組成結構與功能數(shù)據(jù)處理的硬件化發(fā)展( 數(shù)字信號處理器) 也為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了強有力的硬件支撐，也為快速的實時性、就地性的數(shù)據(jù)處理提供了保證。通過以上3 節(jié)對電機轉子斷條故障的機理以及檢測原理的分析，我們開發(fā)出了基于數(shù)字信號處理器的電機轉子斷條故障診斷裝置。該裝置系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、故障信號處理模塊和故障診斷模塊。下面將從系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，以及系統(tǒng)各個模塊結構功能對裝置進行介紹。2 4 1 裝鼉系統(tǒng)的c p u 的選擇目前應用比較廣泛?？晒┻x擇作為c p u 的芯片和多，如單片機系列主要有：c 5 1 系列、n 公司的m s p 4 3 0 系列、摩托羅拉的m c 6 8 系列。單片機的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1產品價格低廉，性價比較高：2產品應用普遍，開發(fā)周期短，見效快；3能滿足常用的應用要求，便于更新；4能方便地與計算機進行通訊；5能有效的進行端口的擴展。但是，盡管擁有如此多的優(yōu)點，在數(shù)據(jù)處理復雜的應用中，單片機就不能盡其善，暴露出了一系列的缺點、弱點：1單片機的c p u 主頻較低，一般只在幾十兆赫茲以下：2采用傳統(tǒng)的馮諾曼結構，這種結構是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲器。數(shù)據(jù)吞吐率較低1 6 1 ：3不能進行比較復雜的數(shù)學運算；4不能進行眾多的數(shù)字信號處理，如f f t 、數(shù)字濾波、相關性計算等等，只適合進行不太復雜的數(shù)字信號處理，如數(shù)字控制等：5與計算機及其它設施通訊端口不夠豐富，通訊速率較低：6片內資源不夠豐富，不能很好地適應當前的大容量的數(shù)字信號處理。d s p ( 數(shù)字信號處理器) 是隨著數(shù)字信號處理技術應用而發(fā)展的，如t i 公司的t m s 3 2 0系列。在通信、計算機、控制等領域得到了越來越廣泛的應用，特別是通信領域，d s p 芯片的應用已經(jīng)是相當?shù)钠占?，這主要得益于d s p 的結構上的一些特征和體現(xiàn)出來的特點【6 】：1d s p 芯片采用哈佛結構，是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼結構的并行體系結構，程序和數(shù)據(jù)存儲于不同的存儲空間中，系統(tǒng)中設置了數(shù)據(jù)總線和地址總線兩條總線，數(shù)據(jù)吞吐率高；2與哈佛結構相關，采用流水線操作，減小指令執(zhí)行時間，增強了處理器的處理能力：3具有專用的硬件乘法器，乘法速度快，處理器的性能高；4具有特殊的數(shù)字信號處理指令；5c p u 主頻高，指令周期短：6具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復雜的數(shù)字信號處理；7具有豐富的片內硬件資源，接口方便；8可編程性強，集成方便口】。另外，d s p 主要用來處理數(shù)字信號的，它具有數(shù)字處理的穩(wěn)定性好、精度高、可重復性好等優(yōu)點。它是一種特別適含于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，能夠實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。本課題耍判斷電機故障特征量的存在需要進行大量的數(shù)據(jù)處理。另外本故障診斷裝置要求能脫離計算機就地即時判斷故障診斷結果。同時能快速的與計算機通訊，由此，d s p 滿足故障診斷裝置的核心c p u 的選擇需求。于是我們就選用t 1 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作為裝置的核心c p u 。2 4 2d s p 的選型目前市場上主要的d s p 芯片生產上包括t 1 、a d i 、m o r t o r o l a 。等，其中t i 占有最大市場份額。產品包括了從低端的低速度d s p 到高端的大運算量的d s p 產品。目前，廣泛使用的t id s p 有三個系列：c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 、c 6 0 0 0 ( c 3 x 也有使用) ，其它型號都基本淘汰。需要提醒注意的是：在t i 的d s p 中，同一系列中不同型號的d s p 都具有相同的d s p 核，相同或兼容的匯編指令系統(tǒng)其差別僅在于片內存儲器的大小，外設資源。在具體的開發(fā)中，根據(jù)所設計的系統(tǒng)要求和攝終產品的成本估算，一般要從片內存儲器的大小和類型、提供外設能力的高低、存儲器的外擴能力、芯片的運算能力、功耗分裝等發(fā)面進行考慮。例如本便攜式電機轉子斷條故障診斷系統(tǒng)采用的c 5 0 0 0 系列片f q r a m l 6 k ，提供同步串e l ，功耗最低，適合于便攜式的系統(tǒng)。2 4 3 轉子斷條故障診斷系統(tǒng)的組成“1j 電機抗混a d吲掣并p c 機m 鬈!疊濾轉波器換口診斷i：厶器dt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2b通系統(tǒng)訊一，l r 信號采集模塊并口通訊模塊圖2 - 6 故障診斷裝囂的系統(tǒng)結構圖一個典型的d s p 系統(tǒng)主要包括以下幾個部分p j ：抗混疊濾波、a d 、d s p 芯片、d i a 、平滑濾波等。本裝置系統(tǒng)也就基于以上思想設計出的，如圖2 - 6 。按實際需要，系統(tǒng)擴充了信號采集、存儲器和并口通訊系統(tǒng)，方便了裝置與p c 機診斷系統(tǒng)之間的通訊與數(shù)據(jù)交換。另外還自行設計了系統(tǒng)的電源模塊。這里將系統(tǒng)劃分為四大模塊：信號采集模塊、信號處理與故障診斷模塊、并日通訊模塊、電源模塊如圖2 - 6 。下面逐一介紹各個模塊的結構功能及其實現(xiàn)過程。1 ) 信號采集模塊信號采集模塊的功能是采集電機定子電流信號，使得電流信號轉化為電壓信號。電壓信號經(jīng)過抗混疊濾波和模數(shù)轉換器進入數(shù)字信號處理器d s p ，轉換為數(shù)字信號貯存在s r a m中。信號采集模塊為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，是系統(tǒng)運行的基礎。首先負責電流信號采集的是電流互感器。通常采集電流信號是通過采樣電阻將電流信號轉換成電壓信號，然后再通過a d 轉換器轉換成數(shù)字信號t g l ，而本裝置系統(tǒng)主要使用在電1 2廠、工礦企業(yè)等場合，被測電機都是大容量電動機，功率都在幾百千瓦，額定電流接近1 0 0 a 。這樣絕對不可能使用普通的信號采集方法，直接在一次測進行采樣；如果在二次側通過電流互感器后面串電阻，電流還是比較大，尤其是電機起動過程中，這就對采樣電阻提出了很高的要求。并且按照電廠安全規(guī)則規(guī)定電流互感器二次側不準開路，顯然這樣的方法是生產實際所不能采用的。所以采樣電阻的方法在本裝置中是不適合的。為了實現(xiàn)電氣隔離和現(xiàn)場實際的需要，本系統(tǒng)中采用的是如圖2 7 所示的交流電流轉換器，該儀器是深圳華誼儀表公司生產的m 9 7 a 鉗形電流變換器。使用時只需要把轉換器夾在特測電流的導線上，轉換器通過霍爾效應根據(jù)電流的大小輸出電壓信號，絲毫不影響原來的線路，使用簡單而且安全可靠，非常適合便攜設備使用。圖2 7m 9 7 a 交流電流互感器1 錨口( 拾取電流電流) 2 把手3 扳機( 按此扳機打開鉗頭)接著由交流電流互感器轉換出的電壓信號便將交給模數(shù)轉換器處理，然而模數(shù)( a d )轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號，但對輸入的模擬信號有一定的要求，要求電壓在一5 v - - + 5 v 之間，所以從傳感器下來的信號需要經(jīng)過調理，轉化成標準的模擬信號進入a d轉換器在本系統(tǒng)中的信號調理板具有抗干擾、濾高次諧波、放大、抗混疊等功能，將電流轉換器下來的電壓信號轉換成標準的模擬信號輸入到模數(shù)轉換器。圖2 - 8 為信號調理電路的原理圖。幽2 - 8 信號調理板原理圖經(jīng)過調理的電壓信號便進入了模數(shù)轉換器( a d ) ，它是本系統(tǒng)的重要模塊，其轉換信號的精度直接影響到裝置的診斷最終結果。由于故障特征量的幅值與基波幅值相差可達6 0 d b ，因此模數(shù)轉換器精度的精度須在1 2 位以上。我們采用t i 公司的t h s l 4 f 0 1a d ，其轉換精度高達1 4 位，滿足系統(tǒng)的測量要求。電壓信號輸入方式采用全差分輸入法，如圖2 - 9所示。圖2 - 9全差分輸入法采用了一片放大器芯片l f 3 5 6 和t h s l 4 f 0 1 組成信號的輸入轉換電路，用l f 3 5 6 放大器芯片構成差分輸入，進入t h s l 4 f 0 1 模數(shù)轉換器。如圖2 1 0 所示圈2 1 0a i d 全差分輸入原理圖由于t h s l 4 f 0 1 為正極