基于定子逆序的電機(jī)同步速變換故障檢測(cè)算法

方俊++周偉

摘 要 利用三相改進(jìn)型相關(guān)算法提取定子三相電流的基波信息，結(jié)合電機(jī)先天不平衡因素對(duì)電機(jī)故障的影響，電機(jī)故障進(jìn)行檢測(cè)在噪聲和大量諧波同時(shí)存在的情況下進(jìn)行，依據(jù)直角坐標(biāo)系合成矢量幅值，提出電機(jī)定子電流負(fù)序分量轉(zhuǎn)化為直流分量算法，能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)算法切實(shí)可行，工程應(yīng)用時(shí)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單可靠，便于硬件實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】定子逆序 故障檢測(cè) 電機(jī) 同步速變換

電機(jī)的定子繞組匝間短路故障檢測(cè)中，得到正交坐標(biāo)系下的合成矢量，通過均值濾波法濾除基波分量中的正序分量，負(fù)序分量轉(zhuǎn)換成直流分量，電流基波分量中正序分量轉(zhuǎn)換成二倍頻的交流分量采用逆序同步坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)，提取出定子電流信號(hào)的基波分量，改進(jìn)相關(guān)算法來檢測(cè)電機(jī)定子繞組匝間短路故障的思路，噪聲嚴(yán)重影響了定子早期故障診斷結(jié)果，針對(duì)電流信號(hào)中存在大量諧波，采集電機(jī)的三相定子電流，利用三相改進(jìn)型相關(guān)算法濾除噪聲和高次諧波的影響。

1 異步電機(jī)定子匝間故障檢測(cè)

1.1 三相改進(jìn)型算法定子匝間故障檢測(cè)

假設(shè)電機(jī)三相定子電流信號(hào)xA（t）、xB（t）和xC（t）分別為：

公式（1）、公式（2）和公式（3）中，被測(cè)三相定子電流信號(hào)中的高次諧波及其它噪聲合成分量為NA（t）、NB（t）和NC（t），三相基波分量相位信息為φA、φB和φC，三相基波分量幅值信息為IAFM、IBFM和ICFM。

測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流IN作為參考信號(hào)的有效信息初步選定，基波分量同頻的參考信號(hào)，構(gòu)造與被測(cè)異步電動(dòng)機(jī)定子電壓信號(hào)，其具體參考信號(hào)為：

1.2 逆序同步速變換定子故障檢測(cè)應(yīng)用

直流數(shù)據(jù)量提取和濾除數(shù)字信號(hào)處理相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，為故障的檢測(cè)提供了一種新的思路，提取電機(jī)故障時(shí)的故障特征分量，電機(jī)故障的檢測(cè)和診斷中引入了逆序同步速坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。有效的減少采用均值濾波算法時(shí)帶來的誤差，采用整周期采樣，得到表征定子繞組匝間短路的故障特征分量。本設(shè)計(jì)算法主要用于檢測(cè)異步籠型電機(jī)的定子繞組匝間短路故障，進(jìn)行故障分析的數(shù)據(jù)采集，采用均值濾波方法濾除基波分量中的正序分量，得到變換到逆序坐標(biāo)系下的特征表達(dá)式，提取的基波分量與逆序同步坐標(biāo)變換矩陣相互運(yùn)算，改進(jìn)型相關(guān)算法從定子電流檢測(cè)，同步坐標(biāo)變換的矩陣表達(dá)式如下。

公式（5）中θ為繞組軸線的夾角，定子與直軸分量軸線同步坐標(biāo)變換時(shí)產(chǎn)生。此時(shí)，θ=ωt+θ0，其中，供電電源角頻率是ω，θ0為t=0時(shí)刻初始夾角。電機(jī)正常工作時(shí)，針對(duì)故障特征量的影響，克服了電機(jī)本身不對(duì)稱時(shí)靈敏度因子為零的情況，計(jì)算得出合成矢量相同。電機(jī)匝間短路嚴(yán)重情況出現(xiàn)時(shí)，計(jì)算靈敏度因子也隨著增加，負(fù)序電流故障程度增加呈上升趨勢(shì)，定子電流負(fù)序分量所占的比重就越大。所以，故障檢測(cè)算法能正確反應(yīng)電機(jī)定子繞組的匝間短路嚴(yán)重程度。

2 定子繞組匝間故障診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)電機(jī)正常、六匝短路故障兩種情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試電機(jī)主要參數(shù)設(shè)置為額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定頻率50Hz，額定功率1.1kW，額定電流2.8A，額定電壓380V。三相電流無故障基波信號(hào)如圖1所示，三相電流六匝短路故障基波信號(hào)如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

采用逆序同步坐標(biāo)變換提取基波信號(hào)，電機(jī)正常、六匝短路故障情況下，計(jì)算靈敏度因子、合成負(fù)序分量、交軸負(fù)序分量、直軸負(fù)序分量、相基波分量的相位和相基波分量的有效值結(jié)果如表1所示。

表1采用Matlab構(gòu)造三相定子電流波形，準(zhǔn)確反映出電機(jī)故障的那個(gè)兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采樣參數(shù)，采樣頻率處于低位時(shí)值減少。針對(duì)這個(gè)問題，采樣頻率設(shè)定為3.2kHz，仿真參數(shù)的數(shù)據(jù)長度給出了故障檢測(cè)算法解決思路。仿真實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)三相定子電流，驗(yàn)證電機(jī)定子繞組發(fā)生六匝短路故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，驗(yàn)證均值濾波算法和逆序坐標(biāo)變換的準(zhǔn)確性，采用均值濾波法精確濾除正序分量計(jì)算數(shù)值，基波分量中的正序分量轉(zhuǎn)化為兩倍工頻的交流分量，提取基波分量進(jìn)行逆序同步坐標(biāo)變換改進(jìn)型相關(guān)算法，電機(jī)定子繞組匝間短路故障的嚴(yán)重程度得到了深刻的體現(xiàn)，選取的靈敏因子能夠切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)負(fù)載相同情況下靈敏度因子呈上升趨勢(shì)，定子繞組匝間短路故障程度檢測(cè)算法可靠性增增加。

參考文獻(xiàn)

[1]侯新國，卜樂平，邵英.帶變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)故障診斷研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15（08）：23-28.

[2]胡文彪，夏立，吳正國等.感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)了故障特征在交直交變頻器中的傳播[J].振動(dòng)·測(cè)試與診斷，2010，30（04）：418-421.

[3]許允之，許璟，郭西進(jìn).采用小波變換與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的電機(jī)故障模糊診斷系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（05）：48-51.

[4]安國慶，劉教民，郭立煒等.利用相關(guān)性基波消去法診斷電機(jī)轉(zhuǎn)了斷條故障[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15（03）：69-73.

[5]安國慶，劉教民，劉玉坤，梁永春.相關(guān)性消去法診斷變頻電源籠型電機(jī)斷條故障[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16（03）：47-52.

作者簡(jiǎn)介

方俊，男，河南省南陽市人。大學(xué)本科學(xué)歷。初級(jí)工程師?，F(xiàn)為六安市微特電機(jī)有限責(zé)任公司技術(shù)部副部長。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造（電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝工裝、模具設(shè)計(jì)）。

作者單位

六安市微特電機(jī)有限責(zé)任公司技術(shù)部 安徽省六安市 237000