專利名稱：異步電動機故障檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種故障檢測裝置，尤其是涉及一種三相異步電動機的故障檢測裝置 及其檢測方法。
背景技術(shù)：
作為傳動機械，異步電動機廣泛應(yīng)用于各型之中，其安全運行是至關(guān)重要的。實現(xiàn) 異步電動機初期故障的可靠檢測，有助于合理安排、組織主動維修、預(yù)知維修，避免事故停 機，因而具有重要意義。異步電動機故障主要包括定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條與軸承故障，發(fā)生概率分 別約為 15%U0%,40%o針對于定子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)來說，目前，主要存在三種檢測方案；(1) 通過探測異步電動機軸向漏磁通并分析其諧波成分對匝間短路故障進行檢測。但是需要安 裝磁通探測線圈與定位輔助線圈，該方法并不實用；(2)通過測量異步電動機定子電流負 序分量，判斷匝間短路故障是否發(fā)生及其嚴重程度。這一方法考慮了異步電動機供電電壓 不平衡、負荷變化等因素對匝間短路故障檢測的影響，因而具有實用性。但是該方法在工程 實際中不能正確識別異步電動機轉(zhuǎn)子斷條與定子繞組匝間短路故障。(3)異步電動機定子 某相繞組發(fā)生匝間短路故障后，定子三相電流相位對稱關(guān)系遭到破壞，因而定子三相電流 彼此間的相位差可以作為匝間短路故障特征量。但是，在實際情況下異步電動機定子三相 電壓在相位關(guān)系上也存在一定程度不對稱，這同樣影響定子三相電流相位對稱關(guān)系，應(yīng)此 該方法也不能準備判斷匝間短路故障。針對于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子斷條故障檢測技術(shù)方案來說，目前主要存在三種檢測方法(1) 轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)估計法，該方法基于如下假設(shè)異步電動機一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障其轉(zhuǎn)子等 效電阻阻值增加。但是異步電動機轉(zhuǎn)子溫度同樣影響轉(zhuǎn)子等效電阻阻值，因而在檢測轉(zhuǎn)子 斷條故障時，必須對轉(zhuǎn)子等效電阻阻值進行溫度補償，這在一定程度上影響了轉(zhuǎn)子電阻參 數(shù)估計方法的實用性；( 定子電流頻譜分析，該方法是對穩(wěn)態(tài)定子電流信號直接進行頻 譜分析，根據(jù)頻譜圖中是否存在(lis)。頻率分量判斷轉(zhuǎn)子有無斷條，由于轉(zhuǎn)子輕微斷條 時(IIs)A分量的幅值相對于Π分量非常小，而異步電動機運行時轉(zhuǎn)差率s很小，(l-2s) f與fl這兩個頻率數(shù)值接近，采用自適應(yīng)濾波方法抵消定子電流Π頻率分量之后，再進行 頻譜分析，這可以在頻譜圖中突出轉(zhuǎn)子斷條故障特征分量(1_28)4頻率分量，從而大幅提 高轉(zhuǎn)子斷條故障檢測靈敏度。然而，實際異步電動機在運行過程中由于工藝制造及安裝原 因即使其轉(zhuǎn)子正常在定子電流中仍然存在(1-28)4、(1+28)1及其它頻率分量，因而可能 導(dǎo)致上述轉(zhuǎn)子斷條故障檢測方法做出錯誤判斷；C3)啟動電流時變頻譜分析方法，該方法 為采集異步電動機在啟動過程中的定子電流信號，對其做分段頻譜分析獲取時變頻譜，據(jù) 此判斷轉(zhuǎn)子有無斷條。該方法具備獨特優(yōu)點，但是，必須等待電機啟動方能應(yīng)用是該方法的 不足之處。針對于現(xiàn)有的軸承故障檢測技術(shù)來說，其技術(shù)方案為；(1)振動信號頻譜分析，該方法采集軸承時域振動信號并變換至頻域，進而將頻域振動信號與軸承所固有的頻域振動 特性對比，以判斷軸承故障發(fā)生與否。但該方法需裝設(shè)振動傳感器，而振動傳感器造價高、 容易損壞，這就限制了該方法的進一步推廣應(yīng)用。由于現(xiàn)有的針對于定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條與軸承故障檢測的技術(shù)均存在一 定的局限性，且無法準確、可靠的區(qū)分故障類型，不利于異步電動機故障的及時檢測和維 修，將會影響采用異步電動機進行工作的裝置的正常運轉(zhuǎn)。因此，研制具有兼具高靈敏度與 高可靠性的故障檢測方法，實現(xiàn)異步電動機初期故障準確檢測是目前的迫切要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是，采用在線檢測裝置對異步電動機初期故障進行檢測過程 中，以易于采集的定子電壓、定子電流信號作為分析媒介，高靈敏度、高可靠性地實現(xiàn)定子 繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條與軸承故障檢測。具體而言，采用定子負序視在阻抗濾波值及定子視在阻抗角作為故障特征，結(jié)合 樣本學(xué)習(xí)與檢測閾值自整定技術(shù)，高靈敏度、高可靠性地檢測異步電動機定子繞組匝間短 路故障；采用定子電流(1士 )1、IfiimfvI頻率分量作為故障特征，將小波分析、連續(xù)細 化傅里葉變換、自適應(yīng)濾波、轉(zhuǎn)子齒槽諧波轉(zhuǎn)差率估計、檢測閾值自整定技術(shù)有機結(jié)合，高 靈敏度、高可靠性地檢測異步電動機轉(zhuǎn)子斷條與軸承故障。本發(fā)明的故障檢測裝置，其用于對電動機的初步故障進行檢測，該故障檢測裝置 包括電壓采集儀器，其用于對電動機的電壓信號進行采集；電流采集儀器，其用于對電動 機的電流信號進行采集；信號采集系統(tǒng)和故障分析處理系統(tǒng)，其特征在于所述電壓采集 儀器和電流采集儀器與該信號采集系統(tǒng)相連接，該信號采集系統(tǒng)將采集的電壓信號和電流 信號處理后傳送到故障分析處理系統(tǒng)，該故障分析處理系統(tǒng)對由信號采集系統(tǒng)傳送來的數(shù) 據(jù)進行計算、分析和處理進而獲得異步電動機的狀態(tài)信息。所述電壓采集儀器為電壓變換器，所述電流采集儀器為鉗形電流表。所述信號采集系統(tǒng)包括CPLD控制器、光電隔離與保護電路、AD轉(zhuǎn)換器和USB接口。所述故障分析處理系統(tǒng)為包含初發(fā)故障檢測軟件的單片機或配置有ARM處理器 的核心電路板。所述信號采集系統(tǒng)將由電壓采集儀器和電流采集儀器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號從USB 口輸出到故障分析處理系統(tǒng)。本發(fā)明的故障檢測方法，其用于對電動機的故障進行檢測，采用所述的故障檢測 裝置，其特征在于；對電動機的電壓和電流測量，根據(jù)測量結(jié)果獲得匝間短路故障、轉(zhuǎn)子斷 條與軸承故障的故障指數(shù)。通過應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計正常電機的定子負序?qū)Ъ{平均值，計算當前定子負序 導(dǎo)納平均值，將估計值和故障分析處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比，判斷是否存在匝間短路故障。通過連續(xù)細化傅立葉變換精確確定定子電流基波頻率及定子電流基波分量精 確解析表達式，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定定子電壓、定子電流、輸入功率與電機轉(zhuǎn)差率之間的映射關(guān) 系，自適應(yīng)濾波提取定子電流(IIs)A邊頻分量作為轉(zhuǎn)子斷條故障特征，判斷檢測轉(zhuǎn)子斷 條故障。通過連續(xù)細化傅立葉變換、自適應(yīng)濾波、轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)差率估計、檢測閾值自整定技術(shù)有機結(jié)合，對軸承故障進行檢測，并給出故障指數(shù)。對三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條與定子繞組匝間短路故障進行聯(lián)合檢測以避免誤判。本發(fā)明的異步電動機初期故障檢測裝置能夠在線測量三相異步電動機定子電壓 和定子電流，并通過分析定子負序視在阻抗和定子電流(1士&)1、IfiimfvI頻率分量，得 出定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和軸承的故障指數(shù)，為分析異步電動機初期故障提供依據(jù)，為電機的 維護維修提出建議。同時能夠得到定子負序電壓電流波形、轉(zhuǎn)子故障檢測特征頻譜和軸承 故障檢測特征頻譜，這些圖譜能夠輔助分析電機故障隱患情況。本發(fā)明的故障檢測裝置能夠存儲電機故障歷史數(shù)據(jù)、生成電機故障歷史趨勢曲 線、生成電機參數(shù)運行報表，能夠根據(jù)初期故障檢測結(jié)果給出維修建議。


圖1檢測裝置基本組成框2信號采集系統(tǒng)框3阻容元件圖4異步電動機定子回路模型圖5三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路模型圖6定子繞組匝間短路故障模型圖7自適應(yīng)濾波圖8轉(zhuǎn)子斷條故障檢測流程圖9定子繞組匝間短路故障檢測流程
具體實施例方式為了方便說明，結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明進行進一步的解釋。本發(fā)明異步電動機的故障檢測裝置包括對電壓信號采集的3個電壓采集儀器， 優(yōu)選采用電壓變換器；對電流采集的電流采集儀器，優(yōu)選采用鉗形電流表；所述的電壓采 集儀器和電流采集儀器與信號采集系統(tǒng)相連接，該信號采集系統(tǒng)優(yōu)選采用信號采集、模數(shù) 轉(zhuǎn)換卡，從信號采集系統(tǒng)得到的電動機運行參數(shù)信號傳送到故障分析處理系統(tǒng)中，優(yōu)選該 故障分析處理系統(tǒng)為包含初發(fā)故障檢測軟件的單片機或配置有ARM處理器的核心電路板， 該核心電路板為優(yōu)選如圖1所示的基于ARM微處理器的嵌入式硬件平臺，該平臺中包括有 USB數(shù)字輸入接口、串行通信接口、調(diào)試端口、存儲設(shè)備、基于ARM架構(gòu)的32位微處理器、相 關(guān)總線和協(xié)議、以及輸入鍵盤等部分。由故障分析處理系統(tǒng)中的初步故障檢測軟件對數(shù)據(jù) 進行計算、分析和處理進而獲得異步電動機的狀態(tài)信息，參見圖1。圖2為信號采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，在使用過程中，該信號采集系統(tǒng)使用屏蔽金屬 外殼，防止電磁干擾造成采集誤差。利用屏蔽電纜作信號傳輸線，防止信號傳輸過程中的干 擾和電磁輻射。采用光電隔離器件，將異步電動機電路、檢測電路與單片機或核心電路板隔 離。信號采集就是將三相異步電動機運行三相電壓和三相電流在線實時采集，為后續(xù)分析 檢測故障做準備。如圖2所示，被測三相異步電動機定子運行三相電壓和電流分別經(jīng)三個電壓互感 器和電流互感器送數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在CPLD為核心的控制器控制下，進行實時同步電機電壓電流的數(shù)據(jù)采集，同時將采集結(jié)果通過USB接口上傳到單片機或核心電路 板，單片機或核心電路板將采集結(jié)果存儲。采集結(jié)束后，由初發(fā)故障檢測軟件分析采集數(shù) 據(jù)，并給出故障指數(shù)和維修建議。對于信號采集系統(tǒng)來說，三相電壓信號和電流信號首先要經(jīng)過變換才能送入單片 機或核心電路板進行處理和運算，這些變換包括電壓、電流互感器變換為較小的模擬信 號，信號采集系統(tǒng)再將模擬信號高速變換為數(shù)字量，通過USB串行口送單片機或核心電路 板。優(yōu)選電壓互感器采用高精度信號變壓器PT1、PT2、PT3。優(yōu)選電流互感器采用法國CHAUVIN ARNOUX公司生產(chǎn)的MN39型電壓傳感器，將電 壓和電流信號變換為直流O 2V模擬信號，分別為CT1、CT2和CT3。如圖2所示。6路模擬量(三相定子電壓和電流)經(jīng)光電隔離與保護電路送AD轉(zhuǎn) 換。光電隔離與保護電路的作用為實現(xiàn)三相定子電壓、電流與檢測裝置的隔離，防止檢測裝 置反向影響三相異步電動機。阻容元件電路如圖3所示，其作用有二，一是濾除信號處理與 傳輸過程中的高頻干擾；一是外部數(shù)據(jù)斷線時，保證采集結(jié)果為0。信號調(diào)理與程控放大單元作用為根據(jù)輸入模擬信號的大小，自動選擇放大電路放 大倍數(shù)，自動實現(xiàn)量程選擇，保證AD轉(zhuǎn)換處于最高精度范圍內(nèi)。CPLD為大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷钦麄€數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，一方面控制程控放 大的放大倍數(shù)，另一方面在硬件上實現(xiàn)6路模擬信號AD轉(zhuǎn)換的同步。6個AD轉(zhuǎn)換器確保每 路模擬信號使用單獨的AD轉(zhuǎn)換器，提高了精度和轉(zhuǎn)換速度，同時也從硬件上進一步保證AD 轉(zhuǎn)換的同步。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)USB 口送單片機或核心電路板。優(yōu)選信號采集系統(tǒng)的主要性能如下AD采樣精度14位；AD通道數(shù)6 ；采樣頻率 50ksps/通道；AD芯片轉(zhuǎn)換速度500k/s ；AD采樣幅度綜合誤差士0. 5LSB ；AD輸入阻抗 5k Ω ；通過采集、分析定子電壓、定子電流信號，實現(xiàn)異步電動機定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn) 子斷條以及軸承故障的靈敏、可靠檢測。檢測裝置采用先進的信號檢測、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)，提取和變換異步電動機定子電 壓、電流的信號參數(shù)，應(yīng)用基于連續(xù)細化傅里葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)濾波技術(shù)的三相異 步電動機轉(zhuǎn)子斷條故障檢測方法和軸承故障檢測方法，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定子負序 導(dǎo)納平均值檢測方法實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子斷條故障、軸承故障和定子繞組匝間短路故障進行檢 測。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、連續(xù)細化傅立葉變換技術(shù)、自適應(yīng)濾波技術(shù)、轉(zhuǎn)子齒槽諧波轉(zhuǎn)差率 估計技術(shù)、檢測閾值自整定技術(shù)等的有機結(jié)合，以及仿真技術(shù)與實際試驗的結(jié)合，提高了檢 測裝置的靈敏度和可靠性。對于轉(zhuǎn)子斷條故障來說，本發(fā)明的故障檢測方法是，通過連續(xù)細化傅立葉變換精 確確定定子電流基波頻率f工及定子電流基波分量精確解析表達式，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定定子電 壓、定子電流、輸入功率與電機轉(zhuǎn)差率之間的映射關(guān)系，自適應(yīng)濾波提取定子電流(Ildf1 邊頻分量作為轉(zhuǎn)子斷條故障特征，精確檢測轉(zhuǎn)子斷條故障。該方法需要同時采集定子三相 電壓、電流信號，在工程實際中，定子三相電壓、電流信號易于采集，電壓、電流互感器價格 適中，加之處理器卓越的運算性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子斷條故障的精確判斷。其中，自適應(yīng)濾波原理如圖7所示。圖中電流信號is含待提取的信號&和噪聲ητ，而Us是另外一種噪聲， 它與噪聲％是同頻率的。這里is代表電機定子電流信號，&即為定子電流(1-28)1分量， ητ則為定子電流分量。根據(jù)輸出eT的大小，由自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，改變其響應(yīng) yT，可以使yT在最小均方誤差的意義下抵消子電流分量ητ，而eT將在最小均方誤差意義 下逼近待提取信號&。這里，噪聲us可以通過應(yīng)用連續(xù)細化傅立葉變換確定定子分量精 確表達式獲得。對于定子繞組匝間短路故障來說，本發(fā)明采用的檢測技術(shù)方案是通過應(yīng)用BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計正常電機的定子負序?qū)Ъ{平均值，計算當前定子負序?qū)Ъ{平均值，將估計值和 單片機或核心電路板的預(yù)定值對比，判斷是否存在匝間短路故障。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在確定定子 負序?qū)Ъ{平均值與定子電壓、電流、輸入功率之間映射關(guān)系方面極其有效。對于軸承故障來說，本發(fā)明采用的檢測技術(shù)方案是定子電流信號頻譜分析方法， 其類似于轉(zhuǎn)子斷條故障，異步電動機軸承故障發(fā)生之后，在定子電流中將出現(xiàn)IfiimfvI頻 率的附加電流分量(&為軸承振動特征頻率，111=1，2，3彳)。該定子電流信號易于采集，易 于分析。異步電動機數(shù)學(xué)模型分析(1)異步電動機定轉(zhuǎn)子回路；異步電動機定子三相繞組采用圖4所示三種方式接 線，即星形接線中線引出(YN接)、星形接線中線不引出(Y接)與三角形接線(D接)。三相 異步電動機轉(zhuǎn)子回路模型如圖5所示，假設(shè)轉(zhuǎn)子槽數(shù)為n，則轉(zhuǎn)子回路獨立電流個數(shù)為n+1。(2)三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條故障模型由圖5可得，若導(dǎo)條j斷裂，則回路電流 Ij =丄+1，相當于把回路j與回路j+Ι合并成一個回路。(3)異步電動機定子繞組匝間短路故障模型圖6為異步電動機定子繞組匝間短 路模型，顯然定子方面增加了一個新的電流回路——匝間短路回路。三相異步電動機發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障后，在其定子電流中將出現(xiàn)(1-28)1頻率的附 加電流分量。由于它的調(diào)制作用，定子電流呈現(xiàn)周期性脈動，電磁轉(zhuǎn)矩隨之脈動，致使轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速以Wf1頻率波動，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動進一步導(dǎo)致定子電流(l+2s) 頻率附加電流分量 的出現(xiàn)。一般將定子電流(Us)。、(1+ )^頻率附加電流分量稱為邊頻分量。同時，三相 異步電動機發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障后，其轉(zhuǎn)子側(cè)將不再對稱，從而導(dǎo)致定子側(cè)正序電壓產(chǎn)生負 序電流。負序電流的數(shù)值伴隨轉(zhuǎn)子斷條故障的進一步發(fā)展而增大，在相同故障形式下其數(shù) 值隨著電機負載的增加而增大。無論三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條故障發(fā)生與否，定子三相電 流均保持其相位和幅值的對稱性。三相異步電動機空載運行時，即使存在嚴重轉(zhuǎn)子斷條故 障，譬如1，2，3號導(dǎo)條同時斷裂，(1-28)^,(1+28)^邊頻分量的幅值也是非常小的，因此可 以肯定，如果三相異步電動機空載運行，則應(yīng)用(1-&)&、(1+28)&邊頻分量作為故障特征 檢測轉(zhuǎn)子斷條故障存在一定困難，但此時(5_48)4邊頻分量幅值遠遠大于(IIs)A邊頻分 量幅值，因此推斷此時選取(5-4S)fi邊頻分量作為故障特征，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障檢測是 可行的。只要電機非空載運行即可選擇(Ildf1邊頻分量作為轉(zhuǎn)子斷條故障特征。就實際電機而言，由于工藝、制造及安裝原因，即使轉(zhuǎn)子正常，在其定子電流中仍 然存在(1-28)4、(1+28)1和(5-4s)f\等邊頻分量。(ID f” (l+2S)fi邊頻分量與&分 量幅值之比伴隨電機負載增加而增加。在工程應(yīng)用中，往往選擇邊頻分量與分量幅值之 比作為故障特征量，通過判斷其數(shù)值是否超過某一檢測閾值實現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障的檢測。因
7此必須首先明確正常電機(1+28)1邊頻分量與分量幅值之比和電機負載狀況二者之間 的對應(yīng)關(guān)系，從而設(shè)置適當?shù)臋z測閾值，保證故障檢測的靈敏度和可靠性。在工程實際中，為保證斷條故障檢測的靈敏度和可靠性，必須對(1-28)‘ (l+2s) 分量作定量分析。這一定量分析的前提條件是已知&與s的具體數(shù)值，S卩(1-&)&、
(1+28)^這兩個邊頻分量的具體數(shù)值?；谶B續(xù)細化傅立葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)濾波技術(shù)的三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷 條故障檢測方法，可以獲得很高的靈敏度和可靠性。應(yīng)用連續(xù)細化傅立葉變換方法，可以精 確確定電機定子電流基波頻率f\，還可以確定電機定子電流基波分量精確解析表達式，據(jù) 此形成參考信號，以對定子電流作自適應(yīng)濾波處理。為了提高三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條故 障檢測的靈敏度和可靠性，必須首先確定電機轉(zhuǎn)差率s的具體數(shù)值。相對于電機定子電壓、 電流信號而言，轉(zhuǎn)差率這一信息是難以采集的。根據(jù)異步電動機運行原理可知，當一臺確定 的異步電動機穩(wěn)定運行時，其定子電壓、電流、輸入功率唯一確定異步電動機轉(zhuǎn)差率。BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理非線性系統(tǒng)模型方面具備獨特優(yōu)勢，因此用于確定異步電動機定子電壓、電 流和輸入功率與其轉(zhuǎn)差率之間的映射關(guān)系?；谧赃m應(yīng)濾波的三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條故 障特征提取方法的基本思路是采用自適應(yīng)濾波方法抵消電機定子電流分量，在頻譜圖 中突出(1-28)1分量——轉(zhuǎn)子斷條故障特征。異步電動機發(fā)生定子繞組匝間短路故障后，定子繞組附加電流源將導(dǎo)致定子電流 將出現(xiàn)負序分量，其數(shù)值伴隨匝間短路故障嚴重程度的加劇而增大。另外，在相同形式的匝 間短路故障下，其數(shù)值與電機負載狀況基本無關(guān)。同時，發(fā)生匝間短路故障后，定子電流中 將出現(xiàn)三次諧波分量，且數(shù)值伴隨匝間短路故障嚴重程度的加劇而增大。如果異步電動機 在空載運行時發(fā)生定子繞組匝間短路故障，定子電流中將出現(xiàn)邊頻分量，這與轉(zhuǎn)子斷條故 障類似。這表明，常規(guī)的基于定子電流頻譜分析的轉(zhuǎn)子斷條故障檢測方法可能將定子繞組 匝間短路故障錯誤判斷為轉(zhuǎn)子斷條故障。但是，如果輔以f\、s信息并作定量分析，即可避 免誤判。另外，如果異步電動機在滿載運行時發(fā)生定子繞組匝間短路故障，定子電流邊頻分 量數(shù)值很小，上述誤判不會出現(xiàn)。在實際中，異步電動機定子三相電壓是存在一定負序分量的。由于工藝、制造原 因，定子三相繞組、磁路不是理想對稱的，即使在三相正相電壓下正常運行，其定子電流中 也將出現(xiàn)定子負序分量。也就是說，即使并未發(fā)生定子繞組匝間短路故障，定子三相電流仍 然存在一定的負序分量。甚至某些形式的定子繞組匝間短路故障發(fā)生后，其效果將在一定 程度上抵消實際電機本身所固有的不對稱性，致使定子負序電流反而減小。在工程實際中，異步電動機定子三相電壓負序分量在一定范圍內(nèi)是波動的，這將 導(dǎo)致定子負序電流數(shù)值波動，這可能與定子繞組匝間短路故障相混淆。為解決這一問題， 在進行定子繞組匝間短路故障檢測時，應(yīng)選擇負序?qū)Ъ{平均值，即定子負序電流、負序電壓 平均值之比作為故障特征量，通過判斷其數(shù)值是否偏離某一檢測閾值實現(xiàn)匝間短路故障檢 測。負序?qū)Ъ{平均值與電機負載狀況基本無關(guān)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)，以定子負序?qū)Ъ{平均值作 為故障特征量，檢測值與估計值相比較，判斷匝間短路故障。定子負序?qū)Ъ{平均值與定子電 壓、電流、輸入功率之間存在映射關(guān)系，并且可以通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行確定。三相異步電動機發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障后，定子負序電流數(shù)值增加，因此用定子負序電流法檢測定子繞組匝間短路故障，可能將轉(zhuǎn)子斷條故障誤判為定子繞組匝間短路故障。 同時，如果異步電動機在空載時發(fā)生定子繞組匝間短路故障，定子電流中將出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子斷 條故障類似的邊頻分量，也就是說，基于定子電流頻譜分析的轉(zhuǎn)子斷條故障檢測方法可能 將定子繞組匝間短路故障誤判為轉(zhuǎn)子斷條故障。這說明，在工程實際中應(yīng)該對三相異步電 動機轉(zhuǎn)子斷條與定子繞組匝間短路故障進行聯(lián)合檢測以避免誤判。聯(lián)合檢測基本思路為先應(yīng)用定子負序?qū)Ъ{平均值方法檢測三相異步電動機定子 繞組是否存在匝間短路故障，如果不存在匝間短路故障，則應(yīng)用基于連續(xù)細化傅立葉變換、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)濾波技術(shù)的三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條故障檢測方法，進行轉(zhuǎn)子斷條故障 檢測。異步電動機軸承故障發(fā)生后，在定子電流中將出現(xiàn)IfiimfvI頻率的附加電流分 量(fv為軸承振動特征頻率，m=l，2，3…)。類似于轉(zhuǎn)子斷條故障，將連續(xù)細化傅立葉變換、 自適應(yīng)濾波、轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)差率估計、檢測閾值自整定技術(shù)有機結(jié)合，對軸承故障進行檢測。異步電動機繞組故障和軸承故障檢測均需要采集定子電壓和電子電流，而且采集 信號需要有很高的采樣精度，確保電壓、電流誤差降低到最小程度；為提高故障檢測的靈敏 度和可靠性，應(yīng)采集三相電壓、電流信號，而不是單相電壓、電流信號；各路通道之間絕對同 步才能保證三路電壓、三路電流在時間上的一致性，才能正確求取相位差信號；連續(xù)細化傅 立葉變換的頻率分辨單元為Af = fs/N，與采樣點數(shù)N成反比?；谶B續(xù)細化傅里葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)濾波技術(shù)的三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷 條故障檢測技術(shù)流程圖如圖8所示。其基本過程如下(1)進行負載實驗，獲取樣本數(shù)據(jù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定定子電壓、定子電流、輸入 功率與轉(zhuǎn)差率s之間的映射關(guān)系。(2)采集定子三相電壓、電流瞬時信號，1^、叫、11。、、、、、士。。(3)對ia做連續(xù)細化傅里葉變換，確定其基波分量的頻率幅值和初相角，據(jù)此 形成噪聲信號us。(4)計算定子三相電壓電流平均值UaV、IaV。(5)計算定子輸入功率直流分量，(6)根據(jù)UaV、IaV、P‘，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，估計正常電機在該運行狀況下的轉(zhuǎn)差率s
^mil-Is)/, ^m(U2s)fx
邊頻與fl分量幅值之比一” ~7并設(shè)置檢測閾值。
V1 1Ifl , 、 >(7)根據(jù)‘ 對、做自適應(yīng)濾波，抵消其分量，結(jié)果記為eT。(8)根據(jù)P‘判斷電機負載狀況，如果電機空載運行選擇^^作為故障特征量，否則選取
權(quán)利要求
1.一種故障檢測裝置，其用于對電動機的初步故障進行檢測，該故障檢測裝置包括電壓采集儀器，其用于對電動機的電壓信號進行采集；電流采集儀器，其用于對電動機的電流信號進行采集；信號采集系統(tǒng)和故障分析處理系統(tǒng)，其特征在于所述電壓采集儀器和電流采集儀器與該信號采集系統(tǒng)相連接，該信號采集系統(tǒng)將采集 的電壓信號和電流信號處理后傳送到故障分析處理系統(tǒng)，該故障分析處理系統(tǒng)對由信號采 集系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)進行計算、分析和處理進而獲得異步電動機的狀態(tài)信息。
2.如權(quán)利要求1所述的故障檢測裝置，其特征在于所述電壓采集儀器為電壓變換器， 所述電流采集儀器為鉗形電流表。
3.如權(quán)利要求2所述的故障檢測裝置，其特征在于所述信號采集系統(tǒng)包括CPLD控制 器、光電隔離與保護電路、AD轉(zhuǎn)換器和USB接口。
4.如權(quán)利要求3所述的故障檢測裝置，其特征在于所述故障分析處理系統(tǒng)為包含初 發(fā)故障檢測軟件的單片機或配置有ARM處理器的核心電路板。
5.如權(quán)利要求4所述的故障檢測裝置，其特征在于所述信號采集系統(tǒng)將由電壓采集 儀器和電流采集儀器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號從USB接口輸出到故障分析處理系 統(tǒng)。
6.一種故障檢測方法，其用于對電動機的故障進行檢測，采用如權(quán)利要求1-5中任一 項所述的故障檢測裝置，其特征在于；對電動機的電壓和電流測量，根據(jù)測量結(jié)果獲得匝間 短路故障、轉(zhuǎn)子斷條與軸承故障的故障指數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的故障檢測方法，其特征在于通過應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計正常電 機的定子負序?qū)Ъ{平均值，計算當前定子負序?qū)Ъ{平均值，將估計值和故障分析處理系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)對比，判斷是否存在匝間短路故障。
8.如權(quán)利要求7所述的故障檢測方法，其特征在于通過連續(xù)細化傅立葉變換精確確 定定子電流基波頻率及定子電流基波分量精確解析表達式，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定定子電壓、 定子電流、輸入功率與電機轉(zhuǎn)差率之間的映射關(guān)系，自適應(yīng)濾波提取定子電流(lis)。邊 頻分量作為轉(zhuǎn)子斷條故障特征，判斷檢測轉(zhuǎn)子斷條故障。
9.如權(quán)利要求6-8中任一項所述的故障檢測方法，其特征在于通過連續(xù)細化傅立葉 變換、自適應(yīng)濾波、轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)差率估計、檢測閾值自整定技術(shù)有機結(jié)合，對軸承故障進行 檢測，并給出故障指數(shù)。
10.如權(quán)利要求10所述的故障檢測方法，其特征在于；對三相異步電動機轉(zhuǎn)子斷條與 定子繞組匝間短路故障進行聯(lián)合檢測以避免誤判。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種故障檢測裝置及方法，其用于對電動機的初步故障進行檢測，該故障檢測裝置包括電壓采集儀器，其用于對電動機的電壓信號進行采集；電流采集儀器，其用于對電動機的電流信號進行采集；信號采集系統(tǒng)和故障分析處理系統(tǒng)，其特征在于所述電壓采集儀器和電流采集儀器與該信號采集系統(tǒng)相連接，該信號采集系統(tǒng)將采集的電壓信號和電流信號處理后傳送到故障分析處理系統(tǒng)，該故障分析處理系統(tǒng)對由信號采集系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)進行計算、分析和處理進而獲得異步電動機的狀態(tài)信息。所述的故障檢測方法是對電動機的電壓和電流測量，根據(jù)測量結(jié)果獲得匝間短路故障、轉(zhuǎn)子斷條與軸承故障的故障指數(shù)，為分析異步電動機初期故障提供依據(jù)，為電機的維護維修提出建議。
文檔編號G01R31/34GK102135600SQ20111003034
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉愛華, 劉金輝, 吳重祥, 周智勇, 姜海龍, 孫俊忠, 張海鵬, 李嘉, 許伯強, 鄢英, 顧明濤 申請人:中國人民解放軍海軍潛艇學(xué)院