一种基于电流矢量模长的异步电机故障的判定方法
阅读说明：本技术 一种基于电流矢量模长的异步电机故障的判定方法 (Asynchronous motor fault determination method based on current vector modular length ) 是由 徐国卿 陈梦南 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种诊断异步电机故障的方法,将电机定子三相电流变换到三相同步速旋转的dq轴上,电流dq分量以直流为主,定子电流综合矢量长度也为直流。定子匝间短路、转子断条、转子偏心、轴承损坏等故障体现在dq电流和矢量长度的脉动变化。根据脉动频率,很容易判别电机故障。由于电机通常由逆变器供电,电机定子上的三相电流有很多谐波含量,电机故障后,三相交流电流上既有逆变器或变频器供电产生得谐波,也有故障后产生的谐波,很不容易把这些谐波区分。本发明提供的方法,克服了这个缺点,具有检测方便、算法简单的优点；本发明使用了同步旋转坐标系dq0下的电流分量和综合电流矢量长I-(l)为特征量,使得对异步电机故障诊断的结果更加准确。(The invention discloses a method for diagnosing faults of an asynchronous motor, which is characterized in that three-phase currents of a stator of the motor are converted to dq axes rotating at three same step speeds, the current dq components are mainly direct currents, and the comprehensive vector length of the stator current is also direct currents. Faults such as stator turn-to-turn short circuit, rotor broken bar, rotor eccentricity and bearing damage are reflected in the pulse change of dq current and vector length. According to the pulse frequency, the motor fault can be easily judged. Because the motor is usually powered by an inverter, the three-phase current on the stator of the motor has a plurality of harmonic contents, and after the motor fails, the existing inverter or transformer is arranged on the three-phase alternating currentThe harmonic waves generated by the power supply of the frequency device and the harmonic waves generated after the fault are generated, and the harmonic waves are not easy to distinguish. The method provided by the invention overcomes the defect and has the advantages of convenient detection and simple algorithm; the invention uses the current component and the integrated current vector length I under the synchronous rotating coordinate system dq0 l The method is a characteristic quantity, so that the fault diagnosis result of the asynchronous motor is more accurate.)
技术领域
本发明涉及电机状态监测技术领域，具体讲是一种用于电机故障诊断的方法，它是基于dq轴直流分量和电流综合矢量的故障诊断方法。
背景技术
作为传动机械，异步电动机广泛应用于发电厂、炼钢厂、舰艇等工业与国防领域，其安全运行至关重要。异步电动机一般处于长时间连续运转状态，且工作环境恶劣，因此故障不可避免。异步电动机故障不仅损坏机体本身，而且影响整个传动系统。如果不能及时发现、检修，将导致事故、停机，造成经济损失，甚至人员伤亡。
目前，通常采用“定期检修(如半年小修，一年大修)”方式避免异步电动机事故停机。但是，由于存在检修周期，异步电动机可能在检修周期之内即发生故障、事故，“定期检修”方式对此无能为力，这就是工程现场所谓的“失检”；另一方面，在检修周期来临之际，异步电动机可能并无故障，甚至状态良好，“定期检修”方式将造成工程现场所谓的“过检”。“失检”将导致异步电动机事故、停机，其损失不言而喻。“过检”将导致无谓的维修成本、停机时间。仅仅拆卸其外壳一次即需要数万元人民币，遑论解体异步电动机、检修其定转子等。因此，“过检”将造成巨大浪费。
异步电动机故障检测与诊断技术的出现、发展、应用引发了异步电动机维修体制的一次革命，使传统的事后维修、定期检修方式逐步转变为预知维修方式。
统计表明，异步电动机故障主要包括定子绕组匝间短路故障、转子断条故障以及轴承故障，其发生的概率分别约为6％、30％、10％、40％，这些故障均是渐进的，经历发生、发展阶段而成为事故。
针对电动机拖动系统的故障，如滚动轴承、齿轮和轴系故障等方面，也出现了大量的研究与应用。近年来随着计算机仿真技术的发展，针对断条、偏心、轴承等故障诊断理论建模、仿真分析等的文献也在逐渐增多。应用范围也逐步扩展到如变频、直流和交流伺服电动机等领域。
不管是何种方式获取的电机定子电信号，其频率成分均以供电频率为主，真正的故障信号成分十分微弱，因此如何提取微弱的故障信号，剔除无用的供电频率成分是异步电机故障检测与诊断方法能够获得广泛应用的基础。
对于电信号的幅值调制，最基本的分析手段就是采用幅值谱或细化谱的边带分析方法。由于边带存在不稳定性，还可以采用Hilbert变换获取电信号的包络谱和瞬时频率谱进行分析。其中，包络谱能够去除电信号中幅值较大的主电源频率，突出故障特征频率，而且频谱的表达形式与常规的振动信号频谱相同，便于分析与比较；瞬时频率谱更适合提取电流信号中的频率调制成分。Hilbert变换解调谱分析也有缺点，对于超过载波频率的调制信号解调谱还会产生额外的解调频率成分，这种现象称为过调制，解调谱中出现的额外频率成分称为过调制折叠频率成分。有些学者采用平方解调方法或对电流进行二次方的移频解调方法来解决，但频谱中会产生故障特征频率的位移，还会出现额外的谐波成分等，不利于频谱特征的识别与诊断。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于电流矢量模长的异步电机故障的判定方法，使用了同步旋转坐标系dq0下的电流分量和综合电流矢量长Il为特征量，使得对异步电机故障诊断的结果更加准确，具有检测方便、算法简单的优点。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电流矢量模长的异步电机故障的判定方法，操作步骤步骤如下：
(1)获得待故障检测的异步电机的三相定子电流isa、isb、isc；
(2)将isa、isb、isc变换至同步旋转坐标系dq0下的电流分量isd、isq；
(3)对isd、isq进行频谱分析；
(4)将isa、isb、isc变换至两相静止αβ0坐标系下的电流分量isα、isβ；
(5)计算由isα、isβ构成的综合电流矢量模长；
(6)对电流矢量模长进行频谱分析；
(7)由上述频谱分析的结果判断待监测异步电机的故障形式。
优选地，所述的步骤(2)具体操作步骤为：
同步旋转dq0坐标系下的isd、isq用下式求得：
其中θe为同步电角度。
优选地，所述的步骤(3)具体操作步骤为：
对同步旋转坐标系下的直流电流分量进行离散傅里叶变换，计算式为：
其中：Idq为频率域下的电流量，k为频率轴上的序数，n是时间轴上的序数，N是采样电流的长度。
优选地，所述的步骤(4)具体操作步骤为：
两相静止αβ0坐标系下的isα、isβ用下式求得：
优选地，所述的步骤(5)具体操作步骤为：
电流矢量的模长的计算式为：其中：|Il|为电流矢量模长。
优选地，所述的步骤(6)具体操作步骤为：
对电流矢量模长进行离散傅里叶变换，计算式为：其中：IL是频域的电流矢量模长，k是频率轴上的序数，n是时间轴上的序数，N是采样电流的长度。
优选地，所述的步骤(7)具体操作步骤为：
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量为直流且无明显脉动变化，定子电流的矢量长度为固定值时，电机无故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在2倍于基频的脉动，定子电流的矢量长度也存在2倍于基频的脉动时，电机发生了匝间短路故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在2ksf1频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在2ksf1频率的脉动时，电机发生了转子断条故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfouter频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfouter频率的脉动时，电机发生了轴承外轨道故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfinner频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfinner频率的脉动时，电机发生了轴承内轨道故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfball频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfball频率的脉动时，电机发生了轴承滚珠坏故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfr频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfr频率的脉动时，电机发生了混合偏心故障；
其中k为整数，s为转差率，f1、fouter、finner、fball分别是基频频率，轴承外轨道，轴承内轨道和滚珠故障时的特征频率，fr是电机的转动频率。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明与传统基于传感器的检测的方法相比，具有检测方便、算法简单的优点；
2.本发明克服了定子电流中存在大量因逆变器或变频器供电而引起谐波导致异步电机故障诊断失效的问题；
3.本发明使用了同步旋转坐标系dq0下的电流分量和综合电流矢量长Il为特征量，使得对异步电机故障诊断的结果更加准确。
附图说明
图1为电机故障诊断的流程图。
图2为三相异步电机匝间短路故障检测时的matlab/simulink仿真模型。
图3为三相异步电机转子断条故障检测时的matlab/simulink仿真模型。
图4为三相异步电机轴承故障检测时的matlab/simulink仿真模型。
图5为异步电机发生匝间短路故障时的仿真结果。
图6为异步电机发生转子断条故障时的仿真结果。
图7为异步电机发生混合偏心故障时的仿真结果。
图8为异步电机发生外轨道故障时的仿真结果。
图9为异步电机发生内轨道故障时的仿真结果。
图10为异步电机发生滚珠故障时的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本发明，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种基于电流矢量模长的异步电机故障的判定方法，操作步骤步骤如下：
(1)获得待故障检测的异步电机的三相定子电流isa、isb、isc；
(2)将isa、isb、isc变换至同步旋转坐标系dq0下的电流分量isd、isq；
(3)对isd、isq进行频谱分析；
(4)将isa、isb、isc变换至两相静止αβ0坐标系下的电流分量isα、isβ；
(5)计算由isα、isβ构成的综合电流矢量模长；
(6)对电流矢量模长进行频谱分析；
(7)由上述频谱分析的结果判断待监测异步电机的故障形式。
本实施例使用了同步旋转坐标系dq0下的电流分量和综合电流矢量长Il为特征量，使得对异步电机故障诊断的结果更加准确，具有检测方便、算法简单的优点。方法将电机定子三相电流变换到三相同步速旋转的dq轴上，电流dq分量以直流为主，定子电流综合矢量长度也为直流。定子匝间短路、转子断条、转子偏心、轴承损坏等故障体现在dq电流和矢量长度的脉动变化。根据脉动频率，很容易判别电机故障。由于电机通常由逆变器供电，电机定子上的三相电流有很多谐波含量，电机故障后，三相交流电流上既有逆变器或变频器供电产生得谐波，也有故障后产生的谐波，很不容易把这些谐波区分。本实施例方法，克服了这个缺点，提高了效率。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述的步骤(2)具体操作步骤为：
同步旋转dq0坐标系下的isd、isq用下式求得：
其中θe为同步电角度。
在本实施例中，所述的步骤(3)具体操作步骤为：
对同步旋转坐标系下的直流电流分量进行离散傅里叶变换，计算式为：
其中：Idq为频率域下的电流量，N为采样电流的序列长，n是时间轴上的序数，k是频率轴上的序数。
在本实施例中，所述的步骤(4)具体操作步骤为：
两相静止αβ0坐标系下的isα、isβ用下式求得：
在本实施例中，所述的步骤(5)具体操作步骤为：
电流矢量的模长的计算式为：其中：|Il|为电流矢量模长。
在本实施例中，所述的步骤(6)具体操作步骤为：
对电流矢量模长进行离散傅里叶变换，计算式为：其中：IL是频域范围内的电流矢量模长，N为采样电流的长度。
在本实施例中，所述的步骤(7)具体操作步骤为：
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量为直流且无明显脉动变化，定子电流的矢量长度为固定值时，电机无故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在2倍于基频的脉动，定子电流的矢量长度也存在2倍于基频的脉动时，电机发生了匝间短路故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在2ksf1频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在2ksf1频率的脉动时，电机发生了转子断条故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfouter频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfouter频率的脉动时，电机发生了轴承外轨道故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfinner频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfinner频率的脉动时，电机发生了轴承内轨道故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfball频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfball频率的脉动时，电机发生了轴承滚珠坏故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfr频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfr频率的脉动时，电机发生了混合偏心故障；
其中k为整数，s为转差率，f1、fouter、finner、fball分别是基频频率，轴承外轨道，轴承内轨道和滚珠故障时的特征频率，fr是电机的转动频率。
本实施例方法与传统基于传感器的检测的方法相比，具有检测方便、算法简单的优点；本实施例方法克服了定子电流中存在大量因逆变器或变频器供电而引起谐波导致异步电机故障诊断失效的问题。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图1所示为本实施例的一种用于电机故障诊断方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤1：获取三相定子电流isa、isb、isc；
步骤2：将isa、isb、isc变换至同步旋转坐标系dq0下的电流分量isd、isq；
步骤3：对同步旋转坐标系下的直流电流分量进行离散傅里叶变换，计算式为：
步骤4：将isa、isb、isc变换至两相静止坐标系αβ0下的电流分量isα、isβ：
步骤5：根据isα、isβ计算电流矢量的模长：
步骤6：对电流矢量模长进行离散傅里叶变换，计算式为：
步骤7：根据诊断的结果判断故障的类型：
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量为直流且无明显脉动变化，定子电流的矢量长度为固定值时，电机无故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在2倍于基频的脉动，定子电流的矢量长度也存在2倍于基频的脉动时，电机发生了匝间短路故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在2ksf1频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在2ksf1频率的脉动时，电机发生了转子断条故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfouter频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfouter频率的脉动时，电机发生了轴承外轨道故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfinner频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfinner频率的脉动时，电机发生了轴承内轨道故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfball频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfball频率的脉动时，电机发生了轴承滚珠坏故障；
当定子电流的同步旋转坐标轴下的分量存在kfr频率的脉动，定子电流的矢量长度也存在kfr频率的脉动时，电机发生了混合偏心故障；
其中k为整数，s为转差率，f1是供电频率，fouter、finner、fball分别是轴承外轨道，轴承内轨道和滚珠故障时的特征频率，fr是电机的转动频率。
图2～图4为在Matlab/Simulink仿真软件上搭建的故障电机开环系统仿真模型，故障诊断方法按照前面所介绍的设计步骤搭建。
图5～图10为仿真得到的dq轴直流分量和电流综合矢量的模长，对仿真结果进行频谱分析，可得结论如下表所示：
本实施例方法与传统的基于传感器的检测的方法相比，具有检测方便、算法简单的优点；本实施例方法克服了定子电流中存在大量因逆变器或变频器供电而引起谐波导致异步电机故障诊断失效的问题；本实施例方法使用了同步旋转坐标系dq0下的电流分量和综合电流矢量长Il为特征量，使得对异步电机故障诊断的结果更加准确。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。