提取感应电动机转子故障特征的新方法

清华大学学报(自然科学版)

JournalofTsinghuaUniversity(Sci&Tech)9󰃗27　

第1期第35～37页　

提取感应电动机转子故障特征的新方法3

邱阿瑞

清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084

文　摘　感应电动机拖动机械负载运行时,如果机械负荷波动较大,通过测取电动机定子电流直接作频谱分析,难于得到正确的结果。作者分析了该种工况下电动机定子电流信号的特点,提出了一种提取电动机转子故障特征的新方法。此法通过对电动机定子电流信号作Hilbert变换解调处理,以调制信号的频谱中是否存在2sf1频率的故障特征分量,来诊断转子有无断条故障。实测结果表明,这种方法是有效的,尤其适用于这种负荷波动较大的电动机转子故障的诊断。关键词　Hilbert变换;故障诊断;感应电动机分类号　TM343.3;TM307断方法,但其不足之处是要等待电动机起动时才能

测试,不能在电动机运转时随时加以检测。

为了克服上述方法的不足,本文提出一种提取感应电动机转子故障特征的新方法,它通过对电动机定子电流信号作Hilbert变换解调处理,然后以调制信号的频谱中是否存在2sf1频率的转子断条故障特征量,来诊断电动机转子有无断条故障。

1　定子电流调制信号分析

电动机转子发生断条故障之后,它会在定子绕级组中感应出(1-2s)f1频率分量的电流,同时由于转子故障引起转矩的脉动及转速的摆动[4],在定子绕组中又产生(1+2s)f1频率分量电流。图1是电动机转子断条时典型的频谱图,图上谱峰最高的是电网频率f1为50Hz,左边谱峰为(1-2s)f1频率分量,右边谱峰是(1+2s)f1频率分量,这两个分量与主频f1之间相距均为2sf1,也就是通常所说的,在主频50Hz的两侧存在2sf1的边带,这也是幅度调制现象在频域上的典型特征。此时载波频率为电网频率f1,而调制频率为2sf1。

　　鼠笼转子笼条开焊与断裂是感应电动机常见故障之一。利用故障诊断技术及早发现处于萌芽状态的故障,对于保证安全生产以及提高经济效益均具有实际意义。

鼠笼转子断条故障的诊断,是根据转子断条后电动机运行特性的变化来确定的。转子断条后,不对称的转子就会在定子绕组中感应出(1-2s)f1的附加分量电流(f1为电网频率,s为转差率)。常用的方法是对稳态的定子电流直接作谱分析,以频谱中是否存在(1-2s)f1分量——这一转子断条故障特征量来判断转子有无断条故障[1,2]。但是,这种从电动机定子电流直接作频谱分析的方法有一定局限性,对于电动机运转时负荷波动较大的运行工况下,这种诊断方法难于取得满意的效果。因为在这种情况下,电动机定子电流频谱图中除电网频率f1(50Hz)处有较高的谱峰外,还有以f1为中心的各种调制分量。因此,很难直观看出是否存在(1-2s)f1的故障特征量,故难于确诊转子有无断条故障。

文[3]采用了以起动电流的时变频谱诊断转子断条故障的方法,实践证明,这是一种行之有效的诊

　　收稿日期:1995208228

　　第一作者:男,1946年生,副教授　3国家攀登B计划项目

图1　转子断条时定子电流的频谱

　　电动机转子断条越严重,在谱图上(1±2s)f1分量与f1主分量的幅值相差越小,也就是幅度调制现象越明显。

以上的例子是电动机稳态运行时负载较平稳的

36清华大学学报(自然科学版)1997,37(1)

情况。然而在生产实际中,电动机拖动的机械负荷有时是波动的,而且传动系统某些部件出现磨损、松动等故障,它们会通过转子与定子间的电磁耦合作用,使得定子电流中出现各种复杂的调制成分。其中既有幅度调制成分,又有频率调制成分。若用数学公式描述,幅度调制信号的表达式为

i(t)=A(1+BcosΞmt)cosΞct=

AcosΞct+

ABAB2

cos(Ξc+Ξm)t+

(1)

现。本文利用Hilbert变换原理进行解调。

给定信号x(t),其Hilbert变换定义为[5]

1∞x(Σ)δ()(3)　　正变换=xtdΣΠ-∞t-Σ

δ1∞x(Σ)()(4)　　反变换　xt=-dΣ

Π-∞t-Σ

式(3)和(4)称为Hilbert变换对。将x(t)和它的希

δ(t)结合起来组成一个复值信号尔伯变换x

δ(5)xa(t)=x(t)+jx(t)

上式称为x(t)的解析信号。

∫∫2

󰃖cos(Ξc-Ξm)t

式中:Ξc为载频信号的角频率;Ξm为调制信号的角频率;A为载频信号的幅值;AB󰃗2为调幅后Ξc和Ξm的和频与差频的幅值。而单频信号的频率调制信号的表达式为

i(t)=Acos(Ξct+ΒsinΞmt)=

Acos(ΒsinΞmt)cosΞct-Asin(ΒsinΞmt)sinΞct=

A{J0(Β)cosΞct-J1(Β)[cos(Ξc-Ξm)t-cos(Ξc+Ξm)t]+J2(Β)[cos(Ξc-2Ξm)t+cos(Ξc+2Ξm)t]-…

(2)

该解析信号的幅值相位表达式为

j<(t)

xa(t)=A(t)e式中:

A(t)=

(6)(7)(8)

δx(t)<(t)=arctg()

xt

22

x(t)+x(t)

^

式中:Ξc,Ξm分别为载频、调制信号的角频率;A为载频信号的幅值;Β为调制指数;Jn(Β)为第一类贝塞尔函数,n=0,1,2,…。

若频率调制为多频调制时其表达式更复杂。如果仅存在幅度调制信号,其频谱由载频fc和边频fc±fm组成,这两个边频与载频之间的距离等于调制频率fm;而频率调制信号的频谱由载频fc及多边频fc±fm,fc±2fm,fc±3fm…所组成,频谱中各相邻分量之间的间隔为fm,载频及各边频的幅值由各阶贝塞尔函数所决定,而各阶贝塞尔函数的值取决于调制指数Β。

电动机拖动球磨机这类负载时,其传动系统为齿轮传动,电动机定子电流中往往既有幅度调制,又可能有频率调制,其结果在频谱上是调幅和调频综合形成的边频带。

由于电动机转子断条会在定子中产生(1±2s)

f

而幅值A(t)便是给定信号x(t)的包络,即调制信号。Hilbert变换具体实现的步骤为:

1)对给定信号x(t)作正傅里叶变换得X(f);2)对X(f)的正频率部分乘以-j,负频率部分

δ(f);乘以+j,经过这样的移相之后得到X

δ(f)作逆傅里叶变换得xδ(t)。3)对X

3　实测举例

例1　本文对实验室一台转子有一根断条的

7.5kW四极三相异步电动机稳态运行时的定子电流信号,利用Hilbert变换作解调处理,其调制信号的频谱图见图2。由于运行时负载较轻,电机的转差率s为0.005,故其2sf1=0.5Hz,在图2中最高谱峰正是位于0.5Hz处,所以该频率分量为转子断条故障的特征分量。

的故障特征分量,若对定子电流信号进行幅度解调处理,就能得到反映断条故障特征的2sf1频率的调制信号,再对解调后信号作谱分析,如果在其谱图上存在2sf1频率分量,那么就可判断转子有断条故障。

1

图2　转子一根断条时定子电流调制信号的频谱图

　　这种方法比传统的直接对定子稳态电流信号作谱分析方法具有明显的优点,传统的方法因主频率f1分量比(1±2s)f1频率分量大得多,并且因转差率s小,使得(1±2s)f1与f1很接近,在作谱分析时

2　Hilbert变换解调原理

信号解调既可通过硬件实现,也可通过软件实

邱阿瑞:　提取感应电动机转子故障特征的新方法37

一方面需提高分辨率,另一方面往往会因主频率分量的泄漏,而把(1±2s)f1分量淹没掉。当然可采取加窗函数以减少泄漏,或用自适应滤波把主频分量f1消除等措施加以克服。而本方法作谱分析时不涉及主频率分量f1的影响问题,容易取得满意效果。

例2　这是一台磨煤电动机的实测例子。电机容量为550kW,额定电压6kV,额定转速985r󰃗min,电机运行时定子电流小于额定电流。图3是电动机定子电流解调后调制信号的频谱图。

4　结　　论

1)通过对电动机定子电流作Hilbert变换解调

处理,说明以调制信号的频谱中是否存在转子故障特征量——2sf1频率分量,来诊断转子有无断条故障的方法是可行的,并为实测结果所验证。

2)这种故障特征提取方法尤其适用于电动机运行时负荷波动较大的电动机的故障诊断。

参　考　文　献

12

张龙照,邱阿瑞.用频谱分析方法检测异步电机转子故障.电工技术学报,1987,(4):46～50

ThomsonWT,ChalmersSJ.Anon2line,computer2basedcurrentmonitoringsystemforrotorfaultdiagno2sisin32phaseinductionmotors.Turbomachineryinter2

～24national,1987:17

3

邱阿瑞.用起动电流的时变频谱诊断鼠笼异步电机转子故障.中国电机工程学报,1995,15(4):267～273

PenmanJ.Conditionmonitoringofelectricaldrives.

图3　磨煤电动机转子有断条的频谱图45

　　从图3可以看出,在频率1.125Hz处的谱峰最

高,而1.125Hz频率与电动机实际运行转差率s得出的2sf1频率基本相符,根据这一故障特征量可以诊断电动机有转子断条故障。该电动机经解体后笼条与端环有多处开焊。

例3　这也是一台550kW磨煤机驱动电动机,额定电压6kV,额定转速985r󰃗min。图4是其定子电流解调处理后调制信号的频谱图。谱图上在2sf1频率处未发现明显的谱峰。因此可以判断该电机转子没有断条。该电机运行时定子电流不稳,电流表指针摆动大,在谱图上8.5Hz处谱峰很高,说明其定子电流调制现象是由机械负荷波动或机械传动系统的故障引起的,而不是转子断条引起的。该电动机在数月后大修解体时未发现有断条故障。

～148IEEproceedings,1986,133(3):142

杨福生.随机信号分析.北京:清华大学出版社,1990

Newapproachofextractingrotor

faultfeatureininductionmotors

QiuArui

DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084

Abstract:　Thispaperanalyzesthefeatureofstatorcurrentsignalundertheoperationcondition,andpresentsanewap2proachofextractingrotorfaultfeatureininductionmotors.ThestatorcurrentsignalisdemodulatedbyHilberttrans2form.Therotorfaultisdiagnosedbyextracting2sf1featurecomponentfromthefrequencyspectrumofthemodulated

.Thetestresultsshowthatthisapproachiseffectivesignal

anditisapplicableespeciallytodiagnosetherotorfaultoftheinductionmotorwhoseloadfluctuatesinoperation.Keywords:　Hilberttransform;faultdiagnosis;induction

motor

图4　磨煤电动机定子电流调制信号的频谱图