基于希爾伯特包絡(luò)分析的船用三速錨機(jī)轉(zhuǎn)子故障在線檢測(cè)方法

秦 焱，彭 鎮(zhèn)

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 前言

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障是指異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂 (端環(huán)開裂)故障。異步電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條或繞組受到電磁力、離心力和機(jī)械軸上的阻力矩的作用。船舶三速錨機(jī)電動(dòng)機(jī)采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，錨機(jī)電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡劣，在起錨、拋錨過(guò)程中由于檔位的轉(zhuǎn)換，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)不斷受到?jīng)_擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩的作用，另外在錨機(jī)拔錨出土的過(guò)程中，錨機(jī)電動(dòng)機(jī)可能堵轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流可達(dá)額定運(yùn)行時(shí)電流的6～8倍，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)條可能斷裂，端環(huán)可能脫焊。錨機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障是電動(dòng)錨機(jī)系統(tǒng)的常見故障之一。錨機(jī)電動(dòng)機(jī)一般安裝在錨機(jī)艙室內(nèi)，采用傳統(tǒng)的定期拆卸維修的方法比較麻煩，也不經(jīng)濟(jì)，采用電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的方法可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障早期發(fā)現(xiàn)故障，確定恰當(dāng)?shù)木S修時(shí)間和維修方案，確保船舶的安全。

電動(dòng)機(jī)常用的轉(zhuǎn)子斷條 (端環(huán)開裂)故障的檢測(cè)方法有:電動(dòng)機(jī)定子電流檢測(cè)方法、電動(dòng)機(jī)磁通檢測(cè)方法和電動(dòng)機(jī)機(jī)械信號(hào) (特別是振動(dòng)信號(hào))檢測(cè)方法。其中定子電流比較容易獲得，因此基于電動(dòng)機(jī)定子電流的檢測(cè)方法稱為電動(dòng)機(jī)故障的典型檢測(cè)方法之一。研究表明，異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障后，在定子電流中將出現(xiàn) (1±2s)f1頻率的附加電流分量 (s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，f1為供電電源頻率)，該電流分量可以作為轉(zhuǎn)子斷條 (端環(huán)斷裂)的故障特征分量。

錨機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況很復(fù)雜，在起錨和拋錨過(guò)程中錨機(jī)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷是變化的，且負(fù)載波動(dòng)比較大，特別在拔錨出土的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)承受沖擊性負(fù)載的作用，電機(jī)定子電流的在線頻譜圖中除了含有基波f1頻率分量之外，還包含以基波頻率f1為中心頻率的各種調(diào)制分量，在故障診斷中這些調(diào)制分量可能被錯(cuò)誤看成 (1±2s)f1斷條故障特征分量，從而造成誤判，降低故障診斷的準(zhǔn)確性，因此在線故障診斷中，必須考慮電動(dòng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)的實(shí)際工作狀況。

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)中，還必須考慮電網(wǎng)的頻率波動(dòng)、電網(wǎng)諧波和由在線采集檢測(cè)系統(tǒng)引入的“電磁噪聲”對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷的影響。供電電網(wǎng)中的頻率波動(dòng)、諧波和“電磁噪聲”在定子電流頻譜圖中表現(xiàn)為基波的頻譜泄漏和譜間干擾增加，基波分量有可能淹沒了故障頻率分量，嚴(yán)重影響了電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷的準(zhǔn)確性。

本文提出了基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡(luò)分析的船用錨機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)方法。

1 帶通數(shù)字濾波

濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號(hào)中的特定頻率成分通過(guò)，同時(shí)抑制或極大地衰減其它頻率成分 (又稱此頻帶為阻帶)。根據(jù)濾波器的選頻特性，一般將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻4種。濾波器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為:

在電動(dòng)機(jī)在線檢測(cè)信號(hào)中，基波信號(hào)、故障特征信號(hào)、電網(wǎng)諧波信號(hào)和在線采集檢測(cè)系統(tǒng)引入的“電磁噪聲”的頻率特征是不相同的，諧波信號(hào)和“電磁噪聲”干擾信號(hào)的頻率一般大于故障特征信號(hào)。故障特征信號(hào)的頻率和基波信號(hào)很接近，以基波頻率為中心頻率，選擇恰當(dāng)?shù)膸挘瑤〝?shù)字濾波器可以有效濾除電網(wǎng)諧波和“電磁噪聲”干擾信號(hào)。

2 希爾伯特包絡(luò)分析

定義希爾伯特模的平方為希爾伯特變換的模量，也稱為信號(hào)x(t)的包絡(luò)信號(hào):

在希爾伯特包絡(luò)頻譜中，電流信號(hào)中的基波分量轉(zhuǎn)變成直流分量，故障特征分量變成了2sf1、4sf1等分量，其中2sf1分量遠(yuǎn)大于4sf1分量，2sf1可作為電機(jī)轉(zhuǎn)子故障特征量在Hilbert包絡(luò)頻譜中的表現(xiàn)形式，Hilbert包絡(luò)頻譜突出了故障特征分量，增加了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障判別的靈敏度，而且，2sf1分量的幅值可以反映異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的嚴(yán)重程度。

3 基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡(luò)頻譜的檢測(cè)方法

錨機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的條件比較復(fù)雜，存在電網(wǎng)頻率波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電網(wǎng)諧波和采集系統(tǒng)引入的“電磁噪聲”的干擾，在這些因素的影響下，電動(dòng)機(jī)故障的在線電流信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào)，電流的幅值、頻率甚至相位都是波動(dòng)的。因此，電動(dòng)機(jī)故障在線檢測(cè)必須考慮電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和檢測(cè)條件。

綜合運(yùn)用多種信號(hào)處理技術(shù)可以減少電網(wǎng)諧波、頻率波動(dòng)和電動(dòng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)等對(duì)電動(dòng)機(jī)故障在線檢測(cè)的干擾，有效提取轉(zhuǎn)子故障特征量。

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般為0.5%～7%，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障后，轉(zhuǎn)差率的改變非常微小，電動(dòng)機(jī)定子電流中轉(zhuǎn)子斷條故障特征分量的頻率一般限定在40～60 Hz的頻率范圍內(nèi)。在電動(dòng)機(jī)的定子電流進(jìn)行信號(hào)頻譜分析前，先對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行帶通數(shù)字信號(hào)濾波，可以有效地消除高次諧波對(duì)特征信號(hào)產(chǎn)生的干擾。本文采用巴特沃斯3階帶通濾波器，濾波器帶通頻率范圍為40～60 Hz，濾波后，定子電流中的諧波分量和電磁噪聲分量被有效地抑制。在實(shí)際故障檢測(cè)中，還可以根據(jù)實(shí)際電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率變動(dòng)范圍，更加精確地確定帶通濾波器的帶寬，可獲得更好的濾波效果。相對(duì)于FFT頻譜分析，Hilbert包絡(luò)頻譜分析對(duì)于電流信號(hào)中的諧波干擾是魯棒的，Hilbert包絡(luò)頻譜可以將基波信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流分量，在頻譜圖中將出現(xiàn)2sf1、4sf1故障特征分量，同時(shí)有效地抑制了諧波分量，使得故障特征分量在頻譜圖中得以凸顯，在頻譜圖中獲得較高的信噪比。

將濾波后的定子電流信號(hào)進(jìn)行Hilbert包絡(luò)頻譜分析，可以從頻譜圖中識(shí)別轉(zhuǎn)子斷條故障的特征分量，并判斷故障程度和供電電源頻率波動(dòng)的情況。

4 故障診斷實(shí)例

某船舶錨機(jī)系統(tǒng)采用三速電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，三速電動(dòng)機(jī)的型號(hào)JZ2－H－41－4/8/16;額定電壓，380 V;額定頻率，50 Hz;額定功率，7.5/7.5/5 kW;額定電流，16.8/17.8/26 A;額定轉(zhuǎn)速，1 400/665/300 r/min;接法，Y/YY/△;工作時(shí)間，10/30/5 min;絕緣等級(jí)，F(xiàn)級(jí)。

故障現(xiàn)象:起錨時(shí)，熱繼電器和過(guò)流繼電器頻繁動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)起錨困難。

診斷方法:鑒于錨機(jī)艙空間狹窄且錨機(jī)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部帶電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，直接拆卸維修有一定的風(fēng)險(xiǎn)，故采用故障在線診斷的方法。

診斷步驟:

1)排除控制箱可能出現(xiàn)的故障:檢查錨機(jī)控制箱的線路和熱繼電器、過(guò)流繼電器和互感器等元器件的工作狀態(tài)，未發(fā)生異常。

2)排除錨機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)械裝置和電動(dòng)機(jī)直流制動(dòng)盤可能出現(xiàn)的故障:檢查錨機(jī)系統(tǒng)各部的機(jī)械傳動(dòng)裝置未發(fā)生異常，且錨機(jī)在負(fù)載較輕的階段(收起臥于海底的錨鏈階段)，錨機(jī)系統(tǒng)工作正常，工作電流在額定電流范圍內(nèi)，無(wú)明顯異常。

3)檢查電動(dòng)機(jī)的絕緣:用兆歐表檢查電動(dòng)機(jī)各相之間絕緣電阻和各相對(duì)地的絕緣電阻，絕緣電阻均在5 MΩ以上。

4)根據(jù)上述檢查的結(jié)果，初步判定是三速錨機(jī)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障，用電橋精密檢測(cè)電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的電阻，三相定子繞組阻值基本相同且與標(biāo)準(zhǔn)電阻值的誤差在5%的范圍內(nèi)，排除電機(jī)定子繞組匝間短路、斷路和相間短路的故障。

5)初步判定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在故障。在線檢測(cè)錨機(jī)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的定子三相電流，對(duì)三相電流采用上述基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡(luò)頻譜的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。由于三相電流基本對(duì)稱，下面給出一相電流波形的分析結(jié)果。

電動(dòng)機(jī)定子電流信號(hào)處理波形如圖1所示。

圖1 濾波前后定子電流的波形及其頻譜

圖2 電動(dòng)機(jī)定子電流希爾伯特包絡(luò)頻譜圖

電動(dòng)機(jī)定子電流的波形表明:

1)三速錨機(jī)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在轉(zhuǎn)子斷條故障。從頻譜圖中可以看出在4 Hz附近存在故障分量，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s=0.038。Hilbert包絡(luò)頻譜分析的檢測(cè)方法中將轉(zhuǎn)子斷條故障特征量變?yōu)?sf1，頻譜圖中4 Hz的故障分量正好對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子斷條故障特征量。

2)頻譜圖中可以看出在4 Hz附近存在故障分量比較明顯，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的故障比較嚴(yán)重，連續(xù)斷條的根數(shù)在3根左右。

3)從濾波前后的定子電流的頻譜圖可以看出，采樣電流信號(hào)的濾波前的頻譜中很多諧波引起的小波峰，濾波后諧波在頻譜圖中的干擾被抑制，突出了基波分量附近的故障特征分量，表明帶通數(shù)字信號(hào)濾波可以有效抑制定子電流中的諧波分量和電磁噪聲分量。

4)Hilbert包絡(luò)頻譜中，故障特征量2sf1有兩個(gè)明顯的波峰，表明船舶電網(wǎng)存在頻率波動(dòng)的情況，兩個(gè)波峰之間的距離反映了頻率波動(dòng)的大致范圍，大致在±0.2 Hz左右。

根據(jù)在線診斷的結(jié)果，錨機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在轉(zhuǎn)子斷條的故障，且故障比較嚴(yán)重，建議將電動(dòng)機(jī)吊出錨機(jī)艙進(jìn)行拆卸修理。錨機(jī)電動(dòng)機(jī)拆卸后，其轉(zhuǎn)子繞組確實(shí)存在轉(zhuǎn)子斷條的故障，轉(zhuǎn)子斷條的根數(shù)為4根，其中兩根屬于連續(xù)斷條的情況，電動(dòng)機(jī)拆卸修理的結(jié)果證明采用基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡(luò)頻譜分析的在線檢測(cè)方法可以有效檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障。

5 結(jié)論

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)、電網(wǎng)的頻率波動(dòng)、諧波和“電磁噪聲”等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷產(chǎn)生了較大的干擾和影響。本文利用數(shù)字信號(hào)濾波和希爾伯特變換兩種信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，提出了基于數(shù)字信號(hào)濾波和希爾伯特包絡(luò)頻譜分析的故障診斷方法。仿真和實(shí)例表明，該方法不僅可以抑制干擾因素的影響，有效提取轉(zhuǎn)子斷條故障特征量并實(shí)現(xiàn)故障診斷，而且能夠反映頻率波動(dòng)的范圍。在船舶電機(jī)乃至電氣設(shè)備的修理過(guò)程中，采用傳統(tǒng)維修和狀態(tài)檢測(cè)相結(jié)合的方法，可以比較準(zhǔn)確的判斷故障性質(zhì)和范圍，降低維修費(fèi)用，縮短維修時(shí)間，減少電動(dòng)機(jī)拆卸維修的次數(shù)。

［1］高景德，王祥珩，李發(fā)海.交流電動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］馬宏忠.電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］史際昌.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2009.

［4］許伯強(qiáng)，孫麗玲，李和明.籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線檢測(cè)方法 ［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，28(3):10－13.

［5］劉振興，尹項(xiàng)根，張哲.基于Hilbert包絡(luò)頻譜分析的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障的在線檢測(cè)與診斷方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(7):58－61.

［6］Behrooz Mirafzal.Induction Machine Broken－Bar Fault Diagnosis using the Rotor Magnetic Field Space－Vector orientation［J］.IEEE Transactions on Industry Application，2004，04(2):534 －539.

［7］Michelle Vieira，Celina.Induction Motor Fault Detection and Localization using Stator Current Advanced Signal Processing Technology［J］.IEEE Transactions on Power E-lectronic，1999，01(1):14 －21.