基于COM組件的電機轉子繞組匝間短路故障診斷

韓 明,周國強,王震洲

(河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

基于COM組件的電機轉子繞組匝間短路故障診斷

韓 明,周國強,王震洲

(河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

分析了探測線圈檢測電機轉子繞組匝間短路故障的機理,應用小波變換算法對所得信號進行特征提取。采用MA TLAB與VC++混合編程,將MA TLAB的M文件直接嵌入VC環境,完全脫離M A TLAB運行。以VC++圖形界面作為前臺,實現信號采集、系統框架的搭建和界面的繪制;利用COM Builder技術實現MA TLAB與VC++之間的通信;以MA TLAB為后臺,進行數據分析和計算,實現電機轉子繞組匝間短路故障判斷。結果表明系統有良好的實際應用效果。

匝間短路;小波變換;COM組件;故障診斷

轉子繞組匝間短路故障是電機的常見故障之一,嚴重的匝間短路故障將對機組的安全穩定運行構成威脅。筆者在微分探測線圈的基礎上,利用小波變換對采集到的信號進行分析,提取電機轉子繞組匝間短路故障的特征信號并對其進行分解。在軟件上充分融合VC++和MA TLAB的優點,以VC++圖形界面作為前臺框架,以MA TLAB作為后臺,進行數值運算和數據可視化,并最終利用組件對象模型(COM)技術實現電機轉子繞組匝間短路故障的診斷。

1 電機轉子繞組匝間短路故障檢測原理

當轉子繞組存在匝間短路時,會引起磁場的不對稱,破壞氣隙磁場的正常分布,同時故障所在槽漏磁動勢諧波也會相應發生變化。利用探測線圈來檢測電機轉子繞組線圈是否發生匝間短路故障的原理是在定轉子氣隙中安裝微分探測線圈,其電勢波形反映了電機氣隙磁通密度的變化,即磁通變化引起電機轉子各槽之間槽漏磁通在感應線圈中感應的電動勢發生變化,分析探測信號的突變點,得到故障位置[1]。

設氣隙旋轉磁場穿過探測線圈的有效面積為S,則磁通量Φ=B(t)S。當槽漏磁通通過探測線圈后轉化為電動勢信號,其大小可表示為

筆者以轉子有2個極,每極16個槽的電機為研究對象。理想狀態下,槽漏磁通在感應線圈中的感應電動勢相等。假設不考慮噪聲影響,正常運行時的模擬信號為主磁通在感應線圈中感應的電動勢與槽漏磁通在感應線圈中感應的電動勢之和。根據傅里葉級數可知主磁場和齒諧波基波分量均可表示為正弦,表達式為

正常運行情況下,認為32個槽的齒諧波幅值均相等。當發生匝間短路時,對應槽的安匝數減少使得磁通量減小,感應電動勢e相應減小,發生匝間短路的槽的齒諧波幅值也相應減小。當某一個槽發生匝間短路時,槽漏磁通在感應線圈中感應的電動勢減小的表達式為

則發生故障時的氣隙磁動勢表示為

令 A′=1,B′=1,a=0.1,即分解后故障槽所對應的齒諧波幅值減小為原來的90%[2]。

2 故障診斷的系統組成

電機轉子繞組匝間短路故障診斷利用探測線圈采集氣隙電動勢信號,并對信號進行調理后送至信號采集和處理模塊進行分析和處理。信號處理算法采用小波變換,通過MA TLAB與VC++混合編程構建算法的分析和計算平臺,對信號進行3層小波分解,顯示正常信號與故障信號的原始波形和處理之后的波形,通過對比正常信號與故障信號,判斷故障點的位置。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 故障診斷系統結構框圖Fig.1 Block diagram of fault diagnosis system

3 系統關鍵技術及實現

3.1 小波變換算法

小波變換是一種窗口大小固定但形狀可變同時其時間窗和頻率窗均可變的時頻局部化分析方法。這一方法克服了傅里葉變換不能對信號進行局部化分析的嚴重缺點,具有很強的局部特征提取功能。小波分析在時域、頻域都具有良好的局部化性質,尤其適用于分析奇異信號。

實驗所采集的探測信號中的每個峰值表示電機轉子的1個槽,對電機的每個槽進行編號,利用小波變換算法對采集的探測信號進行分解。利用小波高頻分解系數的模極大值點方法定位故障槽。

圖2 小波變換法定位電機轉子繞組匝間短路故障算法流程圖Fig.2 Wavelet transfo rm location w inding roto r fault algo rithm flow chart

式(6)中二進小波變換W f(s,x)表示信號 f(x)在尺度s下被θs(x)平滑后的一階導數,則小波變換W f(s,x)的幅值極大點即為檢測信號 f(x)的突變點[3]。從電勢波形很難發現突變點,但對該電勢信號進行小波變換之后很容易發現突變點,進而可以據此判斷故障點的位置,算法流程圖見圖2。

3.2 M ATLAB與VC++混合編程

MA TLAB提供了大量數學函數,但是其程序運行效率低,不能脫離M A TLAB軟件環境,程序的通用性和可移植性差。VC具有代碼效率高,執行速度快等優點,但是其提供的數學函數相對較少,開發時間長,不適于復雜的數值運算。因此MA TLAB和VC++的混合編程可以充分融合二者的優點,開發出具有良好用戶界面、強大數據處理能力的應用軟件[4]。

3.2.1 MA TLAB與VC++混合編程方法

1)利用 M A TLAB引擎,以 VC++作為前臺,調用MA TLAB引擎后臺與MA TLAB服務器建立連接,實現命令和數據信息的傳遞。

2)利用MA TLAB自帶的MCC編譯器,在VC中編寫程序界面并加載調用M A TLAB的DLL動態鏈接庫,實現兩者之間的連接。

3)使用M atcom編譯器可以將MA TLAB源代碼譯成具有同等功能的VC++代碼,既保持了MA TLAB的優良算法又提高了執行速度,它還支持一定的圖形顯示,生成的代碼可讀性好。

4)利用MATLAB COM Builder。COM Builder可以直接被其他支持COM的VC++語言所引用。

以上4種方法中,第1種方法雖然功能全面,應用程序整體性能好,但不能脫離MA TLAB環境;MCC方法和M atcom方法雖然可以脫離MA TLAB環境,但都不能調用MA TLAB工具箱中的函數;COM Builder可以生成不依賴于M A TLAB環境的獨立程序,因此可獲得最快的運行速度,不需進行代碼轉換。鑒于以上分析,筆者利用COM Builder技術實現MA TLAB與VC++的通信[5]。

3.2.2 M A TLAB與VC++通信

圖3 MA TLAB與VC++通信框架Fig.3 Communication framework between MA TLAB and VC++

筆者主要介紹如何利用COM Builder技術實現MA TLAB與VC++之間的通信。首先對氣隙電動勢信號編寫小波分解的M函數并將其編譯成功;在VC++環境下編寫Window s用戶界面用以輸入可變參數值,并調用COM組件,實現快速計算和參數輸入以及波形顯示等的可視化界面的功能,實現兩者之間的無縫連接。MA TLAB與VC++通信框圖見圖3。

M A TLAB與VC++之間進行通信經過執行以下2步來完成。

1)在MA TLAB下做COM組件 首先編寫系統的.M文件,主要實現匝間短路故障分析。.M文件的函數名稱要與主函數名稱一致,以保證MA TLAB編譯器能夠對M文件順利進行編譯并利用.M文件生成COM組件[6]。

2)VC++中調用COM組件 首先運行COM組件的EXE執行文件。將M A TLAB編譯環境下的頭文件等添加到系統環境變量中,再將組件中的.C和.h文件添加到VC++工程中,即可進行波形的顯示及對比,通過對比即可對匝間短路是否發生故障進行判斷以及對故障點進行定位。

4 故障波形分析

利用一維連續小波變換進行故障信號特征提取,再根據特征值進行故障的判別。選擇Daubechies正交小波來進行故障突變點的分析,同時綜合考慮信號分析精度和速度的要求選擇3層分解[7],然后分別對高頻、低頻部分進行單支重構。圖4表示的是轉子繞組正常和故障時模擬信號的情況。圖5和圖6中是小波分解及單支重構處理的結果,其中d1,d2,d3是對高頻部分進行單支重構的波形圖,a3是對低頻部分進行單支重構的波形圖。利用上述方法對正常運行時的信號以及發生匝間短路故障時的信號進行對比實驗,取得了較好的結果。實驗結果見圖 4、圖 5、圖 6。

圖4 轉子繞組正常和故障時的模擬信號Fig.4 Analog signal w hen roto r w indings are no rmal and fault

比較正常信號和故障信號的波形可以看出,其均為光滑的正弦波,故障波形為5號槽發生了匝間短路,但是僅從圖4看不出任何故障信息。因此需要把信號在某一小波基上展開,然后分解到不同的頻帶上來實現。

由圖5可以看出正常信號的各細節波形沒有出現異常情況。在圖6中可以看出d2,d1層出現了明顯的極大值,此位置正對應出現故障的第5號槽。由上述分析可見,通過對信號進行小波分析,可以很好地實現對故障的檢測和定位。

5 結 論

在分析電機轉子繞組匝間短路時的氣隙磁場特性以及探測線圈工作原理的基礎上,將小波分析算法應用到電機轉子繞組匝間短路故障診斷中[8]。通過MA TLAB與VC++混合編程,對算法進行處理和顯示。實驗結果表明此方法在匝間短路故障中的應用具有可行性和很高的應用價值。

[1] 陳小玄,羅大庸,單勇騰.基于小波分析的轉子繞組匝間短路故障診斷方法[J].自動化技術與應用(Techniques of Automation and App lication),2007,26(2):85-89.

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[3] SOTTILE J,TRU TT F C,LEEDY A W.Condition monito ring of brushless three-phase synchronous generato rs w ith stator w inding o r roto r circuit deterioration[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2006(9/10):1 209-1 215.

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[5] 張 毅,李夏青,范圣韜.基于VC和Matlab混合編程的牽引供電故障診斷系統[J].北京石油化工學院學報(Journal of Beijing Institute of Petro-Chemical Technology),2008,16(3):21-25.

[6] 李建明,唐心亮,韓 明,等.基于小波包能量譜的天氣雷達伺服電機故障預警系統研究[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2010,31(3):233-235.

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Fault detection of inter-turn short-circuit in roto r w indings based on COM component

HAN M ing,ZHOU Guo-qiang,WANG Zhen-zhou

(College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)

We analyzed the mechanism of detecting the inter-turn sho rt-circuit in rotor winding fault with detecting coil,and extracts the signal feature w ith wavelet transfo rm algorithm.Hybrid p rogramming of MATLAB and VC++is used,embedding ding M documentof MA TLAB into the VC and making them run normally w ithout MATLAB.The signal collecting,system frame constructing and interface draw ing can be carried out by adop ting VC++graphical interface as the front-stage,w hile using COM builder technology to implement communication between MA TLAB and VC++.With MA TLAB as the back-stage,the inter-turn short-circuit in rotor w indings fault can be judged through the data analysis and calculation.The results show that the system has a good effect in p ractical app lication.

inter-turn sho rt-circuit;wavelet transform;COM component;fault detection

TM 76

A

1008-1542(2011)01-0030-04

2010-09-13;責任編輯:李 穆

韓 明(1984-),男,河北行唐人,碩士研究生,主要從事計算機檢測與控制方面的研究。

王震洲博士