基于數據綜合采集系統的電機故障診斷實驗平臺設計與實現

曹海洋，徐興華，朱啟偉，王 亮

(1. 中國礦業大學信電學院，徐州 2210062；2. 江蘇省工程實驗中心，徐州 221008）

前言

異步電機因為具有較高的性價比及良好的環境適應性等特點，在現代工業領域得到了廣泛的應用，異步電機的運行狀況將會直接影響到工業生產的正常進行。由于異步電機運行工況復雜，影響因素眾多，一旦電機發生嚴重故障，將導致整個工業生產的中斷。對異步電機的常見故障進行分析及診斷可以有效地降低故障率，減少突發事故造成的損失和維修成本。因此，需要對異步電機進行狀態監測及故障診斷。

目前的電機故障診斷過程中，往往只是對電機運行狀態中的一種或幾種數據進行多層次、多角度的分析和觀察，從中提取有關電機行為的特征，而后通過這些行為特征來對電機的典型故障進行分類識別，這樣，對電機故障的有效診斷帶來了一定的局限性，例如：僅利用電機單相電流進行頻譜分析的方法對電機故障進行診斷，在一定情況下能對電機故障進行診斷，但是當電機發生嚴重不對稱故障，就不能對電機故障做出準確有效的判斷，但如果能將電機定子電流信息綜合起來考慮，借助計算機的分析功能，就能對電機定子鐵心的狀態做出更為準確的判斷[1-2]。基于多數據綜合采集系統的異步電動機故障診斷實驗平臺的建立，可以為電機故障的診斷提供有效幫助，并且有助于學生綜合了解和分析電機的故障診斷。

1 綜合實驗平臺設計

1.1 診斷基本原理

當三相電動機出現轉子斷條故障時，電流頻譜中會出現特征分量 (1 ± 2ks)f1，通常k=1時的特征最為明顯；當三相電動機出現定子匝間短路故障時，通過對三相定子電流運用Park矢量模平方函數進行變換，得

式（1）為電流派克矢量的模平方函數，對Park矢量的模進行頻譜分析，電流中除了直流分量外還出現了兩倍的基頻分量2ω1；電機穩態運行時，轉速相對穩定，故障特征頻率也相對穩定。因此，可根據頻譜分析結果判斷電機有無對應故障[4-7]。

1.2 實驗平臺設計

異步電動機故障診斷實驗平臺主要包括電源控制系統、數據采集系統、PC主機等幾個子系統。可以對在線運行異步電動機進行狀態監測和故障診斷。其原理框圖如圖1所示。

圖1 電機故障診斷實驗平臺原理圖

1.2.1 電源和負載系統設計

電源進線為三相四線制，用萬能開關控制進線電源。電動機、直流勵磁全部采用繼電器開關觸點進行控制。為了防止電機受潮后引起絕緣下降造成電氣事故，做一開關閉鎖使風機通電延遲一定時間后才能啟動異步電機[3]。模仿發電機發電過程，用故障電機作為原動機，拖動發電機發電，用兩組相互并聯的大功率白熾燈，作為發電機的可變負載，通過改變接通的白熾燈的組數，來改變電機的負載大小。

1.2.2 故障電機設計

模仿電機故障所用電機包括：一組狀態良好的電機，一組氣隙偏向心故障電機，一組2根斷條故障電機和一組5根斷條故障電機。通過更換不同的電機來模仿電機的不同故障。模仿繞組匝間短路故障時，通過控制開關，選擇適當阻值的電阻，連接到狀態良好的電機的兩個繞組之間。

1.2.3 數據綜合采集系統

對于異步電動機故障診斷系統來說，數據采集是至關重要的一個環節。數據采集系統的硬件主要包括傳感器、數據采集卡和PC機。傳感器用于獲取信號，主要包括電壓、電流傳感器、轉速傳感器，利用多組傳感器將各種采集到的信號采集輸入到采集卡中。數據采集卡實現信號的傳輸，將傳感器獲得的信號傳到PC機，本系統中數據采集卡采用USB2080型數據采集卡。

USB2080型數據采集卡是一種基于USB總線的數據采集卡，可直接和計算機的USB接口相連，構成數據采集、波形分析和處理系統。PC主機的主要作用包括兩方面，一是為硬件電路提供驅動程序；二是接受和保存數據采集卡傳送的傳感器的信號數據并對其做相應的分析和處理。

2 綜合實驗設計

2.1 轉子斷條與氣隙偏心故障

依據外界環境，調整時間繼電器的整定值，設定合理的延時時間，調節勵磁電壓旋鈕使勵磁電壓達到合理值，應使其不要超過要求的最大值。檢查負載控制按鈕，使之處于斷開狀態，然后依次按下啟動發電機和電動機控制按鈕，電動機自動運行，此時發電機便處于發電狀態。在空載條件下和不同的負載情況下記錄當前電機的轉速，通過數據采集系統采集當前電流的波形并保存數據以便分析。按照先斷開負載，其次依次斷開電動機、勵磁，最后是風機控制按鈕的順序停機。更換電動機轉子重復上述過程。

2.2 定子繞組匝間短路故障

調節勵磁電壓控制按鈕，調節電的勵磁電壓，檢查負載控制按鈕，使之處于斷開狀態，然后按下啟動電動機控制按鈕，再調節勵磁電壓旋鈕，使發電機輸出電壓為額定電壓。選擇適當阻值的電阻模擬匝間短路故障，然后按下故障模擬控制按鈕，使得模擬故障發生，采集在空載和不同負載下的電流波形并保存數據以便分析。按照上述停機順序停機，改變電阻值，重復上述過程。

3 實驗結果分析

以分析電機的斷條故障為例，首先運用Park矢量變換的方法，對三相電流信號進行融合，然后對融合的電流信號進行小波分析，由于在Park矢量的融合電流信號中，原來的斷條特征頻率(1±2ks)f1被轉化為2ksf1，距離基頻f1比較遠，這為基于“頻帶”的小波分析方法提供了可能[8-11]。

在圖2、圖3中，電機沒有發生斷條故障時，其低頻帶信號基本上是一條直線，而當電機發生斷條故障時，即在圖4和圖5中，電機的低頻帶信號呈現出一定周期性的變化規律，這種呈周期性變化規律的低頻帶信號實際上就是斷條故障特征頻率的時域波形。從實驗所得的結果可以看出，基于Park矢量變化的融合電流小波分析方法能比較準確地提取到斷條故 障信號，另外該方法對于負載頻繁變化的情況也具有良好的適用性，有效地克服了傳統的基于單一因素診斷電機故障的缺點。

圖2 良好電機空載運行時DB5小波分解結果

圖3 良好電機滿載運行時DB5小波分解結果

異步電動機故障診斷實驗平臺的設計系統中，采用了綜合數據采集系統，實現了對異步電機各種數據的綜合采集，利用計算機輔助分析功能，可以有效地對電機的故障做出分析，幫助有效地建立電機故障數據庫，使得電機故障在線診斷和檢測的實現成為可能。另外異步電動機故障診斷實驗平臺的建立，為本科學生綜合分析電機故障提供了條件，提高了學生綜合分析問題和獨立解決問題的能力，為研究生開展課題研究提供了很好的實驗平臺。

圖4 2根斷條故障電機滿載運行時DB5小波分解結果

圖5 5根斷條故障電機滿載運行時DB5小波分解結果

圖4 極化曲線測試后的點腐蝕掃描電鏡照片

3 結論

通過在人工海水中水輪機常用金屬材料的電化學測試結果和腐蝕形貌可以看出，常規的碳鋼材料在海水介質中自腐蝕電位較低，且鈍化區間很窄，耐腐蝕性不好，不應被用于水輪發電機組的海水過流部件。奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti自腐蝕電位較高，鈍化區間寬，鈍化膜擊破電位Epit較高，具有非常好的耐腐蝕性。而水輪機過流部件常用馬氏體不銹鋼ZG00Cr13Ni4Mo雖然具有明顯的鈍化區間，但是自腐蝕電位和鈍化膜擊穿電位較低，耐腐蝕性一般，在今后海洋能發電設備中的應用應慎重選擇，并配合有效的防腐蝕措施。

[1]Wilson E M. Tidal power reviewed[J]. Water Power&Dam Consturcture, 1983, 35(9): 13.

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