基于自適應陷波器的電動機轉子斷條故障診斷

劉先飛（郴州技師學院，湖南 郴州 423000）

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基于自適應陷波器的電動機轉子斷條故障診斷

劉先飛
（郴州技師學院，湖南 郴州 423000）

摘 要：在現代工業生產中，鼠籠式異步電動機是主要的驅動部件，其正常工作與否，直接關系到生產過程能否連續運行。鼠籠式異步電動機轉子斷條故障是一種隱性故障，危害比較嚴重，且不容易被檢測到。本文提出了一種基于自適應陷波器的電動機轉子斷條故障診斷方法，經過仿真分析和實驗證明應用自適應陷波器方法診斷電動機轉子斷條故障是行之有效的。

關鍵詞：陷波器；診斷；分析

0. 引言

鼠籠式異步電動機由于其結構簡單、使用壽命長、維修維護工作量小而在工業電氣傳動領域占有非常重要的地位。對鼠籠式異步電動機進行實時狀態監測，及時發現鼠籠式異步電機的異常現象，避免電機失效和高價維修，具有極其重要的意義。鼠籠式異步電動機的故障類型很多，監測方法也有很大的差異。其中轉子斷條故障，占鼠籠式異步電動機故障的10%左右。基于自適應陷波器的電動機轉子斷條故障診斷法有著重要的研究價值。

1. 自適應陷波器

陷波器是一種對某一或多個特定頻率有抑制作用的濾波器。圖1表示某一單一頻率的自適應陷波濾波器（簡稱自適應陷波器），d（t）是監測到電動機的實際的定子電流信號，其中含有（1-2s）f1的有用頻率分量；參考輸入量x（t）是電動機定子電流中的工頻部分，即頻率為f1的正弦波。在圖1中，dk為原始輸入序列；x1,k、x2,k為參考輸入序列；w1，K、w2,K為k時刻濾波器自適應調整參數；εk為誤差信號。采用自適應陷波器的目的是，去除f1工頻分量的干擾，而讓（1-2s）f1頻率分量通過。

圖1　單一頻率的自適應陷波濾波器

圖2　LMS算法信號傳輸流程圖

最小均方誤差（Least mean-square，LMS）算法具有易于實現、計算量小等優點，在理論分析和實踐中應用非常廣泛。最小均方誤差算法的基本思想是：調整濾波器自身參數，使濾波器輸出信號和期望輸出信號之間的均方誤差最小，系統輸出是有用信號的最佳估計。圖2給出了最小均方誤差算法工作原理的流程圖，其中μ為步長參數，z-1表示延遲，ω1=2πf1。

根據圖2中信號傳輸過程，權可以修正為：

故可以推導出：

由此就得到濾波器輸出端點的響應：

式中：u（k）為離散形式的單位階躍函數，μ為一個控制收斂速度和穩定性的參量。

2. 基于自適應濾波器的轉子斷條故障診斷

2.1 仿真分析

取采樣點數n=2048，采樣頻率fs=1000Hz。步長因子μ的取值影響陷波器的收斂速度與誤差，經實驗分析，當取μ=0.007自適應陷波器收斂效果最佳。轉子輕微斷條時，（1-2s）f1頻率分量的幅值和f1頻率分量的幅值之比約為0.02～0.05，在這里取比值下限0.02。

針對鼠籠式異步電動機轉子斷條時的特點，設電動機定子電流的原始輸入d（n）是工頻信號x1（n）與電動機轉子故障信號的疊加，即：d（n）=Acos（2πf1n/1000）+0.02Acos（2πf2n/1000）=Acos （0.1πn）+0.02Acos（0.095πn） （6）

式中，頻率為f2=（1-2s）f=47.5Hz的分量表示轉子出現斷條故障，這里s=0.025。圖3（a）、（b）分別為信號d（n）的時域波形和其頻譜分析的結果，頻譜分析發現（1-2s）f1特征分量被強大的基頻分量所掩蓋。采用本文提出的方法，做自適應陷波處理時參考輸入為一個頻率為50Hz的余弦波，信號d（n）經自適應陷波器處理后得到的信號及其頻譜分析的結果如圖4（a）、（b）所示。從圖4（b）可以明顯看出，存在頻率約為47.5Hz的斷條故障的特征量，雖然頻率為50Hz的分量仍然存在，但其幅值已明顯降低了。

2.2 實例分析

采用自適應陷波方法對一臺型號為TYPE100-4、ne=1430r/min、p=2的鼠籠式異步電機進行斷條故障診斷，電機的供電頻率f1為50Hz，采樣頻率fs為1000Hz，采樣點n為2048。此時，故障特征頻率分量（1-2s）f1僅與轉差率s有關，表1給出了實驗的一組數據。從表中可以看出，自適應陷波后與自適應陷波前的故障特征頻率分量與工頻分量頻譜密度之比大約增加了20倍以上，從而使故障特征頻率分量得以突出，有利于故障特征量的提取。實驗中測得的實際電動機定子電流波形和頻譜圖如圖5所示，該電流信號采用陷波處理后的信號及其頻譜圖如圖6所示。

圖3　仿真定子電流的時域波形及頻譜圖

圖4　陷波后仿真信號的頻譜分析

表1　實驗數據

圖5　陷波前的定子電流波形及頻譜圖

圖6　陷波后的定子電流波形及頻譜圖

結論

仿真分析和實驗結果證明，故障特征頻率與理論計算得到的特征頻率是一致的，自適應陷波器對工頻信號有很好的抑制作用。從時頻圖上容易看出，陷波前故障電流及其頻譜完全被工頻信號及其頻譜所掩蓋，陷波后能清楚地看到故障電流及其頻譜，50Hz頻率分量雖然沒有完全去除，但其幅值被削減了95%以上。

參考文獻

［1］劉來濱，張廷元，周封.用自適應陷波器檢測異步電動機轉子斷條的仿真［J］.電機技術，2006（4）：44-46.

中圖分類號：TP206

文獻標識碼：A