基于諧波分析的異步電動(dòng)機(jī)故障診斷研究

鄭曉亮，高佳華，李飛龍

(1．安徽理工大學(xué)，淮南232000;2．中礦龍科能源科技(北京)股份有限公司，北京100089)

0 引言

異步電動(dòng)機(jī)是電機(jī)的主要類型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而在傳動(dòng)領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代工業(yè)往往需要大規(guī)模的生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)，高速化、連續(xù)化的生產(chǎn)模式使得異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)處于頻繁狀態(tài)，異步電動(dòng)機(jī)的故障增多、可靠性降低、工作壽命縮短，從而導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線的停產(chǎn)。因此，從生產(chǎn)穩(wěn)定、減少事故、降低成本考慮，了解異步電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷是十分必要的。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)診斷主要包括事后診斷維修和定期維修檢測(cè)兩類方法，但是這都需要停止異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，暫停生產(chǎn)工作，而這些狀況的發(fā)生都會(huì)使企業(yè)在生產(chǎn)和設(shè)備維修方面造成不必要的資金損失［1］。隨著設(shè)備狀態(tài)維修技術(shù)的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)開始在異步電動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用［1－4］。在 1987 年，Tavner P J 與 Penman J提出了電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的概念［5］。事實(shí)上，狀態(tài)檢測(cè)信息的分析與處理是異步電動(dòng)機(jī)故障診斷的重要環(huán)節(jié)，電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷兩者是密不可分的，可以說(shuō)，兩者為一有機(jī)整體。

高次諧波是導(dǎo)致電氣設(shè)備故障異常、劣化的關(guān)鍵因素之一，國(guó)內(nèi)目前對(duì)于高次諧波在電機(jī)上的研究也主要著重于如何去抑制消除的方面［6－8］，只認(rèn)為其是有害的，而未加以利用。文獻(xiàn)［9－10］介紹了電氣設(shè)備異常與高次諧波存在有相關(guān)聯(lián)性的事實(shí)，例如，在電機(jī)的軸承部位發(fā)生故障時(shí)，電流所發(fā)出的高次諧波波形近似豎立的菱形;在電機(jī)的線圈部位發(fā)生故障時(shí)，電流所發(fā)出的高次諧波波形又似橫放的菱形。通過(guò)具體地分析電流中的高次諧波成分，找出高次諧波成分變換規(guī)律與異步電動(dòng)機(jī)異常、劣化程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以對(duì)運(yùn)行中的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障診斷。本文研究了一種新的異步電動(dòng)機(jī)故障診斷方法，以異步電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)為狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行去噪處理和頻譜分析后，得到各高次諧波含量，經(jīng)過(guò)歸一化處理后，與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，從而作出相應(yīng)的故障診斷。然后由實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證分析，作為提供故障診斷的依據(jù)，驗(yàn)證了此方法的有效性與優(yōu)越性。

1 故障診斷原理

故障診斷流程如圖1所示。

圖1 診斷流程圖

首先采集異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流信號(hào)，根據(jù)測(cè)得的電流，求出電流不平衡率ΔI，從而初步判定異步電動(dòng)機(jī)異常程度。公式如下:

式中:Imax和Imin分別為各相電流的最大值和最小值。

給定求諧波總失真率THD時(shí)所分析的諧波次數(shù)為2次到20次，其中諧波總失真率THD的定義為用基波電流百分比表示的電流總諧波含量?？傊C波含量反映了波形的畸變特性，公式定義如下:

式中:I1為基波電流有效值;Ik(k=2，3，…，20)代表k次諧波電流有效值，其中計(jì)算高次諧波電流Ik遵循下式:

式中:k為高次諧波次數(shù);h為高次諧波系數(shù);km為電動(dòng)機(jī)常數(shù)(當(dāng) k=2時(shí)，取 0．05;當(dāng) k=3時(shí)，取0.15;當(dāng)k=2，3以外的數(shù)時(shí)，取1．0)。高次諧波系數(shù)h在不同k時(shí)，其數(shù)值也不同。當(dāng)k＞5時(shí)，h=2;當(dāng) 5≤k≤11時(shí)，h=1;當(dāng) k＞11時(shí)，h=1．6。ks為電源阻抗率;kw為負(fù)載率;kv為電壓系數(shù)。電壓系數(shù)表達(dá)式如下:

式中:X為電動(dòng)機(jī)的輸入電壓。諧波含有率Hk定義為第k次諧波分量的有效值與基波分量的有效值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，公式如下:

然后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用各次諧波含有率Hk除以式(2)求得的總諧波失真率THD，可得指數(shù)值THk:

對(duì)于圖1中的k次諧波判定基值CHk可用以下式子求得:

式中:Ck表示k次諧波的診斷計(jì)算值，其計(jì)算公式如下:

式(7)中 f(Mj)(其中 j=1，2，3，4) 的計(jì)算如式(9)～式(12)所示。M1～M4分別對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)主體的4個(gè)部位:M1為轉(zhuǎn)子、軸承、固定裝置，M2為線圈絕緣/振動(dòng)，M3為軸承支架，M4為空氣隙不均勻/振動(dòng)。

當(dāng)指數(shù)值THk≥判定值CHk時(shí)，可確定該異步電動(dòng)機(jī)異常。此時(shí)根據(jù)上述電動(dòng)機(jī)4個(gè)部位所對(duì)應(yīng)的各諧波分量貢獻(xiàn)率求得相應(yīng)部位的診斷值TH:

式中:Njk為電機(jī)第j個(gè)部位第k次諧波貢獻(xiàn)率。

諧波診斷法的發(fā)明者高博先生通過(guò)多年的數(shù)據(jù)積累和專家分析得到了諧波含量與電機(jī)故障對(duì)應(yīng)關(guān)系［13］如下。

(1)旋轉(zhuǎn)軸和軸承的異常。4個(gè)主要分量為第2次諧波貢獻(xiàn)率為55%，第3次諧波貢獻(xiàn)率為9%，第4階諧波貢獻(xiàn)率為16%和第5階諧波貢獻(xiàn)率為6%。累計(jì)貢獻(xiàn)率為86%。

(2)繞組的絕緣或振動(dòng)。4個(gè)主要分量為第2次諧波貢獻(xiàn)率為7%，第3次諧波貢獻(xiàn)率為61%，第4次諧波貢獻(xiàn)率為5%和第5次諧波貢獻(xiàn)率為22%。累計(jì)貢獻(xiàn)率為95%。

(3)軸承、機(jī)罩損傷。4個(gè)主要分量為第2次諧波貢獻(xiàn)率為23%，第3次諧波貢獻(xiàn)率為10%，第4次諧波貢獻(xiàn)率為41%和第5次諧波貢獻(xiàn)率為8%。累計(jì)貢獻(xiàn)率為82%。

(4)定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均。4個(gè)主要分量為第2次諧波貢獻(xiàn)率為7%，第3次諧波貢獻(xiàn)率為61%，第4次諧波貢獻(xiàn)率為5%和第5次諧波貢獻(xiàn)率為22%。累計(jì)貢獻(xiàn)率為93%。

通過(guò)對(duì)之前大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)TH的值對(duì)故障程度進(jìn)行了相應(yīng)分級(jí)，將其分為正常、需要注意和故障3個(gè)等級(jí)，分別用字母A，B，C表示，同時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的故障程度又將需要注意分為輕度異常B1(可以正常運(yùn)行6個(gè)月)、中度異常B2(可以正常運(yùn)行約3個(gè)月，需進(jìn)行趨勢(shì)管理)、重度異常B3(可以運(yùn)行約1個(gè)月，電動(dòng)機(jī)容易發(fā)生故障，需進(jìn)行檢修準(zhǔn)備)，具體電動(dòng)機(jī)部位的判定值如表1所示。

表1 異步電動(dòng)機(jī)各部件的診斷值

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及過(guò)程

2．1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了準(zhǔn)確地反映出故障現(xiàn)象，本文選用了一臺(tái)型號(hào)YE2－112M－6的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)電機(jī)，該電機(jī)的主要銘牌參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)電機(jī)的銘牌參數(shù)

2．2 測(cè)試過(guò)程

通過(guò)在該三相異步電動(dòng)機(jī)的A相串聯(lián)接入一個(gè)約30 Ω的電阻，人為地制造出電機(jī)三相不平衡的故障。其中，電機(jī)所拖動(dòng)的負(fù)載為一個(gè)額定功率為2 kW的磁粉離合器。首先，電機(jī)空載上電，然后通過(guò)加載裝置，逐漸提高負(fù)載功率，直到負(fù)載功率達(dá)到約2 kW時(shí)開始測(cè)試，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

2．3 信號(hào)采集

利用ATC－KS系列諧波檢測(cè)儀，采集A相定子電流信號(hào)。采樣頻率為10 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為131072。圖3(a)為電動(dòng)機(jī)正常加載運(yùn)行時(shí)的時(shí)域波形，圖3(b)為電動(dòng)機(jī)加入三相電流不平衡故障后加載運(yùn)行時(shí)的時(shí)域波形。

圖3 電流波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在MATLAB軟件中采用db1小波對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行去噪處理后，得到處理后的信號(hào)時(shí)域波形如圖4所示。

圖4 去噪處理后故障信號(hào)

對(duì)上述信號(hào)在MATLAB中進(jìn)行FFT譜分析后得到各高次諧波含量，如表3所示。

表3 各高次諧波含量(THD=0．72)

根據(jù)上述診斷流程，代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4所示，電流不平衡率為6．2%。

表4 診斷結(jié)果

分析表3和表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得以下兩點(diǎn)結(jié)論:

(1)根據(jù)表3中的各高次諧波含量值，可以看到故障信號(hào)諧波含量較高的為第2，3，4，5次諧波，這與我們采用這4次諧波作為計(jì)算電動(dòng)機(jī)各部位故障程度時(shí)的主要分量相一致。

(2)分析表4的異步電動(dòng)機(jī)各部位故障診斷結(jié)果，可以看到該鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的軸承處發(fā)現(xiàn)需要注意的異常老化，異常程度級(jí)別為B1(輕度異常)，還可正常運(yùn)行6個(gè)月，可觀察6個(gè)月后再測(cè)定，通過(guò)拆解之后，發(fā)現(xiàn)軸承處存在初期老化的跡象，主要原因是由于受流體振動(dòng)的影響。繞組線圈處發(fā)現(xiàn)需要注意的異常，異常程度級(jí)別為B1(輕度異常)，由于A相串入30 Ω的電阻后，致使電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡，使繞組發(fā)生輕微振動(dòng)，導(dǎo)體間相互摩擦，使繞組的絕緣性受到損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種新的異步電動(dòng)機(jī)故障診斷方法，即在不影響異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的情況下，采集電流信號(hào)，然后對(duì)此進(jìn)行去噪處理和頻譜分析后，得到各高次諧波含量，并做歸一化處理后，與對(duì)應(yīng)劣化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，從而作出相應(yīng)的故障診斷。利用一臺(tái)鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，有效地判斷出了該異步電動(dòng)機(jī)的故障部位及故障程度，驗(yàn)證了該方法的有效性和優(yōu)越性，為異步電動(dòng)機(jī)的故障診斷提供了一種新的思路，并且該診斷方法對(duì)維持穩(wěn)定生產(chǎn)、減少事故、降低成本等具有重要意義。