基于虛擬儀器和MCSA技術的電機轉子斷條故障診斷的研究

曹慶皎　王靜爽　王奕卓

摘? 要：本設計利用LabVIEW可視化技術，通過ARM芯片STM32103對霍爾傳感器采集的數據進行處理，實現了對電機轉子斷條故障的診斷，開發利用電流頻譜診斷分析技術（MCSA），測試電機負載運行時的電流信號，利用傅里葉快速變換分析電流時域信號轉換的頻譜，以判斷電機運行過程中出現的轉子斷條故障。

關鍵詞：電流頻譜分析;故障診斷;虛擬儀器;定子電流

中圖分類號：TM307? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）29-0005-03

Abstract： In this design， the data collected by Hall sensor is processed by ARM chip STM32103 by using LabVIEW visualization technology， the broken bar fault diagnosis of motor rotor is realized， and the motor current spectrum analysis （MCSA） is developed. The current signal of the motor load is tested， and the frequency spectrum of the current time domain signal conversion is analyzed by Fourier transform in order to judge the rotor bar breaking fault in the process of motor operation.

Keywords： current spectrum analysis; fault diagnosis; virtual instrument; stator current

交流電機故障監測和診斷的有效方法可以采用定子電流頻譜分析法，此法能診斷出靜態氣隙偏心、交流電機中籠型繞組的斷條、動態氣隙偏心、機械不平衡等故障。通常交流電機的故障因其設計和運行特點所決定，具體是由于機械和電氣兩方面原因相互結合引起的。感應電動機由于內部空氣間隙狹小，其對磁力不平衡以及磁動勢不平衡很敏感。由于交流電機在直接起動時起動電流會較大，所以籠型繞組或阻尼繞組在短時啟動過程中會承受較高的機械應力與熱應力，進而極易導致籠條以及端環在很高應力作用下因疲勞而斷裂。直接起動時的大電流與此同時還會在繞組末端產生大量電能，使繞組末端產生振動與變形，由此導致絕緣材料發生機械損壞與磨損，造成擊穿故障。還有，直接起動時的大電流也會致使磁芯產生振動，而機械振動引起的氣隙偏心現象會在氣隙中產生磁場諧波，最終產生比較大的單邊磁力等。通過氣隙磁場，在定子電流中反映出籠條斷裂、動靜氣隙偏心等故障癥狀。所以，在對這些故障進行診斷時，可以采用定子電流檢測和頻譜分析方法。因此本文主要介紹的內容是電機轉子斷條的診斷原理和方法。

虛擬儀器是一個基于PC機的硬件平臺，用戶根據設計要求定義虛擬面板，并編寫相應的程序，實現虛擬儀器系統的相應測試功能。將虛擬儀器與電機轉子斷條故障診斷相結合，充分發揮了“軟件即儀器”的優點，通過在虛擬面板上簡單地操作各種控制開關來實現對故障診斷的研究。

1 診斷轉子斷條的原理

異步電機定子電流頻率在理想條件下是50Hz。由于電機結構的特點，轉子電路在發生故障時，定子電流譜圖中會有一個旁頻帶，是與電源頻率f1相差2sf1。這一現象已被推斷和證實。

對p對磁極的異步電動機，當電源頻率是f1時，定子電流產生磁勢M1，基波磁勢為：

根據公式（11）可以觀察到磁動勢表達式的第一項包含3ωt和3θ兩項，這兩項將會在三相定子繞組中產生零序電勢，但是對電源電流沒有影響。第二磁動勢分量包含低于電源角頻率的分量2sω，即F2=（1-2s）F1的分量，該分量會在異步電機定子繞組中產生一個三相電流分量，而該三相電流分量會比電源電流角頻率低，并且非常接近電源電流頻率。因此分量調制作用，定子電流將按一定規律發生節拍性的變化。電流周期性脈動的情況會使定子電流表的指針進行擺動，電機的轉矩隨之發生波動，致使異步電動機的轉子轉速以兩倍的滑差頻率進行波動。轉速的波動會造成異步電機的電流在以供電頻率為中心，在-2sf1—+2sf1之間發生變化，由于電機定子三次諧波磁通調制的原因，電機轉速與電機電流兩者的波動將更加明顯。所以異步電機轉子斷條的損傷程度會對邊頻電流幅值和基頻電流幅值兩者之間的差值大小產生直接影響。

若異步電機的籠型繞組發生斷條故障，則在定子電流中產生（1±2s）f1的故障特征分量，即在定子電流基頻附近出現頻率為±2sf1的側頻。從邊緣頻率的幅值和邊緣頻率的幅度與基波電流的幅值之間的差值可推斷出斷裂籠條的估計數目。以上是診斷異步電動機轉子斷條故障的理論依據。

2 定子電流檢測與診斷

2.1電流檢測與診斷

對定子電流進行檢測，系統是由傳感器、數據采集器、微控制器和診斷軟件組成。傳感器在現場采集電流信號，經轉換后送入微處理器，并在現場進行頻譜分析，并記錄頻譜，通過通訊電路上傳上位機，由上位機使用labVIEW軟件對電動機進行頻譜診斷。

傳感器選用霍爾電流傳感器，其輸出信號是毫伏級的電壓信號，需要適當調理后作下一環節的輸入。微處理器采用STM32103作為控制器，系統斷條診斷所依據的原理是：電機在提供動力的同時，將采集到的定子電流信號經過相應的調理電路處理后，通過光電隔離電路，經由A/D轉換后轉換為數字量，將得到的數字量送入芯片對信號進行處理，由通訊電路上傳給上位機，利用快速FFT變換提取電機相應的電流信號頻譜，通過分析電機的頻譜來判斷電機是否存在斷條故障，最終將在人機交互界面上顯示結果。

2.2 上位機監控界面的設計

本設計利用串口來進行數據傳輸，LabVIEW可以通過NI VISA函數來實現串口通信。NI VISA是NI提供的VISA I/O標準。LabVIEW的 VISA模塊位于“儀器 I/O →串口”函數選板中[2]。

3 轉子斷條的頻譜圖變化

實驗一臺2對磁極轉子51槽的異步電動機，額定轉速1430r/min，同步轉速為1500r/min，轉差率s=0.058，在不同故障狀態下，檢測定子電流和做頻譜分析，測出其基頻電流分量和邊頻電流分量，并將它們之差值與故障程度進行分析比較，研究其變化規律。

電動機在正常滿載時，不同狀態下的電流頻譜圖如圖1-圖3所示。

圖1電流譜圖是電機滿載運行，轉子無斷條情況下得出的，由此圖可知，滿載運行時，邊頻分量極小，它與基頻分量的幅值之間電流級差值已高達64dB。圖2是電機滿載運行，繞組在斷條一根時具有的電流頻譜圖，邊緣頻率分量增加到71dB，并且邊緣頻率分量和基頻分量之間的差減小到44.5dB。圖3是滿載運行時兩根斷條時的電流譜圖。邊緣頻率分量隨斷條數目的增加而增大，邊緣頻率分量達到78.5dB，邊緣頻率分量與基頻分量之間的電流差減小到37dB。通過對不同故障條件下電流譜的分析，可知邊緣頻率分量隨故障程度的加重而增大，基頻分量與邊緣頻率分量的差值隨故障程度的加重而減小。根據此規律，可以對異步電動機的籠形繞組進行故障診斷，如正常、高阻、一條斷條、兩根斷條或是多條斷條等情況。

4 結束語

本文基于虛擬儀器和MCSA技術的電機轉子斷條故障診斷的設計，利用labVIEW圖形化編程語言設計上位機界面，通過ARM芯片STM32103對霍爾傳感器采集的數據進行處理，實現了對電機轉子斷條故障的診斷，整個系統實現了信號采集、放大、數據存儲、通訊、圖形顯示幾個功能，并通過實例驗證了系統的正確性。

參考文獻：

[1]王新，付子義，鄭征.機電設備故障診斷技術及應用[M].煤炭工業出版社，2014.

[2]胡乾苗.LabVIEW虛擬儀器設計與應用[M].清華大學出版社，2016.

[3]武奇生，白璘，惠萌，等. 基于ARM的單片機應用及實踐——STM32案例式教學[M].北京：機械工業出版社，2017.