Park矢量方法在電動(dòng)機(jī)故障綜合診斷中的應(yīng)用

韓 星 海

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

引言

三相交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種電氣設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中屬核心設(shè)備。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中存有多種隱形的、不可預(yù)測(cè)的故障，直接影響到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，研究電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況與監(jiān)測(cè)技術(shù)及時(shí)掌握電動(dòng)機(jī)在線運(yùn)行情況，及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷出電動(dòng)機(jī)故障并采取相應(yīng)措施，對(duì)于保障電動(dòng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行以及企業(yè)的安全生產(chǎn)，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)雖然有部分生產(chǎn)設(shè)備具備自動(dòng)化檢測(cè)和控制接口，但是絕大多數(shù)現(xiàn)用和將用的設(shè)備還沒(méi)有采用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電壓、電流、電機(jī)溫升及軸承振動(dòng)工況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和控制，將Park矢量方法與信息融合技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)故障綜合診斷。

1 Park矢量及其擴(kuò)展方法應(yīng)用理論

所謂的Park矢量(Park's Vector)由兩個(gè)分量組成，可表示為（iα，iβ），這兩個(gè)分量都是電動(dòng)機(jī)定子繞組三相電流（ia，ib，ic）的函數(shù)，分別為：

在理想情況下，三相電流ia，ib，ic相互平衡，Park矢量具有下列形式

式中：iM——電源相電流幅值，A；

ω——電源角頻率，rad/s；

t ——時(shí)間變量，s。

如果以Park矢量的兩個(gè)分量分別作為橫縱坐標(biāo)，隨著時(shí)間t的變化，其軌跡為一個(gè)圓，圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)。在這種理想情況下，Park矢量的模為常數(shù)（對(duì)應(yīng)于常量或直流）。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，理想條件被破壞，三相電流不再平衡，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些諧波或變頻分量。這時(shí)Park矢量的軌跡不再是一個(gè)圓，可能是橢圓，也可能是不規(guī)則的閉合曲線。具體形狀，決定于故障性質(zhì)及其嚴(yán)重程度。圖1～4分別表示良好狀態(tài)和有不同故障的電動(dòng)機(jī)三相電流的Park矢量軌跡圖像。

圖2 匝間短路故障的Park矢量軌跡

圖4 斷條和匝間短路故障的Park矢量軌跡

表1 派克矢量的模中包含的頻率成分

關(guān)于電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路故障相別的判定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，獲得如下判據(jù)：

（1）電動(dòng)機(jī)三相繞組為三角形接法，不論轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針還是逆時(shí)針，也不論電源頻率是否為工頻，當(dāng)Park矢量軌跡長(zhǎng)軸指向150°時(shí)，從電源端看匝間短路相為A相；當(dāng)Park矢量軌跡長(zhǎng)軸指向90°時(shí)，匝間短路故障相為B相；當(dāng)Park矢量軌跡長(zhǎng)軸指向30°時(shí)，匝間短路故障相為C相。

（2）電動(dòng)機(jī)三相繞組為星形接法，Park矢量軌跡長(zhǎng)軸呈水平方向時(shí)，從電源端看匝間短路相為A相；當(dāng)Park矢量軌跡長(zhǎng)軸指向120°時(shí)，匝間短路故障相為B相；當(dāng)Park矢量軌跡長(zhǎng)軸指向60°時(shí)，匝間短路故障相為C相。

基于Park矢量的診斷電動(dòng)機(jī)故障的基本方法，就是識(shí)別不同故障所對(duì)應(yīng)的 Park矢量軌跡。運(yùn)用 ANN的學(xué)習(xí)和模式識(shí)別能力，將斷相三相電壓不平衡等不同故障所對(duì)應(yīng)的Park矢量軌跡作為學(xué)習(xí)樣本；通過(guò)學(xué)習(xí)，將不同故障所對(duì)應(yīng)的Park矢量軌跡特征分別存儲(chǔ)在ANN當(dāng)中，使之具有識(shí)別不同故障的能力。

擴(kuò)展派克矢量方法(Extended Park'sVector Approach)，該方法是對(duì)Park矢量方法的延伸和擴(kuò)展，該方法是以 Park矢量為基礎(chǔ)，對(duì) Park矢量的模進(jìn)行譜分析。因?yàn)閷?duì)Park矢量取模后，將三相電流（ia，ib，ic）中的對(duì)稱分量轉(zhuǎn)換為直流分量(DC)，突出了轉(zhuǎn)子斷條、端環(huán)開(kāi)裂等故障產(chǎn)生的邊頻分量（2ksf1），這樣故障特征頻率就很容易與電源基頻分量（f1）區(qū)分開(kāi)來(lái)。而采用傳統(tǒng)的電流譜分析方法，難以將故障特征頻率(1±2ks)f1，與基頻分量 f1進(jìn)行有效區(qū)分，特別是在電動(dòng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)頻繁的情況下。圖5（a）和（b）分別為正常的電流信號(hào)和斷條故障狀態(tài)下的電流信號(hào)，圖 5（c）和（d）分別為對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)的 FFT結(jié)果，圖 5（e）和（f）為對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展 Park矢量方法結(jié)果。

圖5 傳統(tǒng)的FFT結(jié)果和擴(kuò)展Park矢量方法結(jié)果的比較

2 Park矢量方法的信息融合的應(yīng)用

基于信息融合的實(shí)質(zhì)，Park矢量及其擴(kuò)展方法其實(shí)就是一種典型的信息融合故障診斷方法。與全息譜技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，Park矢量方法是對(duì)電動(dòng)機(jī)的三相電流信號(hào)直接進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的融合，而全息譜技術(shù)則是對(duì)多維的機(jī)械振動(dòng)位移信號(hào)通過(guò)相位信息在頻域內(nèi)進(jìn)行集成和融合。通過(guò)信息融合，兩種方法均突破了傳統(tǒng)的FFT分析的基本框架，提取到了單一的FFT分析所無(wú)法獲得的故障特征幾何圖形和圖像。按照信息融合的層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)與全息譜技術(shù)的對(duì)比，可以將Park矢量及其擴(kuò)展方法劃歸為數(shù)據(jù)層融合方法。基于Park矢量診斷電動(dòng)機(jī)故障的基本思路，就是識(shí)別不同故障所對(duì)應(yīng)的Park矢量軌跡。國(guó)外的研究結(jié)果初步表明，可以通過(guò)識(shí)別Park矢量軌跡“橢圓”的形狀，來(lái)判斷定子繞組匝間短路故障；并且隨著故障程度的加重，橢圓的“扁平程度”越來(lái)越大，而且橢圓主軸方向與故障相有直接聯(lián)系（發(fā)生同相匝間短路故障時(shí)，橢圓主軸方向趨于一致）。

綜合信息融合的一般模型和數(shù)據(jù)融合的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建電動(dòng)機(jī)故障的信息融合診斷模型，如圖6所示。該模型涵蓋了數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)層、特征層、決策層三個(gè)層次，充分利用可用故障信息，進(jìn)行多層次融合；采用了兩級(jí)診斷策略，以進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性和靈敏性。

3 小結(jié)

將先進(jìn)的理論應(yīng)用到診斷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條、氣隙偏心、匝間短路故障的判斷，進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性和靈敏性，使得電動(dòng)機(jī)故障能夠提前預(yù)測(cè)，以便事前采取針對(duì)性措施來(lái)控制和防止事故的發(fā)生，從而避免設(shè)備突發(fā)性故障造成的設(shè)備損壞以及停工停產(chǎn)等巨大損失，減少計(jì)劃維修所造成的一些浪費(fèi)，不斷提高設(shè)備完好率和設(shè)備使用率。

圖6 電機(jī)故障信息融合診斷模型

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