基于數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)的電機(jī)故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹海洋，徐興華，朱啟偉，王 亮

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州 2210062；2. 江蘇省工程實(shí)驗(yàn)中心，徐州 221008）

前言

異步電機(jī)因?yàn)榫哂休^高的性價(jià)比及良好的環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，異步電機(jī)的運(yùn)行狀況將會直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。由于異步電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，影響因素眾多，一旦電機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障，將導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的中斷。對異步電機(jī)的常見故障進(jìn)行分析及診斷可以有效地降低故障率，減少突發(fā)事故造成的損失和維修成本。因此，需要對異步電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。

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

1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

1.1 診斷基本原理

當(dāng)三相電動機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，電流頻譜中會出現(xiàn)特征分量 (1 ± 2ks)f1，通常k=1時(shí)的特征最為明顯；當(dāng)三相電動機(jī)出現(xiàn)定子匝間短路故障時(shí)，通過對三相定子電流運(yùn)用Park矢量模平方函數(shù)進(jìn)行變換，得

式（1）為電流派克矢量的模平方函數(shù)，對Park矢量的模進(jìn)行頻譜分析，電流中除了直流分量外還出現(xiàn)了兩倍的基頻分量2ω1；電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，故障特征頻率也相對穩(wěn)定。因此，可根據(jù)頻譜分析結(jié)果判斷電機(jī)有無對應(yīng)故障[4-7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

異步電動機(jī)故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺主要包括電源控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PC主機(jī)等幾個(gè)子系統(tǒng)。可以對在線運(yùn)行異步電動機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。其原理框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺原理圖

1.2.1 電源和負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源進(jìn)線為三相四線制，用萬能開關(guān)控制進(jìn)線電源。電動機(jī)、直流勵(lì)磁全部采用繼電器開關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行控制。為了防止電機(jī)受潮后引起絕緣下降造成電氣事故，做一開關(guān)閉鎖使風(fēng)機(jī)通電延遲一定時(shí)間后才能啟動異步電機(jī)[3]。模仿發(fā)電機(jī)發(fā)電過程，用故障電機(jī)作為原動機(jī)，拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電，用兩組相互并聯(lián)的大功率白熾燈，作為發(fā)電機(jī)的可變負(fù)載，通過改變接通的白熾燈的組數(shù)，來改變電機(jī)的負(fù)載大小。

1.2.2 故障電機(jī)設(shè)計(jì)

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

1.2.3 數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)

對于異步電動機(jī)故障診斷系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采集是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)。傳感器用于獲取信號，主要包括電壓、電流傳感器、轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，將傳感器獲得的信號傳到PC機(jī)，本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡采用USB2080型數(shù)據(jù)采集卡。

USB2080型數(shù)據(jù)采集卡是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計(jì)算機(jī)的USB接口相連，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。PC主機(jī)的主要作用包括兩方面，一是為硬件電路提供驅(qū)動程序；二是接受和保存數(shù)據(jù)采集卡傳送的傳感器的信號數(shù)據(jù)并對其做相應(yīng)的分析和處理。

2 綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)子斷條與氣隙偏心故障

依據(jù)外界環(huán)境，調(diào)整時(shí)間繼電器的整定值，設(shè)定合理的延時(shí)時(shí)間，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓旋鈕使勵(lì)磁電壓達(dá)到合理值，應(yīng)使其不要超過要求的最大值。檢查負(fù)載控制按鈕，使之處于斷開狀態(tài)，然后依次按下啟動發(fā)電機(jī)和電動機(jī)控制按鈕，電動機(jī)自動運(yùn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)便處于發(fā)電狀態(tài)。在空載條件下和不同的負(fù)載情況下記錄當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集當(dāng)前電流的波形并保存數(shù)據(jù)以便分析。按照先斷開負(fù)載，其次依次斷開電動機(jī)、勵(lì)磁，最后是風(fēng)機(jī)控制按鈕的順序停機(jī)。更換電動機(jī)轉(zhuǎn)子重復(fù)上述過程。

2.2 定子繞組匝間短路故障

調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓控制按鈕，調(diào)節(jié)電的勵(lì)磁電壓，檢查負(fù)載控制按鈕，使之處于斷開狀態(tài)，然后按下啟動電動機(jī)控制按鈕，再調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓旋鈕，使發(fā)電機(jī)輸出電壓為額定電壓。選擇適當(dāng)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(fā)生，采集在空載和不同負(fù)載下的電流波形并保存數(shù)據(jù)以便分析。按照上述停機(jī)順序停機(jī)，改變電阻值，重復(fù)上述過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以分析電機(jī)的斷條故障為例，首先運(yùn)用Park矢量變換的方法，對三相電流信號進(jìn)行融合，然后對融合的電流信號進(jìn)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(zhuǎn)化為2ksf1，距離基頻f1比較遠(yuǎn)，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(jī)沒有發(fā)生斷條故障時(shí)，其低頻帶信號基本上是一條直線，而當(dāng)電機(jī)發(fā)生斷條故障時(shí)，即在圖4和圖5中，電機(jī)的低頻帶信號呈現(xiàn)出一定周期性的變化規(guī)律，這種呈周期性變化規(guī)律的低頻帶信號實(shí)際上就是斷條故障特征頻率的時(shí)域波形。從實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)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(zhǔn)確地提取到斷條故 障信號，另外該方法對于負(fù)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(tǒng)的基于單一因素診斷電機(jī)故障的缺點(diǎn)。

圖2 良好電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)DB5小波分解結(jié)果

圖3 良好電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)DB5小波分解結(jié)果

異步電動機(jī)故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用了綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對異步電機(jī)各種數(shù)據(jù)的綜合采集，利用計(jì)算機(jī)輔助分析功能，可以有效地對電機(jī)的故障做出分析，幫助有效地建立電機(jī)故障數(shù)據(jù)庫，使得電機(jī)故障在線診斷和檢測的實(shí)現(xiàn)成為可能。另外異步電動機(jī)故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺的建立，為本科學(xué)生綜合分析電機(jī)故障提供了條件，提高了學(xué)生綜合分析問題和獨(dú)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(shí)驗(yàn)平臺。

圖4 2根斷條故障電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)DB5小波分解結(jié)果

圖5 5根斷條故障電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)DB5小波分解結(jié)果

圖4 極化曲線測試后的點(diǎn)腐蝕掃描電鏡照片

3 結(jié)論

通過在人工海水中水輪機(jī)常用金屬材料的電化學(xué)測試結(jié)果和腐蝕形貌可以看出，常規(guī)的碳鋼材料在海水介質(zhì)中自腐蝕電位較低，且鈍化區(qū)間很窄，耐腐蝕性不好，不應(yīng)被用于水輪發(fā)電機(jī)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(qū)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(jī)過流部件常用馬氏體不銹鋼ZG00Cr13Ni4Mo雖然具有明顯的鈍化區(qū)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(fā)電設(shè)備中的應(yīng)用應(yīng)慎重選擇，并配合有效的防腐蝕措施。

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