基于自適應(yīng)陷波器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷

劉先飛（郴州技師學(xué)院，湖南 郴州 423000）

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基于自適應(yīng)陷波器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷

劉先飛
（郴州技師學(xué)院，湖南 郴州 423000）

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)部件，其正常工作與否，直接關(guān)系到生產(chǎn)過(guò)程能否連續(xù)運(yùn)行。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障是一種隱性故障，危害比較嚴(yán)重，且不容易被檢測(cè)到。本文提出了一種基于自適應(yīng)陷波器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷方法，經(jīng)過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用自適應(yīng)陷波器方法診斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障是行之有效的。

關(guān)鍵詞：陷波器；診斷；分析

0. 引言

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、維修維護(hù)工作量小而在工業(yè)電氣傳動(dòng)領(lǐng)域占有非常重要的地位。對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鼠籠式異步電機(jī)的異常現(xiàn)象，避免電機(jī)失效和高價(jià)維修，具有極其重要的意義。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的故障類型很多，監(jiān)測(cè)方法也有很大的差異。其中轉(zhuǎn)子斷條故障，占鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)故障的10%左右。基于自適應(yīng)陷波器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷法有著重要的研究?jī)r(jià)值。

1. 自適應(yīng)陷波器

陷波器是一種對(duì)某一或多個(gè)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(yīng)陷波濾波器（簡(jiǎn)稱自適應(yīng)陷波器），d（t）是監(jiān)測(cè)到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際的定子電流信號(hào)，其中含有（1-2s）f1的有用頻率分量；參考輸入量x（t）是電動(dòng)機(jī)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(shí)刻濾波器自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)；εk為誤差信號(hào)。采用自適應(yīng)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(guò)。

圖1　單一頻率的自適應(yīng)陷波濾波器

圖2　LMS算法信號(hào)傳輸流程圖

最小均方誤差（Least mean-square，LMS）算法具有易于實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，在理論分析和實(shí)踐中應(yīng)用非常廣泛。最小均方誤差算法的基本思想是：調(diào)整濾波器自身參數(shù)，使濾波器輸出信號(hào)和期望輸出信號(hào)之間的均方誤差最小，系統(tǒng)輸出是有用信號(hào)的最佳估計(jì)。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(zhǎng)參數(shù)，z-1表示延遲，ω1=2πf1。

根據(jù)圖2中信號(hào)傳輸過(guò)程，權(quán)可以修正為：

故可以推導(dǎo)出：

由此就得到濾波器輸出端點(diǎn)的響應(yīng)：

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

2. 基于自適應(yīng)濾波器的轉(zhuǎn)子斷條故障診斷

2.1 仿真分析

取采樣點(diǎn)數(shù)n=2048，采樣頻率fs=1000Hz。步長(zhǎng)因子μ的取值影響陷波器的收斂速度與誤差，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)取μ=0.007自適應(yīng)陷波器收斂效果最佳。轉(zhuǎn)子輕微斷條時(shí)，（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(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)的特點(diǎn)，設(shè)電動(dòng)機(jī)定子電流的原始輸入d（n）是工頻信號(hào)x1（n）與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障信號(hào)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(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條故障，這里s=0.025。圖3（a）、（b）分別為信號(hào)d（n）的時(shí)域波形和其頻譜分析的結(jié)果，頻譜分析發(fā)現(xiàn)（1-2s）f1特征分量被強(qiáng)大的基頻分量所掩蓋。采用本文提出的方法，做自適應(yīng)陷波處理時(shí)參考輸入為一個(gè)頻率為50Hz的余弦波，信號(hào)d（n）經(jīng)自適應(yīng)陷波器處理后得到的信號(hào)及其頻譜分析的結(jié)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(shí)例分析

采用自適應(yīng)陷波方法對(duì)一臺(tái)型號(hào)為TYPE100-4、ne=1430r/min、p=2的鼠籠式異步電機(jī)進(jìn)行斷條故障診斷，電機(jī)的供電頻率f1為50Hz，采樣頻率fs為1000Hz，采樣點(diǎn)n為2048。此時(shí)，故障特征頻率分量（1-2s）f1僅與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，表1給出了實(shí)驗(yàn)的一組數(shù)據(jù)。從表中可以看出，自適應(yīng)陷波后與自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)中測(cè)得的實(shí)際電動(dòng)機(jī)定子電流波形和頻譜圖如圖5所示，該電流信號(hào)采用陷波處理后的信號(hào)及其頻譜圖如圖6所示。

圖3　仿真定子電流的時(shí)域波形及頻譜圖

圖4　陷波后仿真信號(hào)的頻譜分析

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

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(jié)論

仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，故障特征頻率與理論計(jì)算得到的特征頻率是一致的，自適應(yīng)陷波器對(duì)工頻信號(hào)有很好的抑制作用。從時(shí)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(hào)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(méi)有完全去除，但其幅值被削減了95%以上。

參考文獻(xiàn)

［1］劉來(lái)濱，張廷元，周封.用自適應(yīng)陷波器檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的仿真［J］.電機(jī)技術(shù)，2006（4）：44-46.

中圖分類號(hào)：TP206

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A