（控制科学与工程专业论文）远程电机状态监测和故障诊断系统研究与实现.pdf

摘要 本文综合研究状态监测技术、故障诊断技术、网络通信技术和虚 拟仪器技术，研究开发一种远程电机状态监测和故障诊断系统。系统 包括现场数据采集单元和远程p c 单元两部分。现场数据采集单元是 基于t m s 3 2 0 v c 5 41 0d s p 处理器的状态信息采集和数字信号处理系 统。在系统中通过各种传感器采集、信号调理电路和高速a d 采样 电路实现对远程电机状态信息的采集和调理，并在现场通过d s p 处 理器对监测的状态信号进行必要的处理和分析，其中包括基于小波分 析的信号处理和f f t 数据分析等，同时还可实现现场数据实时显示和 与其它现场设备通讯的功能。现场数据采集单元将经过处理后的数据 通过以太网传控制器r t l 8 0 1 9 a s 传输给p c 机。远程p c 单元是基于 l a b v i e w 的虚拟仪器状态监测和故障诊断平台，平台主要包括信号 发生模块、时域分析模块、频域分析模块和幅值分析模块几大部分， 同时还包括一些辅助的数据存储功能和波形显示功能，致使系统可以 对远程电机的工作状态进行实时在线监测与多角度的全面分析，继而 能够实现对远程电机的状态监测和故障诊断。 论文综述了电机运行状态监测与故障诊断分析方法的发展及其相 关技术研究，对电机故障信号处理与分析方法进行了研究，对系统硬 件实现电路进行了详细的设计，研究开发了现场采集单元的 t m s 3 2 0 v c 5 4 10 软件、通讯程序设计和远程p c 的l a b v i e w 上位机 软件设计。 通过实验调试及仿真实验验证本文的研究设计和系统实现的可行 性，满足预期的设计要求。 关键词：远程状态监测，故障诊断，d s p ，以太网，l a b v i e w 平台 a bs t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n sar e m o t em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g s y s t e mf o rr e m o t em o t o rc o m b i n e dw i t hc o n d i t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n d v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n dt h es y s t e mc a nb ed i v i d e di n t os c e n e a c q u i s i t i o nu n i t ( s a u ) a n dr e m o t ep cp l a t f o r mb a s e do nl a b v i e w a n dt h es a ui sas t a t es i g n a la c q u i s i t i o na n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e mw h i c hi s b a s e do nt m s 3 2 0 v c 5 41op r o c e s s o r a n dt h es a u c o l l e c tt h em o t o rs t a t u ss i g n a lt h r o u g haf e ws e n s o r s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t sa n dh i g h - s p e e da ds a m p l i n gc i r c u i t a n dt h e nt h es t a t u ss i g n a l s w i l lb ea n a l y z e da n dp r o c e s s e di nt h ed s ea n dt h ed s pn o to n l yc a n i m p l e m e n tw a v e l e ta n a l y s i sa n df f ta n a l y s i s ，b u ta l s oc a ni m p l e m e n t d a t a d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o nw i t h o t h e rd e v i c e s a n dt h e nt h e p r o c e s s e dm o n i t o r i n gs i g n a l sw i l lb eu p l o a d e dt ot h el a b v i e wp l a t f o r m t h r o u g hae t h e r n e tc h i pr t l 8 0 19 a s a n dt h el a b v i e wp l a t f o r m c o n t a i n sm o d u l e so fs i g n a lg e n e r a t i o nm o d u l e ，t i m e - f i e l da n a l y z em o d u l e ， f r e q u e n c ya n a l y z em o d u l ea n ds w i n ga n a l y z em o d u l e s ot h a t i tc a n r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dm u l t i p e r s p e c t i v et h ew o r k i n gc o n d i t i o no f r e m o t em o t o r t h e p a p e rs u m m a r i z e sk i n d so fm e t h o d sa b o u tt h em o t o rc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sm e t h o d sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，a tt h e s a m et i m et h ep a p e rr e s e a r c h sm e t h o df o rf a u l ts i g n a lp r o c e s s i n ga n d d e s i g n st h eh a r d w a r ei nd e t a i l ，a n dd e v e l o pt h es y s t e ms o f t w a r ei n c l u d e t h et m s 3 2 0 v c 5 41os o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea n dr e m o t ep c l a b v i e w p l a t f o r ms o f t w a r e d e b u g g i n ga n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tv a l i d a t et h es t u d yd e s i g na n d f e a s i b i l i t y o fi m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e m t om e e tt h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s 1 1 k e yw o r k s ：r e m o t ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，d s p , e t h e m e t ，l a b v i e w p l a t f o r m i i i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 远程状态监测和故障诊断技术概述 1 1 1 电机设备故障状态监测的必要性 现代电机设备特别大型电机设备日益朝着高效率、高精度、高集成度和现代 化、大型化、自动化、网络化等方向发展，导致电机运行性能和结构复杂程度的 不断提高，各部份关联程度也越来越复杂【l 】。这些变化改善电机质量，提高企业 生产效率，降低企业生产成本和改善了工人工作生活条件的同时也带来了一些问 题，例如电机突发性故障变高、维修费用增加、维修时间增长和停机损失加大等 影响。所以为了确保电机特别是大型电机的正常可靠运行，发挥其应有的最大效 益，对其进行状态监测和故障诊断是势在必行的。 电机的状态监测通常是指通过测量和监视电机运行过程中的状态信息或特 征参数变化，并以此来判断其运行状态 2 】。其根据在于若电机发生异常或故障， 其状态信息或特征参数中就会产生相应变化，例如含有短时冲击和突变信号成分 等，通过对这些状态信息和特征参数的分析和处理，就可以预测或判断电机异常 或故障情况以及将来的运行状况。电机状态监测和故障诊断技术的本质是利用现 代科技发现和消除电机安全隐患。同时加强对电机状态监测工作，必定就能避免 许多恶性事故发生，从而降低电机故障发生频率，增长电机的维修周期，减少电 机维修的费用以达到提高经济效益的目的。据初步统计由于运用电机状态监测和 故障诊断技术为我国带来的经济效益就高达数百亿之多。因此，对电机设备进行 状态监测和故障诊断对电机的安全性、可靠性以及经济效益就意义非凡。 1 1 2 远程监测和故障诊断技术的产生背景 传统的电机状态监测和故障诊断系统对电机的监测、分析、诊断、控制和维 护都发生在工业现场，这就必然很大的限制系统的使用的范围，具有很强的地域 性。也就是说当工业现场发生并且无法解决其发生故障时，就只能停机寻求帮助， 这将必然会造成大量不必要人力和物力的浪费，所以在这种形势下，电机的诊断 和维护就很不方便【3 】【4 】。 随着现代科技不断的朝着智能化、集成化和全球化方向发展，导致电机状态 监测和故障诊断系统以状态信息的采集、传输、处理和利用为核心，不断的朝着 深度和广度方向发展。因此对电机状态监测和故障诊断系统提出了新的要求： 在物理结构上【5 l ，电机状态监测和故障诊断系统为了适应应用全球化和结构 可重组要求，应该采用模块化处理。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在体系结构上【6 1 ，电机状态监测和故障诊断系统为了适应激烈竞争的要求必 须采用分布式和网络化的体系结构。 在功能上，电机状态监测和故障诊断系统为了配合系统结构要求各个功能模 块必须要能互相独立运行，使模块可以任意组合，并且要求能与其它系统相匹配。 在性能上【7 1 ，电机状态监测和故障诊断系统必须保证其性能的安全性、可靠 性、信息的有效性、灵活性和可扩展性。 基于以上叙述的要求远程电机状态监测和故障诊断系统就应运而生，其本质 是通过信息交换的模式来确保远程电机的安全正常可靠运行，以达到提高工作效 率、降低生产成本和提高经济价值的目的。同时，因为其方便快捷、安全实用和 经济实惠等优点而成为电机状态监测和故障诊断系统的一个重要研究领域。 1 2 国内外研究发展状况综述 1 2 1 研究发展状况 随着计算机网络通信技术的发展，远程电机状态监测和故障诊断已经引起国 内外学者的普遍关注和重视，并开始投入了大量的人力、物力和财力对其进行深 入的探索和研究，其研究现状主要可从以下几方面进行论述： 1 从实现方式上，远程电机状态监测与故障诊断系统在工业控制的实际应用 领域的实现方式主要包括点对点型和网络型两种实现方式【8 】。其中点对点型远程 状态监测和故障诊断是指通过本地调制解调器、远程调制解调器以及电话线来监 测远程电机运行状态。点对点型远程监测系统缺点是数据流量小、并且不能实现 实时连接，同时企业也无法获取最新的诊断技术，不过其优点也是显而易见的即 简单实用，需要的设备较少。网络型远程状态监测与故障诊断是一个可以应用在 任何基于t c p i p 协议的网络模式上开放的分布式系统，其最显著的优点就是能 够实现上下位机甚至是厂级连网。同时由于网络型模式采用柔性结构，使其应用 程序可以通过分配给下属多个服务器进行以改善自身性能。 2 从实现模式上【9 】，由于远程电机状态监测和故障诊断系统利用了计算机网 络通信技术，因此其实现模式在很大程度上受到网络通信技术发展的限制。目前 较为常用的实现模式有： 简易的离线远程监测模式：该模式能够实现简单快捷的信息交换和状态 监测，使用的通信技术是电子邮件技术和文件传输协议作为的远程监测诊断技术 的传输模式。基于电子邮件【1 0 】的监测模式最大的优势在于技术的简单易行、维护 费用低和对网络性能要求不高的特点，其明显缺陷就是交互性和实时性均比较 差，并且电子邮件不但只能提供有限的服务，而且大部分服务还不能满足现代化 工业对远程通信的要求【1 2 】。文件传输协议是一种简易的客户机服务器模式【】， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 其实现原理是用户通过在客户端向服务器端提出申请请求，服务器如果同意其提 出的请求就开始执行用户所发的命令并将结果通过网络返还给客户端。文件传输 协议优势在于模式实现简单易行适用，而对现场的缺少灵活性和主动性是其应用 与实践的最大缺陷。 基于局域网的远程电机监测诊断系统【1 3 】：该模式通过采用目前实践中较 为常用t c p i p 传输协议实现数据的交换和传输。t c p i p 传输协议的特点在于通 信安全可靠、实现简单方便，且兼容性等各方面的性能均比较优良。这种模式的 具体实现过程是通过系统的下位机现场采集单元进行数据采集和现场在线监测， 上位机实现对采样数据的分析处理，进而得到诊断结果或者处理方案。但是该模 式存在监测和诊断地理区域较小的缺陷，所以通常只是在工厂或企业内部使用。 基于客户机服务器的远程电机监测诊断系统【1 4 】：客户机服务器模式是上 个世纪9 0 年代美国首先提出来的，并得到迅速的发展。此种模式被认为是目前 远程电机状态监测与故障诊断系统的实现方面的较为理想模式。 基于浏览器服务器远程电机监测诊断系统【l5 】：浏览器月艮务器模式是一种 多层客户机朋殴务器结构。由于该模式采用w e b 技术，因而很大程度上缩减系统 的管理和维护工作b 6 】，这种模式有着很大的应用优越性和广阔的发展前景。 基于视频会议的远程电机监测诊断系统：视频会议是通过邀请专家参加 网络视频会议，针对现场发生的具体故障做出分析和诊断。所以该模式理论上是 可达到专家现场会诊的效果和水平。但是由于受到网络带宽的制约和专家时间调 配的问题，目前视频会议在远程电机监测诊断中的实际应用还相对较少。 3 从诊断方法上；电机故障诊断方法主要可以分为基于知识的方法、基于诊 断模型的方法和基于信号处理的方法三种。 美国在1 9 6 7 年提出建立研究室主持机械故障预防机构，开始有计划、有组 织地对机械( 特别是电机) 故障诊断技术进行研究，而到1 9 9 0 年已经建立了网 络汽轮机智能化故障专家诊断系统。日本从1 9 7 1 年开始对机械故障机理和故障 诊断技术进行分析和研究。j u f e r 在1 9 7 8 年用数学的方法推理出电机转子断条故 障对供电电流的调制过程，并且该推理在1 9 8 2 年得到了h a r g i s 等人的支持【1 8 】。 同时在1 9 8 2 年s t e e l e 提出通过定子电流来检测【1 9 】异步电机绕组和端环故障的方 法。在国内清华大学的窦玉琴、付立军在1 9 9 3 年提出通过测量电机电流信号和 轴磁通进行转子断条和偏心的诊断方法【2 0 1 。w i l l i a mt o r b a tt h o m s o n 在1 9 9 8 年提 出了利用f f t 分析和有限元分析对三相感应电机定子电流进行分析【2 l 】，通过提 取故障特征频率来判断电机转子故障发生的原因。z h o n g m i n gy e 在2 0 0 1 年提出 基于人工神经网络和小波包分解的三相感应电机转子导条断裂故障诊断方法【2 2 1 。 蒋斌，颜钢锋在2 0 0 3 提出利用复小波变换从笼型异步三相电机启动的定予绕组 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电流中提取故障特征向量的异步电机转子断条故障检测方澍2 3 】 事实上在远程电机状态监测和故障诊断技术的应用和实现过程涉及多方面 的技术知识，包括有现代动力学、现代数字信号采集和处理、模式识别、人工智 能、计算机技术和网络技术等等众多学科。图1 1 所示是电机状态监测和故障诊 断过程框图。 图1 - 1 电机诊断过程框图 1 2 2 发展趋势 由于近代科技特别是故障诊断技术、人工智能技术和网络技术的不断发展， 为现代远程电机状态监测和故障诊断带来了新的思路和新的活力，同时也表现出 一些新的方向和特点： 1 在诊断方法上，出现了传统诊断方法与人工智能诊断技术相结合的诊断方 式。不过由于目前人工智能诊断系统的知识结构和概念体系等因素的影响导致人 工智能诊断技术还不能全面的满足现代工业应用的要求。此外如何将理论研究成 果转化到实践应用领域也存在一些困难。 2 在系统结构上，伴随着现代工业系统网络化和全球化趋势的形成和大量网 络通信技术研究成果的出现都为远程电机状态监测和故障诊断系统的发展奠定 了丰富的网络通信基础。 3 在管理方法上，远程电机状态监测和故障诊断系统将会朝着与企业管理信 息系统相结合方向靠拢。甚至一部分学者认为远程电机状态监测和故障诊断系统 发展的最高方向是将其融入到企业管理信息系统中实现。 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 3 远程电机状态监测和故障诊断系统的研究意义 电机是当前社会应用最为广泛的驱动装置，所以为了确保电机本身及其驱动 负载的可靠安全稳定的运行，就必须要对电机配备状态监测和故障诊断系统。由 于电机状态监测和故障诊断系统涉及多方面的专业技术知识，就对现场工作人员 提出了具有相关领域知识的要求，而这也是制约和影响电机状态监测和故障诊断 系统的应用和推广的根本原因。因此克服时间和地域局限，实现远程专家协作处 理是电机的状态监测和故障诊断系统研究和发展的趋势。 远程电机状态监测和故障诊断系统将克服了时间和地域的限制，同时也继承 了传统监控方式的优势，实现了远程专家协作处理。同时远程电机状态监测和故 障诊断相对于传统方式更能为企业和社会带来经济价值。因此研究远程电机状态 监测和故障诊断系统意义非凡。 首先，缩短或避免因电机故障而造成的时间浪费，提高维修的工作效率，降 低经济损失，同时也提供更方便快捷的服务； 其次，企业通过网络从科研单位或大学院校获得最新诊断理和论诊断技术， 提高企业对未知故障的防范能力，降低故障发生频率，提高企业技术知识水平； 再次，科研单位或大学院校通过网络从工业现场获取实际电机运行状态数 据，为完善电机设计和发现电机缺陷提供现实依据，提高科研单位或大学院校理 论联系实际的程度和水平； 最后，采用嵌入式技术和模块化处理的远程电机状态监测和故障诊断系统， 能够提高系统的灵活性、通用性和可扩展性。 1 4 本文研究的主要内容 本文对远程电机状态监测和故障诊断系统研究及实现进行了分析和研究。并 主要从以下几个方面进行： 1 对系统技术实现方案和结构实现方案进行分析和论证，包括对系统的功能 和技术指标等等技术参数进行分析与设计。 2 探讨和分析电机故障机理及其诊断方法，确立系统诊断方式。通过对信号 分析处理技术的研究，对电机状态信号的进行幅值分析、时域分析和频域分析等。 3 在研究远程电机状态监测和故障诊断的基础上实现以d s p 为核心的现场数 据采集单元和以太网控制器为核心的远程通信模式。实现信号的采集、调理、分 析、处理和诊断，以及监控现场信号的实时显示。 4 研究小波分析在电机状态信号处理中的应用和实现，主要是研究利用小波 分析在信号滤波中的有效性和优越性。 5 研究和搭建基于l a b v i e w 虚拟仪器的远程状态监测和故障诊断平台。 中南大学硕士学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 第二章电机故障及其诊断方法分析 电机故障的原因及其故障机理与电机的运行方式、工作原理、物理结构和工 作环境有着密不可分的关系，在分析和研究电机故障诊断技术之前，了解和掌握 电机的基本构造、运行环境和电机的基本原理及其结构特点有利于研究工作的开 展【2 4 】。本文主要以异步电机作为研究对象。 2 1 异步电机基本构造 异步电机从总体物理构造上来看可分为定子( 不动部分) 和转子( 转动部分) 两个基本部件【2 4 1 。同时在定子和转子之间有空气隙存在。 定子包括机座、定子铁芯和定子线圈三个部分。定子铁芯是在一个空心圆筒 圆周上开有齿和槽筒铁芯，是电机模型主磁通磁路的基本构成部分；定子线圈被 放置在铁芯的槽内是由很多按某种规律相连的导线构成；机座最基本的作用就是 支撑和固定定子铁芯。 转子是由转子铁芯、转子绕组和转轴三个部件构成。转子铁芯也是电机磁路 的组成部分。定子铁芯、转子铁芯和空间气隙共同构成整个电机的完整磁路。一 般而言，中小型异步电机转子铁芯套在转轴上，而大容量异步电机转子则是套在 转子支架上。 异步电机定子和转子之间有气隙的存在，通常为了保证电机有较大的功率因 数和较小的励磁电流要求气隙越小越好，但是如果气隙过小则又会造成电机组装 困难和电机性能下降，如高次谐波损耗和附加损耗增加等等。 2 2 异步电机故障原因分析 异步电机本身故障种类就很多，而引起电机故障的原因则更多。所以在判断 电机故障原因时不能从单一某个因素进行判断，而是应该从多方面，多角度的分 析引起电机故障的原因。 1 定子铁芯故障 定子铁芯短路故斟2 5 1 。异步电机和高速大容量同步电机比较容易发生定 子铁芯短路故障。由于电机气隙过小和定子和转子摩擦或者制造与组装过程铁芯 绝缘体损坏等原因都可能引发定子铁芯短路故障。而定子铁芯短路故障伴随出现 的故障现象就是空载电流加大、振动和噪声增大，同时还可能引发机座外壳局部 高温、造成绝缘体分解和挥发。 定子铁心松动故障【2 4 1 。电机制造过程中的铁芯压装不紧、机械振动、定 6 中南大学硕士学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 子铁芯压紧松动或失效容易导致定子铁芯松动故障的产生。其主要故障特征表现 为电磁噪声和振动在电机起动过程中的增加。定子铁心松动故障的存在导致的最 基本后果就是绝缘磨损和绕组绝缘体因振动大而缩短使用寿命。 2 电机转子绕组故障【2 5 】 笼条断条和端环开裂故障。产生笼条断条和端环开裂故障的原因主要是 因为电机转子长期受热应力、焊接余应力、交变应力和电磁力作用而产生疲劳损 伤。同时异步电机设计和制造缺陷，焊接不良和长期过载以及短时内频繁启动都 是导致断条和开裂的原因。笼条断条和端环开裂故障最重要的故障表征是电机启 动困难和电流摆动，振动增加和转差率加大，同时还伴随着电机噪声增加等等一 系列现象。 转子绕组接地和匝间短路故障。绝缘磨损和转子过热现象都是产生转子 绕组接地和匝间短路故障的原因，同时气隙中积压的导电粉尘如碳粉等也容易导 致匝间短路故障。转子绕组接地故障的早期征兆表现为振动和放电现象，而转子 绕组匝间短路故障的早期征兆表现为电流摆动，转子振动和阻抗不平衡现象。 3 转子本体的故障 转子是电机输出功率的最主要部件，转子在工作过程中要承受多种多样的复 杂交变的应力，导致转子容易出现各种故障。包括由于制造缺陷和冲击负荷造成 的支架松动或开裂故障，其故障征兆表现为电机出现噪声和振动现象，同时还可 能伴随着焊缝开裂现象的产生【2 4 1 ；由于匝间短路或转子绕组端环移位造成的转 子不平衡故障，其早期征兆主要表现为噪声和振动现象等等。 4 定子绕组故障 绕组绝缘磨损故障。定子绕组松动、绕组端的制造不当和绑扎不紧以及 铁芯松动都可能造成绕组绝缘磨损故障，其早期故障征兆表现为端部振动加大、 局部放电增加和泄漏电流增加。 绝缘裂纹故障。通常引起绝缘裂纹故障的原因在于电机振动、温度过高、 适度过低和端部固定不良等等，其故障早期征兆表现为绝缘绕组下降、泄漏电流 增加和局部放电增加 绕组窜位故障。电机起动时电动力过大、线圈和槽之间存在空隙等都是 引起绕组窜位故障的原因。 2 3 异步电机故障机理分析 2 3 1 定子故障机理分析 定子故障中最常见故障是定子绕组匝问短路故障，所以本系统将主要针对定 子绕组匝间短路故障进行定子故障机理分析。国内外学者对定子绕组匝间短路故 7 中南大学硕士学位论文 第二章电机故障及其诊断分析方法 障早已提出了一系列合理且成熟的分析方法，包括有针对电机气隙漏磁通谐波故 障前后变化的监测诊断方法【2 6 】【2 7 1 ，采用局部放电监测的方法【2 8 1 、采用绕组函数 对电机匝间短路故障建立模型的方法【2 9 】【3 0 】、利用特征频率进行频谱分析的方法 【3 l 】，而国内首先提出根据三相电流的相位差检测定子故障的方法【3 2 1 。 本文通过利用多回路理论对电机磁场进行分析，进而求出定子绕组匝间短路 故障的特侦征兆和特征频率，主要的理论依据是根据定子绕组和转子绕组之间的 互感系数关系，求出相应的感应电流进行监测和诊断。因为定子绕组匝间短路故 障会引起绕组中电感参数大小的变化，导致定子和转子中的感应电流发生相应变 化，根据这种变化就可以确定电机的故障从而进行监测和诊断。 定子绕组和转子绕组之间互链过程表现为：定子( 0 9 ) 叫转子( 0 9 j c o , ) 一定子( c o + ( j + j ) c 0 1 ) 叫转子( c o + ( j + j 。) q ) 一 其中，j f = 1 ，3 ，5 ，； c o , 转子角速度，且劬= ( 1 一s ) c o ； s 转差率。 定子基波电流建立的气隙磁场在转子回路中引起的电流在定子线圈产生的 磁链频率为 z - - - i ( 1 2 k ( 1 一j ) ) 厂l ( 2 - 1 ) 其中厂供电电源频率； 尼，1 ，2 ，3 。 定子绕组的匝间短路故障会损坏三相绕组的对称性，导致气隙磁场中出现较 强的空间谐波和定子电流中出现时间谐波，同时也会导致电机振动的产生，产生 的直接影响是定子电流中的偶次谐波和奇次谐波也会相应的有所增加，故式( 2 1 ) 可改写为 z = i ( n 2 k ( 1 一s ) ) 厂l 其中n = l ，2 ，3 ，； k = o ，l ，2 ，3 。 2 3 2 转子故障机理分析 转子常见故障包括有转子不平衡、转子不对中、转子弯曲、转子碰摩、油膜 涡动和油膜振荡等。 1 转子不平衡：转子不平衡故障产生的直接原因是由于转子质量偏心和转子 部件缺损【3 3 1 。转子制造误差和材质不均匀、装配误差都有可能造成转子质量偏 心；同时运行过程中转子的腐蚀、磨损和疲劳力作用有可能造成转子部件缺损。 不过虽然转子质量偏心和转子部件缺损是两种不同类型的故障，但是故障机理却 有着惊人的相似之处。 8 中南大学硕士学位论文 第二章电机故障及其诊断分析方法 假设转子质量为m ，偏心质量聊，偏心距e 。转子质心到轴承连心线的距离 具有扰度a ，则转子力学模型【冽如图2 1 所示。 垴 一 ， 杉 卜 d 强 飧 、一 乜 韶毒1 g o 4 一、。 l l ，一， ：l 赫荔 1 图2 - 1 转子力学模型 如果假设偏心质量集中在g 点，转子以角速度q 转动，则轴心d 的运动微 分方程表达式为 膨埘地一e 1 2 2 ，c o m ( 2 - 2 ) 【2 w i + c , ) + 砂= m e g ) 2s i n f 2 t 解式( 2 2 ) 可得 lx = a c o s ( c o t 一缈) 【y = a s i n ( c o t 一伊) 式中够相位角； a 振幅。 a = r ，功1 2 i 百j e 舯f 一阻尼比且f 2 去。 转子静扰度为 e = 孚= 2 口 则式( 2 3 ) 无量纲形式为 ，l 4 = 一= i x n 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 中南大学硕士学位论文 第二章电机故障及其诊断分析方法 是转子的振幅与静扰度之比，其大小直接影响转子振幅的幅值。分析式 ( 2 4 ) 可知的大小取决于旦和f 的大小，根据式( 2 - 4 ) 绘制出竺与的幅 qq 频响应曲线如图2 2 所示。 8、r 甲 敝l s ，麓笼多 | 彗啦知 ， o 腼 级0 。j 戳。 9 矿 彳 l 憾y r缈7 | l 飞 ol jt ，鼻席摹 磐蕊蕊i 移幅i a 纱 1 0 中南大学硕士学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 运动的轴心轨迹形状是椭圆形。 3 转子碰摩：随着电机机组参数的不断提高、气隙的不断减小和运行过程的 不平衡和不对中等现象的出现，转子碰摩故障就伴随而来【2 4 1 。转子碰摩故障影 响主要表现在以下方面： 改变转子振动形态，导致频谱中高频分量增加； 改变转子刚度，可能导致自激振动的产生； 产生转子和定子的局部过热问题，致使转子产生热态弯曲； 产生附加转矩，致使转子产生扭转振动。 转子碰摩在频谱上表现出丰富的频谱成分，不仅仅含有工频分量，还有含有 高次谐波和低次谐波分量，频谱如图2 3 所示。 图2 - 3 发生碰摩故障时的频谱图 转子碰摩的故障特征征兆主要表现在以下方面： 转子碰摩产生振动导致时域波形发生畸变，并伴随削波现象的出现； 转子碰摩故障产生的振动频谱丰富，波形畸变； 转子单点局部碰摩故障轴心轨迹为葫芦形； 转子多点碰摩故障轴心轨迹为花瓣形； 转子整周碰摩故障轴心轨迹为圆或者椭圆，并且比较混乱。 2 4 异步电机的故障诊断技术 2 4 1 异步电机故障常见诊断技术 异步电机的故障诊断技术在上个世纪7 0 年代就己经进入研究范围，并开始 有研究结果面世，近年来有关异步电机的故障诊断技术也层出不穷，其中主要包 括有基于参数辨识的方法、振动诊断法、p a r k 空间矢量法、m c s a 定子电流特 征分析方法、温度诊断法和气隙转矩分析法。 l 基于参数辨识的方法：在文献 3 4 】中较早的介绍基于电机模型结合系统参 数辨识的方法来监测电机运行状态的异常特征。该方法主要是通过对定子电流和 转子电流以及定子电压进行测量，再利用扩展卡尔曼滤波估计来转子的电阻和转 子电流的变化，从而达到监测电机状态的目的。在文献 3 5 】中利用电机模型以及 实际测量的三相电压和三相电流以及转速信号构成一个带参数的跟踪自适应残 中南大学硕十学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 差发生器，然后对残差进行正交小波变换将分解系数作为特征，继而判断电机的 故障状态；而文献 3 6 1 利用鲁棒模型完成对参数的估计；文献 3 7 是利用动态神 经网络结合转速测量值来进行电流的估计，最后形成残差。 2 振动诊断法：基于振动的故障诊断方法是利用振动传感器对电机运行时的 振动量( 位移、速度和加速度) 进行测量，通过对振动强度进行比较，分析和推 理对振动的性质、故障原因和具体故障部位作出判断。 3 气隙转矩分析法；由于在电机转子出现转子断条故障和不对称等故障时， 转子旋转磁场的正序列分量将会与定子磁场作用形成一个恒定转矩；转子旋转磁 场的负序列分量将于定子磁场作用形成一个2 旷分量谐波转矩，而转子故障的特 征信号就可以用2 旷分量表征【3 8 1 。如果电机的运行状态稳定，气隙转矩与定子输 入功率将与角速度成倍数关系。由于转矩计算包含积分运算和电机磁链数值较 小，所以检测装置的测量误差和采集电压和电流中的微弱波动成分就会对磁链数 值有很大的影响，最终导致气隙转矩中含有多种复杂的频率分量，导致电机转矩 强烈波动。 4p a r k 空间矢量法：上世纪8 0 年代a j m c a r d o s o 和e s s a r a i v a 就开始研 究利用定子电流的p a r k 矢量建立异步电机的故障诊断系统【3 9 1 1 4 0 】，并先后利用 p a r k 矢量方法对电机的几种常见故障进行了诊断方法的研究。该方法的基本思想 是把电机定子三相电流变换到d 、q 坐标系下 4 q 表示，即 在没有中线的星形连接或三角形连接电机模型中，存在屯= 一( 乇+ t ) 关系，定 子电流在电机正常运行时是三相对称，因此简化式( 2 5 ) 为 由式( 2 6 ) 得知岛、矢量轨迹就构成一个以原点中心，以孚，为半径的圆。 当电机转子绕组发生故障时，忽略因速度引起的右边频分量，可得 1 2 土垢 上垢上压 一 一 一k k 口 一2 3 0 1 1 2 压惦上压 = = b l g 62 、j万一2 一 f 西 耐卜 s s 后丁垢丁 = = b 0 中南大学硕士学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 屯：譬 ，c o s 研+ 厶c o s ( 一j ) 研一口f ) = 孚m 卅批c o s 卜) c o t - - a t - - 如 艺+ 弓= 扩+ p + 2 1 枣lc o s ( 2 j 研+ q ) 基于定子电流p a r k 矢量的故障诊断方法为电机状态监测和故障诊断系统提 供了新思路和新方向。由于椭圆的长短轴和偏转方向与发生故障原因及发生的位 置有关，因此基于定子电流的p a r k 空间矢量法对于多种故障的识别比较有效。 但是这种方法存在椭圆率的度量、椭圆与故障严重程度的具体关系不明确和微弱 电机故障的椭圆度很小的缺陷。 5 定子电流特征分析方法：基于定子电流的特征分析( m o t o rc u r r e n ts i g n a t u r e a n a l y s i s ) 由于采用非侵入式的方法提取电流信号，所以得到比较广泛的研究和 应用。通过对电流幅值和波形的检测以及电流的频谱分析可以得出电机故障原因 和程度。因此基于m c s a 的监测方法是目前电机故障诊断最为常用的方法。从 理论上来说，这种方法可以解决除绝缘故障之外所有故障的诊断问题。 6 温度监测诊断方法：这种方法是通过安装温度传感器或者红外测温技术测 量温度的变化来实现对电机的监测，如果考虑环境温度对电机的影响并且电机的 通风状况良好，温度的测量可以采用热模式或者定子电阻的模式，利用热梯度法 来监视定子绕组绝缘的老化现象。 2 4 2 异步电机故障诊断新技术 随着电机状态监测和故障诊断技术的不断向前发展和故障诊断理论的不断 研究和发现，近年来又相继出现了很多新的故障诊断方法： 1 基于p e t r i 网的电机故障诊断方法 基于p e t r i 网的电机故障诊断方法原理是通过将知识表示和诊断推理结合为 一个整体，通过利用矩阵计算的方式获得诊断结果或处理方案。这种诊断技术与 传统诊断模式的电机故障诊断方法相比，具有应用简单直观、诊断速度快、诊断 准确度高的优点1 4 2 。这是因为p e t r i 网以研究系统的动态行为和组织结构作为目 标，关心的仅仅是系统的各种变化关系以及变化对系统的影响，所以p e t r i 网模 型方法从规则的前提和结论的观点来描述和分析系统组织结构和系统动态行为， 保持模型与模型对象在逻辑上的一致性的同时将实际系统抽象化，这就是p e t r i 网建模方法广泛用于各类系统建模和分析中的最根本原因。 2 电机故障的逻辑诊断方法 电机故障的逻辑诊断法的原理是对某一个系统先进行逻辑描述，然后再根据 不同的输入参数，观测其输出结果；如观测结果如系统理论应有的存在差异，则 中南大学硕+ 学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 表示电机出现故障，其方法优点在于简单明了，实现简单；不过其缺点也是显而 易见的就是问题被过于简化，导致诊断准确率低【4 3 】。由于电机各个功能部件存 在着紧密且是相互影响的机械或电磁联系，所以单个部件的损坏将会引起相关部 件的条件故障。基本上所有电机故障都会导致电机参数的相应变化，逻辑诊断法 就是对这些变化的参数进行监测，继而得到诊断结果。逻辑诊断法就是基于对故 障充分分析的基础上，确定诊断试验项目和监测参数，在根据实验结果对电机的 状态作出判断 3 专家系统在电机故障诊断中的应用 近年来，专家系统由于其采用启发式结构和广泛的应用范围而得到迅速发 展，并已经实际应用到了电机故障诊断邻域。电机故障诊断专家系统的原理就是 利用现实中专业邻域的专家的知识、经验、推理和技能综合成计算机程序语言， 利用计算机的高速计算能力分析和解决现实中的复杂问题。而对于电机故障征兆 的正确描述和征兆的自动获取是故障诊断专家系统的根本。 4 电机故障诊断中的人工神经网络诊断方法 由于电机故障与故障特征表现是一种亦此亦彼的、模糊的、非一一对应的关 系。而基于神经网络的电机故障诊断方法在对于多过程、多故障和突发性故障具 有很大的独特的优势。基于人工神经网络的电机故障诊断方法原理如图2 4 所示。 l 电机卜_ 1 参数测量卜- 已训练的神经网络卜= 二= 二 i - ji - ji _ j 图2 - 4 人工神经网络电机故障诊断 神经网络中，知识被变换为网络权值和阈值，而分布在神经网络之中，所以 它的学习过程就是不断调整网络各单元的权值和阈值过程。神经网络的工作过程 可以分为学习期和工作期两个阶段【3 3 1 。在学习期，权值在大量样本驱动下不断 进行修改，在工作期，网络单元权值不变，输入的状态信息通过网络单元之间的 拓扑关系，计算单元的状态变化，映射为输出状态。神经网络的输入对应于电机 的状态信息( 特征参数或者征兆参数) ，输出对应于诊断推理的结论。在故障诊 断的实际应用中，存在着很多神经网络结构模型，但是实际应用最多最有效的是 采用逆向传播算法的前向型的b p 多层神经网络。 5 基于多传感器的数据融合的电机故障诊断方法 基于多传感器数据融合技术就是通过对多路传感器采集电机运行的状态信 息，并对其进行数据融合，其目的就是通过数据融合得到比单个传感器数据下更 精确甚至是无法获取的电机状态信息。 基于多传感器数据融合的故障诊断可以看作是一个决策的过程，基于多传感 器数据融合技术电机诊断系统可以用图2 7 来表示。系统通过对传感器测量到的 1 4 中南大学硕士学位论文第二章电机故障及其诊断分析方法 电机状态信息进行分析和特征提取，形成特征矢量作为下一步的信息源。故障征 兆通过利用合适的方法提取，表示为故障特征。特征矢量与故障空间通过不确定 性测度相互关联，实现利用不确定性测度对故障进行不确定性的建模【2 4 1 。基于 数据融合的电机故障诊断方法将这些不确定性信息整合成相对确定的诊断结果。 检测信号 嚣蓰萎器鏊鬻鐾高 茬奔 数据融合 图2 - 5 电机融合诊断系统结构 2 5 小结 本章介绍了电机基本工作原理和常见的故障发生原因，对定子故障和转子故 障( 转子不平衡、转子不对中、转子弯曲和动静碰摩) 进行了故障机理分析，并 且对几种常见电机故障诊断技术和几种新的故障诊断技术进行了介绍。 中南大学硕士学位论文第三章系统总体方案设计 第三章系统总体方案设计 3 1 系统需求分析和功能要求 3 1 1 系统需求分析 在工程应用系统设计中，系统必须具有完整性、可靠性和可扩充性等特点， 具体到本系统的开发和设计上，应该满足以下要求： 1 掌握电机运行状态，若发现电机异常和故障，能及时对故障进行分析处理； 2 获取足够的电机运行状态信息，多方面，多角度分析判断电机状态的情况； 3 具有对电机状态信息的分析处理功能，并且能提供分析结果或处理方案； 4 在远程p c 机上能够实时的、动态的显示现场电机运行情况和各路传感器 采集信号的曲线，也可以获取电机状态信息数据、可查询历史数； 5 系统构建成本比较低，可扩展性好。 系统的总体设计流程如下图3 1 所示。 需求分析 确定技术指标 确定系统总体框架 总体设计确定硬软件结构 软仲技术设计ii 硬件技术设计 软件编程与调试li 硬件原理图设计 系统集成h 一硬件调试 系统测试和调试 图3 - 1 系统总体设计流程 3 1 2 系统的技术指标 1 预4 量范围： 加速度：0 0 2 一2 0 0 m s 2 加速度频率范围：0 1 2 0 0 0 h z 1 6 位移：0 0 0 1 2 n h n 位移频率范围：o 1 0 k h z 中南人学硕士学位论文第三章系统总体方案设计 2 温度：0 - - 7 0 3 接口：r s 2 3 2 串口及远程通信接口 4 电源：外置+ 5 v 直流电源 5 显示：文字显示及波形显示 3 2 系统总体方案设计 3 2 1 系统技术方案设计 电机状态监测和故障诊断系统通过对电机运行过程中各种参数的测量、分析 和处理，实现对电机进行状态监测的目的。本系统是通过对状态信号进行分析方 法实现对的电机状态监测和故障诊断。基于信号分析的方法主要包括三个部分： 1 参数的选择：目前常用的电机测量参数包括：振动量、电气量、局部放电 量、轴电压、温度等等。本系统选择的参数主要是振动量和定子电流两种作为电 机的状态参数进行测量、分析和处理。 振动监测：振动监测是利用振动传感器对电机轴承或基座的振动进行位 移、速度或者是加速度的测量。实际上，不同的电机故障或异常会产生不同频率 的振动，表3 1 给出了常见故障的振动特征频率。同时振动监测也有局限性：首 先，要精选传感器的安装部位；其次，振动信号受外围环境影响较大；另外多种 故障有特征频率重叠现象。表3 1 中行为电源频率，7 ：为转子频率，s 为转差率。 袁3 1 常见故障振动特征频率 故障类型主要振动频率特征 转子不平衡 1 z ，2 ，3 f , ，4 f 转子不对中 l z 转子断条 ( 1 2 s ) 石 偏心 石， 定子绕组故障 彳，2 f ，4 f 电流监测：本系统的电流信号测量方式