（检测技术与自动化装置专业论文）hht方法在变频调速异步电机故障诊断中的应用.pdf

武汉科技大学 iyihilllllillif7liil3lllill9111i5ll112llllil7ll肼 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：缝量蕉日期：型! ：兰：2 垒 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：邀支熊 指导教师签名：至始 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 电动机是各行各业应用最广泛的动力设备，随着现代科学技术的进步和自动化程度 的提高，电机已被广泛应用于工业生产的各个领域。电机发生故障而停止运行，不仅会 损坏电机本身，而且会影响整个系统的正常工作，甚至危及人身安全，造成巨大的经济 损失。因此，实行状态检修的呼声日益高涨。在此背景下，电机故障检测与诊断技术迅 速成为研究热点而不断发展。通过对电机状态的监测和分析，能及时有效地对电动机进 行维修，排除故障，以实现对电动机的预知维修，而不致影响生产。 随着电动机变频调速系统在工业应用中的广泛使用，调速系统的可靠性问题愈益引 起人们的重视，调速系统的故障检测与诊断问题已逐渐引起众多研究者的关注。对于变 频调速异步电动机系统而言，由于调速过程中电源频率的改变，原有的诊断方法难以适 应，因此需要事先确定电动机的运行模式，然后针对不同的模式采用相应的诊断方法。 在故障诊断过程中，由于故障特征成分本为微弱信号，其特征频率很容易被强大的电源 信号淹没，所以有必要将线调频的电源信号转换为新的时频域的恒频信号 本论文介绍了变频调速异步电动机的工作原理，详细分析了三相鼠笼式异步电动机 气隙偏心和转子断条故障的特征机理，得出故障特征频率。同时也介绍了h i l b e r t h u a n g 变换及其两个重要的概念，将此种方法应运用于电机运行模式识别，该方法可以快速提 取供电电源频率随时问的变化规律，能有效的识别电机运行模式，从而为变频调速异步 电动机的故障诊断提供了基础。为了克服线调频电源宽频带成分对故障特征的影响，需 要将线调频的电源信号转换为恒频信号，为此引入广义f o u r i e r 变换，由h h t ( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ) 方法识别运行模式，提供给广义f o u r i e r 变换所需的转换函数， 实现线调频的电源信号向恒频转换，达到突出故障特征的目的。最后进行了线调频条件 下基于h h t 方法的运行模式识别仿真，以及电机j 下常状态、转子断条、偏心故障及转子 断条和偏心故障情况下的仿真。仿真结果表明，该方法效果良好。 关键词：故障诊断；异步电动机；h i l b e r t h u a n g 变换；广义f o u r i e r 变换 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o t o ri st h ep o w e re q u i p m e n tm o s tw i d e l yu s e di na l lk i n d so fi n d u s t r i e s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dt h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o nd e g r e e ， a s y n c h r o n o u sm o t o r sp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e r ni n d u s t r i a lp l a n t s w h e n i tw o r k so u to fo r d e ro ro f f - t h el i n e ，n o to n l yt h em o t o ri t s e l fi sd e s t r o y e db u ta l s ot h ew h o l e s y s t e mw o u l db ei nd a n g e r , a n de v e nt h ep e r s o n a ls a f e t yw o u l db ei nd a n g e ra n dt h e n t h e e n o r n l o u se c o n o m i cl o s s e sw o u l db ec a u s e d a 1 1t h e s es h o wt h a tt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i si si m p e r a t i v ea n dn e c e s s a r y u n d e rs u c hab a c k g r o u n d ，t h et e c h o n o l o g yo ft h e f a u l tm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i si sh o ta n dd e v e l o p m e n t t h r o u g hm o t o rs t a t u sb ym o n i t o r i n g a n da n a l y s i so ft i m e l ya n de f f e c t i v em a n n e ro nt h em o t o rm a i n t e n a n c e ，t r o u b l e s h o o t i n g , i n o r d e rt oa c h i e v et h em o t o rp r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ，w i t h o u ta f f e c t i n gp r o d u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e sa n di t sw i d e l ya p p l i c a t i o ni n i n d u s t r y , t h er e l i a b i l i t yo ft h ev a r i a b l e s p e e dd r i v es y s t e mh a sb e e nc o n s i d e r e dm u c hm o r et h a n e v e r ag r e a td e a lo fr e s e a r c he f f o r th a sb e e na n db e i n gs p e n to nt h ef a u l td e t e c t i o na n d d i a g n o s i so ft h ed r i v es y s t e m f o rt h ev a r i a b l e - f r e q u e n c ya d j u s t a b l e - s p e e di n d u c t i o nm o t o r s y s t e m ，t h eo r i g i n a ld i a g n o s t i cm e t h o dh a sd i f f i c u l t yi na d a p t i n gt h es y s t e mf o rt h ec h a n g eo f p o w e rf r e q u e n c yi nt h ev a r i a b l e s p e e dp r o c e s s t h eo p e r a t i o nm o d en e e d st ob ed e t e r m i n e da t f i r s t ，a n dt h e nd i f f e r e n td i a g n o s t i cm e t h o d sa r eu s e di nd i f f e r e n tm o d e s i nt h ef a u l td i a g n o s i s p r o c e s s ，t h ef a u l tr e l a t e dc h a r a c t e r i s t i cc o m p o n e n t sa r eo f t e ns u b m e r g e db yt h es t r o n gp o w e r s u p p l yb e c a u s et h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i cc o m p o n e n t so ft h es i g n a li sw e a k s oi tn e e d st oc o n v e r t t h ef r e q u e n c ys i g n a lo fp o w e rl i n ei n t ot h ec o n s t a n ti nn e wt i m e f r e q u e n c yd o m a i n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i o n a s y n c h r o n o u se l e c t r i cm o t o ra n dd e t a i l e d l ya n a l y s e st h et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em e c h a n i s m f o rt h er o t o re c c e n t r i c i t ya n db r o k e nr o t o rb a r so ft h et h r e e - p h a s es q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o r a l s ot h eh i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r mm e t h o da n di t st w oi m p o r t a n tc o n c e p t sa r ed e s c r i b e d ，a n d t h eh h tm e t h o di sa p p l i e dt oj u d g et h eo p e r a t i o nm o d eo ft h em o t o r t h i sm e t h o dc a nq u i c k l y e x t r a c tt h er u l eo ft h ep o w e rf r e q u e n c yt ot h et i m ea n di ti sa b l et od i s t i n g u i s ht h eo p e r a t i o n m o d eo ft h em o t o re f f e c t i v e l y t h e ni tp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ef a u l td i a g n o s i st ot h e v a r i a b l e - f r e q u e n c ya d j u s t a b l e s p e e di n d u c t i o nm o t o r i no r d e r t oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo nt h e f a u l tc h a r a c t e r i s t i c sf r o mp o w e rl i n eb r o a d b a n df r e q u e n c yc o m p o n e n t ，t h ef r e q u e n c ys i g n a lo f p o w e rl i n ei sc o n v e r t e dt oc o n s t a n t f r e q u e n c ys i g n a l ，s og e n e r a l i z e df o u r i e rt r a n s f o r mi s b r o u g h ti n i d e n t i f i c a t i o no ft h eo p e r a t i o nm o d eb yh h t ( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ) m e t h o d c a np r o v i d et h er e q u i r e dt r a n s f e rf u n c t i o nf o rg e n e r a l i z e df o u r i e rt r a n s f o r mt oc o n v e r ti n t ot h e c o n s t a n tf r e q u e n c ys i g n a lf o rh i g h l i g h t i n gt h ef a u l tf e a t u r e sp u r p o s e a tl a s t ，t h ea r t i c l e c o n d u c t st h es i m u l a t i o no fo p e r a t i o nm o d eb a s e do nh h ti nt e r m so fl i n ef r e q u e n c y m o d u l a t i o na n dt h es i t u a t i o n s i n c l u d i n g t h en o r m a ls t a t e ，b r o k e nr o t o rb a r s ，t h er o t o r e c c e n t r i c i t yr o t o ra n db o t ht h eb r o k e nr o t o rb a r sa n dt h er o t o re c c e n t r i c i t yr o t o r t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h i sm e t h o dg o tb e r e re f f e c t k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ；t h eg e n e r a l i z e d f o u r i e rt r a n s f o r i l l 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状及分析2 1 2 1 基于解析模型的故障诊断方法3 1 2 2 基于信号处理的故障诊断方法3 1 2 3 基于知识的故障诊断方法5 1 3 本文的主要内容和章节安排6 1 4 项目来源7 1 5 本章小结7 第二章变频调速原理及电机故障机理分析8 2 1 异步电动机变频调速原理8 2 1 1 变频调速技术简介8 2 1 2 变频调速的基本控制方式9 2 2 电动机常见的两种故障1 2 2 2 1 转子断条故障特征的机理分析1 3 2 2 2 偏心故障特征的机理分析1 5 2 2 3 转子断条和偏心故障检测方法探讨1 8 2 3 本章小结2 0 第三章h i l b e r t h u a n g 变换理论及其应用2 l 3 1 瞬时频率的概念2 1 3 2h i l b e r t h u a n g 变换简介2 2 3 2 1h u a n g 变换( e m d 法) 2 2 3 2 2h i l b e r t 变换2 3 3 3h h t 方法在确定电机运行模式中的应用2 4 3 3 1 基于h h t 方法的电机运行模式的确定2 5 3 3 2 电机运行模式的实验仿真2 5 3 4 本章小结2 8 第四章h h t 方法和广义f o u r i e r 变换在变频调速电机故障诊断中的应用2 9 4 1 广义f o u r i e r 变换3 0 4 2 基于h h t 和广义f o u r i e r 变换的变频调速异步电动机故障诊断方法3 1 4 3 仿真3 3 4 3 1 电机正常运行状况仿真3 3 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 3 2 转子断条故障仿真3 5 4 3 3 偏心故障仿真3 6 4 3 4 同时存在转子断条和偏心故障的仿真3 7 4 4 本章小结3 8 第五章结束语3 9 5 1 论文的主要工作3 9 5 2 进一步的研究工作3 9 参考文献4 1 研究生期问发表的论文、科研成果4 5 致谢4 6 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 电动机广泛应用于国民经济各个领域，将电能转换成机械能，使生产机械完成人们 期望的各种运动。随着工业化生产的自动化程度越来越高，如何实现电机故障的早期检 测，能及时有效地对电动机进行预知维修，避免停机或设备损坏带来的巨大经济损失， 显得尤为重要。 本章就目前变频调速异步电动机故障诊断技术的研究现状与发展趋势进行了综述和 讨论，并简述了本文的主要工作内容及章节安排。 1 1 研究目的及意义 故障诊断是发展于2 0 世纪中叶的一门科学技术，是指对运行中的机械或设备的异常 状态的检测、异常状态原因的识别以及包括异常状态预测在内的各种技术的总称。故障 检测与诊断技术是一项建立在机械工程、测试技术、信号处理、计算机应用技术、人工 智能等众多理论基础上，以现代测量仪器和计算机为工具，结合各种诊断对象的特殊规 律逐步形成的新兴综合性边沿学科。随着现代大生产的发展和科学技术的进步，现代设 备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高，设备间相互融合程度越 来越大。因为很多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种故障以致降低或失去其 预定的功能，甚至更严重的会造成灾难性的事故。因此采用先进可靠的监测和故障诊断 手段，对故障的危害进行早期预报、识别，防忠于未然，做到预知维修，保证设备稳定、 长周期、满负荷优质运行，避免“过剩维修”造成的不经济、不合理现象，具有十分重 要的意义。 自1 9 世纪发明发电机和电动机以来，由于电能应用方便，电动机的优良性能，便于 控制，加上使用与操作都比较简单，因而得到了迅速普及，应用范围越来越广，使用数 量越来越多，使人类从繁重的体力劳动中逐步解脱出来，从而推进和完成了人类历史上 第二次的工业革命。到了今天，在我们同常生活和生产活动中，电机在同常生活中已无 所不在。任何产业部门和每个家庭几乎离不开各种各样的电机，它作为当今世界上使用 最普遍的、数量最多的供电设备和动力机械，几乎占领了所有领域。因为电机大量应用， 使用环境各异，负载性质也不尽相同，电机故障时有发生，特别是一些运行环境恶劣、 负载冲击性很大的场合中运行的电机，故障率较高。为了保证电机及其所驱动负载的可 靠运行，应对电机故障进行分析，并对电机状态监测与故障诊断进行研究。 异步电动机是工业系统中广泛运用的重要的旋转机械，相对于直流电动机来况，因 具有峰固耐用，价格便宜，易于维护等显著特点而在各行各业中得到广泛的应用。其j 下 常运行对保证电力系统以及生产制造过程的安全、优质、高效意义重大。在电机工作过 程中，发生故障的潜在可能性随着运行时间的增长而逐渐增大。这些电动机因发生故障 而停止运行，造成的直接和间接的经济损失巨大。因此，提高设备系统的安全性和可靠 笫2 页武汉科技大学硕士学位论文 性已经成为刻不容缓的问题，而及时准确地发现电机潜在的或现有的故障正是保证设备 安全运行的重要措施，研究适用于不同条件、不同运行状态下电机故障检测的理论方法 和技术策略正是提高设备系统可靠运行的保证。因此，研究异步电动机早期故障检测具 有重要意义1 2 j 。 随着电力电子技术的迅猛发展，逆变器供电的电动机变频调速系统在工业应用中也 得到了迅速的推广应用，控制系统规模不断扩大，复杂性也有很大的提高，且变频器本 身价值较高，当解决了异步电动机本体的可靠性问题以后，逆变器的可靠性问题就成了 直接影响系统稳定性的关键因素。从电力电子电路的实际运行表明，大多数故障表现为 晶闸管开关元件的损坏，其中以晶闸管元件的丌路( 或断丌) 和直通( 或闭合) 最为常 见。而最新研究也表明变频器调速系统中功率变换器的故障占整个驱动系统故障的 8 2 5 ，是驱动系统中最易发生故障的薄弱环节。另外，电力电子电路的故障还包括任意 一桥臂上的丌关器件短路，任意一桥臂上的开关器件短路，同一桥臂上的两个开关元件 断路。驱动电路驱动逆变器，也容易发生故障，它一般有明显的损坏痕迹，诸如器件( 电 容、电阻、三极管及印刷板等) 爆裂、变色、断线等异常现象，但不会出现驱动电路全 部损坏的情况。丌关电源的损坏也是常见的故障。主要有丌关管击穿，脉冲变压器烧坏， 以及次级输出整流二极管损坏。变频器还有其它的故障，如温度过高、欠压、过流、参 数设置以及安装环境引起的故障等等。总之变频器的科技含量较高，是强电与弱电相结 合的设备，其故障多种多样【3 1 。 因此有必要建立一个检测系统来检测整个系统的运行状态和前期故障，进而采取相 应的措施，达到提高系统运行可靠性的目的，以避免重大经济事故的发生。变频调速三 相异步电动机由于是变频器供电，有其特殊性，电动机在运行过程中出现的故障及原因 也有别于普通异步电动机，当然也有共同之处。变频调速系统通常由变频器、变频调速 异步电动机，电力和控制电缆以及控制设备构成。当系统出现问题时，最终都反映在电 机上，所以分析故障时，要对整个系统都进行分析，才能找到真正的故障原因【4 1 。为保 证电动机变频调速系统的安全可靠运行，变频调速系统的故障检测与诊断就显得尤为必 要。 1 2 国内外研究现状及分析 电动机变频调速系统主要由逆变器和电动机本体组成，因此其故障诊断一般应包括 逆变器故障诊断和电动机本体故障诊断。国内外学者对异步电动机的故障诊断进行了大 量的研究工作，文献【5 】统计了1 9 9 9 年前二十多年时间内在国外重要期刊和会议上发表的 关于异步电动机和变频器的故障诊断论文和著作，数量达3 6 5 篇( 部) 之多，近年来仍 有大量的文章见诸报道。经过多年的研究和发展，电动机本体的设计技术和电动机本体 故障检测与诊断技术的突破，电动机本体的可靠性问题基本得到解决。 与电动机本体的故障诊断研究相比，逆变器驱动的故障检测与诊断的研究起步相对 较晚，国内外就逆变电源故障诊断研究所发表的文章也很有限，所采用的方法也比较单 一，但随着变频调速器的大量使用，对相关研究也更加深入，已经逐步引起国内外研究 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 者的极大关注。纵观对变频调速异步电动机故障诊断领域的研究成果，大致可以归纳成 基于解析模型、基于信号处理和基于知识的三种诊断方法。 1 2 1 基于解析模型的故障诊断方法 基于解析模型的方法应用在线系统辨识技术来实时地为系统建立数学模型，当系统 中存在故障时，系统的输入输出关系就会改变，这些变化就会反映在数学模型中，因而 通过观测系统数学模型的参数变化，便能判定系统是否存在故障。 状态估计法的基本思想是利用观测器滤波器对系统的状态进行估计并构成残差序 列，然后采取一定的措施增强残差序列中包含的故障信息，抑制模型误差等非故障信息， 通过对残差序列的统计检验把故障从中检测出来。文章 6 1 通过建立无故障斩波器的状态 空间平均模型对变换器一电机系统稳念状态监控进行研究，利用该状念空间平均模型及 其测量数据，分别建立了正规残差和简单残差关系式，对斩波器丌关元件和续流二极管 断路和短路故障下的残差波形进行研究，利用不同故障模式下的残差波形建立了故障元 件的逻辑判断方法。文献【7 】通过时间步进耦合有限元空间状念的方法模拟出很多故障模 型中的数据，再将实测数据与故障模型下的数据进行比较，构成残差，从而诊断出故障 并进行分析，采用的是一种基于时问步长有限元空间状态的检测方法。近年来，出现了 很多新的相关方法，比如：线性矩阵不等式方法、l u e n b e r g e r 鲁棒故障检测观测器方法、 基于多模型估计的混合估计方法等【8 】。 参数估计诊断法是根据模型参数及相应的物理参数变化的统计特性束进行故障检测 和分离故障的，参数估计更易于故障的定位与故障幅值的估计。比如：极大似然估计法、 滤波器方法、最小二乘法、互相关法、辅助变量法、随机逼近法和自适应算法掣9 1 。文 献【l o 】针对电机转子断条故障和动态偏心故障分别建立了相应的数学模型，通过数学模型 参数变化如感抗和定子线电流谱成分的检测来实现故障特征信息的提取，进而实现故障 诊断。文献【】【1 2 】就是用参数辨识方法，利用转子导条断裂时会使等值电路中的转子电阻 参数增大的机理，通过辨识转子电阻参数是否增加来判定故障是否存在，进而对异步电 动机的转子断条进行了诊断和分析。 基于解析模型的故障诊断方法是发展最早、研究最系统的一种故障诊断方法，能深 入系统本质的动态性质和实时诊断，但是模型的建立一般是针对某一具体故障的，也会 受环境条件、电机负载及建模误差等多种因素的影响，而且随着流程工业的复杂性和大 规模性，实际上建立被检测系统精确的数学模型是很网难的，而模型的不精确，必定会 导致分析结果的精确度受到影响，所以此种方法的发展受到了很大的限制。 1 2 2 基于信号处理的故障诊断方法 当可以得到被控过程的输入输出信号，了解对象的故障特征规律，但又很难建立被 控对象的解析数学模型时，可以采用基本信号处理的方法来进行故障诊断研究。作为一 种传统的故障诊断技术，基于信号处理的方法主要是利用信号模型，如相关函数、频谱、 自回归滑动平均等，直接分析可测信号，提取方差、均值、幅值、相位、峭度、散度、 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 频谱等特征值，从而识别和评价设备所处的状态，所以信号处理技术在整个故障诊断过 程中起着重要的桥梁作用。目前基于信号的故障诊断方法是异步电动机和变频器故障诊 断的主要途径。主要的方法有：傅立叶分析法、小波分析法、频谱分析法和相关分析法。 目前已有的故障诊断技术，大都采用傅立叶变换进行信号分析，比如文献【1 3 】和文献 【1 4 j 提到了利用基于傅立叶变换和快速傅立叶变换的定子电流频谱分析方法对转子断条故 障的在线检测。文献【1 5 】通过对转矩信号的频谱分析，识别出笼条断裂故障，并将其与机 械故障区分开来，利用的是一种测量电动机的电磁转矩来检测转子故障的方法。文献【1 6 1 中详细介绍了用定子电流频谱分析检测轴承故障和在线综合监测电动机故障的方法。但 是傅立叶分析存在时域与频域局部化的矛盾，缺乏空间局部性，而且傅立叶分析是以信 号平稳性假设为前提的，而大多数的控制系统的故障信号往往包含在瞬念信号及时变信 号中。j 下因如此，基于傅立叶分析的信号处理方法只能提供响应信号的统计平均结果， 很难在时域和频域中同时得到非平稳信号的全部和局部化结果，使非平稳动态信号分析 难以达到令人满意的程度【1 7 1 。 为了克服基于定子电流的电动机故障检测中故障特征信号小，不易被分离的问题， 刘振兴等人在文献【l8 】中提出了“基于瞬时功率信号频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故 障在线诊断方法”。通过采集定子某两个端子之问的线电压和对应的线电流，由二者的乘 积即可构成瞬时功率信号。理论分析表明，与常见的基于定子线电流频谱分析方法相比， 使用瞬时功率信号能避免基波电流对故障特征成分的影响，更好地突出故障特征，分离 复合故障。 文献【l9 】提出了用相关分析法来进行异步电动机的故障诊断，当异步电动机发生匝间 短路故障时，绕组的自感、互感都会发生变化，定子三相电流相位对称关系受到影响， 它们之间的相位差就会发生改变。因此三相电流之间的相位差可以用以判别定子匝间短 路故障。此方法的可靠性容易受到电源波动的影响，判断故障是否存在的阈值也难以确 定。 文献【2 0 】【2 l 】提出了基于p a r k s 矢量方法的异步电动机故障诊断方法，其基本思想是： 将三相坐标系下的定子电流信号变换到静止的口一坐标系下，定义由f 。，厶的合成矢 量为p a r k s 矢量。当异步电动机j 下常工作时，p a r k s 矢量在口一坐标系中的轨迹是一个 圆，当异步电动机出现故障时，p a r k s 矢量轨迹将变为一个椭圆，由此可以根据p a r k 8 矢量的轨迹来进行故障诊断。文献【2 2 】提出了扩展的p a r k s 矢量法，对p a r k s 矢量模进行 频谱分析，根据椭圆度的大小来判断故障并计算故障程度。p a r k s 矢量方法将故障渗断的 频谱分析转化为平面上图形的识别，对异步电动机故障诊断技术的发展提供了新的思路。 但由于异步电动机本体固有的不对称性，实际工作中一些外界因素的影响，即使正常工 作时p a r k s 矢量轨迹也只是接近于圆，那么当故障比较轻微的时候j 椭圆的变化量非常 小进而难以识别。 刘振兴等人【2 3 】又针对p a r k 矢量方法需要同时采样三相电流的弊端，利用基于h i l b e r t 模量频谱分析的异步电动机转子故障在线监测与诊断方法，有效地诊断鼠笼式异步电动 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 机的转子故障，此种方法与p a r k 矢量方法相比，大大节省了硬件和软件开销。 小波变换是近年来出现的一种新的信号时频分析方法，它继承和发展了短时f o u 订e r 变换的局部化思想，克服了窗口大小不随频率变化、缺乏离散正交基等缺点，较好地解 决了时间分辨率与频率分辨率之间的矛盾。小波分析的基函数是一系列尺度可变的函数， 具有良好的时频定位特性和对信号的自适应能力。适当地选取小波尺度，在这些尺度的 小波基上对信号进行重构，去掉高频、工频噪声频段内的小波尺度，可以保证重构的信 号只包含系统运行信息及故障信息。基于小波变换的故障诊断方法是利用小波变换进行 信号的随机去噪，即小波变换可以作为一种信号预处理方法用于故障特征信号的提取和 信号去噪。 综上所述，异步电动机故障的有效可靠诊断技术已取得了长足的进步，在实际中得 到了广泛的应用，解决了生产过程中的一些问题。目前随着一些新起的信号处理方法的 产生，新的分析方法也正逐步应用于电机的故障诊断中。 1 2 3 基于知识的故障诊断方法 基于知识的故障诊断方法是利用人们的生产经验及对系统结构和功能的理解，在知 识的层次上，以知识处理技术为基础，实现辩证逻辑与数理逻辑的集成，符号处理与数 值处理的统一，推理过程与算法过程的统一，从而形成与系统故障特征相联系的逻辑函 数及信息代码来对系统进行故障诊断，实现设备故障诊断的智能化。目前常见的基于知 识的故障诊断方法有专家系统法、模糊诊断法和人工神经网络法等。 专家系统是指利用研究领域专家的专业知识进行推理去解决专业的高难度的实际问 题的智能系统。从1 9 6 8 年s t a l l f - 0 r d 大学丌发第一个专家系统d e n d r a l 以来，专家系统 由于其广泛的应用范围而得到了各国的高度重视，并相继在各行业中得到了典型的应用。 文献【2 4 】仿真分析了逆变器感应电机丌关元件断路、短路及缺相故障状态下的逆变器 输出电流、电压及电机转矩波形，利用这些特征可实现逆变器驱动系统的故障诊断。文 献【2 5 】针对某电压型逆变器一交流电机驱动系统建立了一个基于故障树的故障诊断专家系 统，当系统发生故障时，工作人员根据知识库的提示将所发现的故障特征输入计算机， 专家系统逐级进行比较，给工作人员一个与现场故障现象类似的故障判断。 随着模糊逻辑概念的引入，出现了模糊故障诊断方法，主要有基于模糊模型的诊断 方法、基于模糊模式识别的诊断方法和基于模糊推理的诊断方法等。其主要是为了克服 由于过程本身的不确定性、不精确性以及噪声等所带来的困难，因而在处理复杂系统的 大时滞、时变及非线性方面，显示出它的优越性【9 】。模糊故障诊断有两种基本方法，一 种是基于模糊关系及合成算法的诊断方法，这种方法先建立征兆与故障类型之问的因果 关系矩阵，再通过某种模糊合成算子建立故障与征兆的模糊关系方程。另种基本方法 是基于模糊知识技术的诊断方法，这种方法是先建立故障与征兆的模糊规则库，再进行 模糊逻辑推理的诊断过程。但是模糊故障诊断方法的不足之处在于，对于复杂的诊断系 统，要建立正确的模糊规则和隶属函数是非常困难的，而且需要花费很长的时问。 近年来，人工神经网络理论的应用已经渗透到各个领域，并取得了相当的进展。神 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 经网络与现有专家系统、模糊逻辑等诊断技术相结合，为故障信号分析与处理、故障模 式识别、故障领域专家知识的组织和推理等方面提供了一种新的途径，并推动了故障诊 断的智能化。 神经网络进行故障诊断是以故障特征信号作为神经网络输入，诊断结果作为神经网 络输出。先利用已有的故障征兆和诊断结果对神经网络进行离线训练，使神经网络通过 权值记忆故障征兆与诊断结果之间存在的对应关系，再将得到的故障征兆加到神经网络 的输入端，就可以利用训练后的神经网络进行故障诊断，并得到相应的诊断结果。清华 大学的苏鹏声等人【2 6 】把每一个单相逆变器的输出电压电流作为故障诊断的检测对象，通 过对每周期逆变器输出电压波形的分区分析研究，发现单个元件断路时的故障特征，从 而实现利用神经网络方法对开关元件断路故障检测与诊断。文章【2 7 】则利用神经网络研究 了三相整流器的丌关元件的丌路故障诊断问题。 综上所述，故障检测与诊断技术的研究在理论上已取得了较为丰富的成果，国内外 对异步电动机的故障诊断进行了大量的研究工作，对变频调速系统的故障检测与诊断工 作也已经展丌，但相对比较贫乏。而且主要的研究范围集中在j 下弦波供电的场合，即使 考虑到了变频调速系统，也是只分析恒频恒速的静态过程。电动机变频调速系统的故障 检测与诊断研究尚属初始阶段，目前还没有形成一种系统有效的方法【2 8 1 。由于电动机变 频调速系统的统一数学模型很难建立，基于模型的故障检测与诊断方法很难使用。本文 将从数字信号处理方面的诊断方法入手，进行相关研究和分析。在本项目的研究中，拟 将变频器和异步电动机作为一个整体，充分考虑多种运行模式和故障模式，以理论分析 为先导，建立较完整的动态仿真平台，应用理论研究与仿真和实验研究相结合的方法， 采用时频信号分析工具，提炼恒速和调速过程中变频器和异步电动机常见故障的特征规 律，进而实现故障诊断的相关分析。 1 3 本文的主要内容和章节安排 本论文面向工业应用最广泛的三相鼠笼式异步电动机，针对电动机变频调速系统故 障检测与诊断研究现状，利用时频分析的方法对变频调速异步电动机系统故障检测与诊 断进行探讨。第二章详细介绍了变频调速的基本原理，包括其基本的控制方式。重点介 绍了异步电动机两种常见的故障，即转子断条故障和偏心故障，同时也探讨了其相应的 检测诊断方法。论文的第三章引入了h h t ( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ) 变换方法，详细介 绍了此种方法的原理及其在确定电机运行模式中的应用，给出了试验的仿真结果，并证 明了此种方法的有效性和优越性。第四章在前面章节获得电机运行模式的基础上，利用 广义f o u r i e r 变换进行时频转换的故障诊断方法，可将线调频的电源信号转换为新的时频 域的恒频信号，以达到突出故障特征的目的。本小节对变频调速系统正常状态和异常状 态下的仿真和分析，异常状态包括转子断条状态、偏心状态和转子断条和偏心故障同时 存在，结果表明此种方法效果良好。第五章总结了本论文的主要工作、论文的创新点以 及进一步的研究工作。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 4 项目来源 本论文来源于国家自然基金研究项目“变频调速异步电动机系统动态调速过程中的 故障诊断研究 ，项目号：6 0 8 7 4 1 0 9 。 1 5 本章小结 本章介绍了变频调速异步电机故障诊断研究的必要性和重要性。总结了现有的国内 外的研究状况并进行了相应的讨论与评述，由此提出了我们需要进行的研究工作，并进 行了简单介绍。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章变频调速原理及电机故障机理分析 变频调速已经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用， 而且随着一些新的交流电机调速理论、智能控制理论和现代电力电子技术以及高性能微 处理器等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向着更高性能、 更高容量以及微型化、智能化、网络化发展【2 9 1 。 2 1 异步电动机变频调速原理 从二十世纪七十年代丌发和生产变频器到现在，变频调速技术不断发展成熟。变频 调速器是建立在微处理器、电力电子学、电机学、现代控制理论基础之上的现代机电一 体化高新技术产品。变频器的功能从简易到全面，调速精度从一般到赶上直流调速，应 用范围从低压到高压，从很窄到宽广，取得了长足的进步，逐渐成为调速领域中的主要 技术，因而得到更为广泛的应用【3 0 1 。 2 1 1 变频调速技术简介 变频调速的主要特点是通过变频器改变输出频率及输出电压，实现电机转速或被控 对象输出的控制。变频调速系统由变频器、传感器、传动电动机和控制装置组成，有的 把控制装置归并在变频器，如图2 1 所示。变频器将电网固定频率变成在此范围内连续可 调的频率，输送给电动机，实现变频调速，最终达到对传动负载的精确定量控制，因此 变频器是调速系统的核心部件【3 i 】。 图2 1 变频调速系统 依照变频原理，变频器可以分为两大类：一类是将电网固定频率的交流电直接变成 可调频率的交流电，叫交交变频器，如图2 2 所示。另一类是先将电网固定频率的交流 电整流成直流电，经过滤波，使直流较平直，再将直流电逆变成频率可调的交流电，称 为交直交变频器，它由整流器、滤波器和逆变器组成，如图2 3 所示，逆变器完成直流 电变交流电的任务3 2 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 j 变频器 图2 2 交交交频器 i 整流器 逆变器 i 滤波器 图2 3 交直交变频器 交交变频器不要直流环节，效率较高，但输出频率不能达到电网频率( 我国为5 0 h z ) ， 一般只有电网频率的1 3 1 2 ，所需电力电子器件也较多，故一般用于大容量、低转速的 传动场合。 交直交变频器所用电力电子器件较少，调速范围宽，既可以往上调速，也可以往下 调速( 以电网频率为基准) ，通过采用各种闭环控制，其调速精度可以与直流调速比美， 因此应用范围很广，大、中、小型调速传动系统均能适应【3 3 1 。本项目讨论的变频器为交 一直一交形式。交一直交变频器主要由整流部分( d i d 。) 、整流电容c 和逆变部分 ( z 一疋) 组成，见图2 4 。 - 一 。 d 1d 2 d 3 z 12 12、 1 、 t l2冰t 227 t 3 j 一 、1 、 土 - _一c f i 一 d 4 d 5d 6 干 下 ?， - 、1 、 t 62 - l 2 l2 l2、 图2 4 异步电动机变频调速系统示意图 交- 直一交变频器按所用滤波元件不同又