转子断条的故障诊断研究

转子断条的故障诊断研究论文目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III1 绪论.11.1 异步电动机故障检测与诊断的概念及其意义.11.2 基于信号检测的诊断方法.21.2.1 电流分析法.21.2.2 失电残压法.21.2.3 瞬时功率法.21.2.4 脉振磁场分析法.31.2.5 电磁转矩分析法.31.2.6 振动噪声分析法.31.3 基于信号处理的诊断方法.41.3.1 快速傅立叶变换(FFT) .41.3.2 希尔伯特变换.41.3.3 自适应滤波.41.3.4 Park 矢量变换 .41.3.5 小波脊线分析法.52 理论分析.52.1 概述.52.2 笼型转子感应电动机转子断条原因分析.52.3 转子出现断条时定子电流中可能出现的谐波频率成分.62.4 转子断条时转子电流谐波分量的产生.72.5 本检测系统的检测对象.83 检测系统硬件部分.103.1 概述.103.2 检测系统的硬件组成.113.2.1 单片机.113.2.2 采样保持器.113.2.3 低通滤波电路.123.2.4 A/D 转换器 .123.2.5 8031 单片机存储器的扩展.133.3 检测系统硬件部分工作原理.143.3.1 电网频率测量电路.143.3.2 转差测量电路.143.3.3 电流采样电路.144 系统软件部分.154.1 主程序框图.154.2 转差子程序.164.3 数据采样.17结 论.19参 考 文 献.20附录.22致 谢.25转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-摘 要本文简要叙述了频谱分析方法、异步电动机转子断条的机理、频谱分析诊断转子断条的原理以及转子断条诊断系统的组成, 最后给出了转子断条诊断程序设计流程图.研究鼠笼型异步电动机转子断条故障的在线检测方法。当转子出现断条故障时，转速发生改变，转子中除了有 sf1 的频率分量以外，还会产生 3sf1 的频率分量，但是对于笼型转子得到的转子电流信号比较困难，这样在我所设计的检测系统中，通过检测轴磁通中这个特征分量来判断转子断条故障，从而达到检测的目的。所以在设计过程中，利用该系统测取轴磁通信号，经过频谱分析，可根据轴磁通信号中三倍转差频率分量的大小来检测感应电动机的断条故障。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-I-对于不同转子断条故障的感应电动机进行的在线检测实验结果表明：本系统对于转子断条故障可以有效的检测出来，并可对其严重程度做出诊断。关键词：转子故障；在线检测；断条故障转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-II-Online Detection System for Rotor Faults in Asynchronous Motor AbstractThis paper narrates the method of frequency analysis briefly. The mechanism of the open-circuit rotor of asynchronous motor , the principle of the diagnosis in the open-circuit rotor of asynchronous motor , and the construction of the diagnostic system for the open-circuit rotor of asynchronous motor are discussed. The programming flowchart of the diagnosis in the open-circuit rotor of asynchronous motor is given. A method to detect squirrel cage induction motors with broken rotor bars and is presented. This system may be used as an on-line system to detect axial flux signals. The amplitude of 3sf1 frequency component of axial flux signals can examine broken rotor bar faults by spectrum analysis.In this paper, a novel scheme, for turn fault detection, based on parameter identification is presented. By using this technique, in addition to fault detection, the exact magnitude of the fault is also determined.Key Words：Rotor Fault ；On -line；Bar Faults 转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-1-1 绪论异步电机以其结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便的优点,在国民经济各领域得到广泛应用。因此,对异步电机进行安全可靠的在线监测和故障诊断具有重要意义。随着电机制造工艺的提高,定子绕组等故障的发生率呈下降趋势,而鼠笼转子的制造工艺几十年来却没有大的变化,转子故障已成为导致异步电机失效的重要原因之一。因此,有必要对感应电机转子故障进行检测与诊断,从而避免故障扩大所造成的设备损坏以及由此产生的间接经济损失。异步电机转子故障检测与诊断系统结构包括信号检测、信号处理以及故障诊断三部分。近年来,异步电机转子故障诊断已成为广大电机工作者的研究热点之一1.1异步电动机故障检测与诊断的概念及其意义异步电动机故障检测与诊断是指通过监测、分析异步电动机相关运行参数信息（如电压、电流、振动、磁通、转速、温度、噪声、局部放电等），评估异步电动机当前运行状态，明确故障是否存在，即故障检测；若处于故障状态，则进一步确定故障发生部位、严重程度及发展趋势，即故障诊断。此处“故障”是指转子断条故障、定子绕组匝间短路故障以及轴承故障等渐进性（初发性）故障，而非定子绕组三相短路等速断性（灾难性）故障。作为传动机械，异步电动机广泛应用于发电厂、炼钢厂、舰艇等工业与国防领域，其安全运行至关重要。异步电动机一般处于长时间连续运转状态，且工作环境恶劣，因此故障不可避免。异步电动机故障不仅损坏电机本身，而且影响整个传动系统，一旦事故停机，必然造成经济损失，甚至人员伤亡。异步电动机故障主要包括转子断条故障、定子绕组匝间短路故障以及轴承故障（发生概率分别约为10%、15%、40%），这些故障均是渐进发展的。尽管异步电动机故障不可避免，但通过灵敏、可靠的检测与诊断，可以尽早地在故障初发阶段即行报警，并向现场运行人员提供必要信息以合理安排、组织预知维修，从而避免事故停机，减少故障损失。因此，异步电动机故障检测与诊断是保障其安全运行的关键措施之一，具有重要意义。1.2基于信号检测的诊断方法以前的学者们对异步电机转子的故障检测这个课题已经做了很多工作，检测方法也有很多，转子断条故障是异步电动机常见的故障之对异步电动机转子故 障进行检1f测,以便实施有效的诊断,有着重要的研究价值。常用的转子断条故障检测方法有多种,根据检测信号的不同可分为电流分析法、失电残压法、瞬时功率法、脉振磁场分析法、电磁转矩分析法、振动噪声分析法等 1。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-2-1.2.1电流分析法当转子出现导条断裂情况时,三相对称电流将被破坏,从而产生一个反向磁场,它在定子电流中引起一个频率为(1-2s) 1f的特征分量(s 为转差率 , 1f为基波频率),通过分析频谱图,看是否含有该分量来判断转子有无出现断条故障 。由于这种方法是对定子电流32信号进行检测,故称之为电流分析法,它具有特征信号采集简单、方便的特点。电流分析法存在一定的缺陷:在对定子电流进行频谱分析时, 由于(1-2s) 1f频率分量的幅值相对基频分量的幅值较小,容易被淹没,从而降低了故障诊断的灵敏度,增加了分辨率的要求。针对电流分析法的这些不足,人们在不断研究,如何能提高诊断的灵敏度,以提取微弱的特征信号。1.2.2失电残压法异步电机突然失去外加电源后,定子绕组中会有失电残余电压产生。当转子出现断条故障后,转子电流将在失电残余电压中引起(6m 1)次谐波分量(m=0,1,2,3 ),通过检测与分析该分量,便可诊断转子故障 4。该方法有不受电源电压不对称、电压波动影响 ,也不受负载大小、性质、波动影响的优点。文献 5对电机失电后定子绕组的残余电压进行分析,并将其用于诊断电机转子断条故障,通过仿真与实测研究,验证了该方法的可行性。但是,在电机失电后,转子电流会很快衰减,故它对失电残压的影响也会很快减小,这便给失电残压的信号检测带来影响。此外,在转子没有出现故障情况下,定子的失电残余电压也会存在小幅值的谐波分量 5.6。1.2.3瞬时功率法当转子出现断条故障时,异步电动机的瞬时输出功率信号中便会包含直流分量及一些边频分量。根据这一事实,可以应用瞬时功率法,过滤瞬时功率信号中的直流分量,其余频率分量经过快速傅立叶变换,看信号频谱图中是否存在频率为 的故障特征量来判12sf断转子有无断条故障 7。该方法具有特征信息量多(直流分量、 分量、 分1fs量)、诊断灵敏度高、采样分辨率要求低的特点。但是,它只能判断有无断条故障,难以判断故障严重程度。因此,还需要克服如何提高诊断精度的缺陷。1.2.4脉振磁场分析法 8脉振磁场分析法的工作原理是:电机正常运行时,气磁场为一个圆形旋转磁场 ;当出现断条时,气隙磁场可看作是圆形旋转磁场和一个脉振磁场的叠加,在定子铁心上放节距为二倍极距的探测线圈,可探测脉振磁场,并判断转子有无断条情况。应用该方法时,转子既不需通电也不需转动,给检测带来方便。当探测线圈的节距偏离电机极距的偶数倍时,转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-3-气隙的旋转磁场与脉振磁场会同时被线圈探测到,从而影响诊断结果。此外,该方法也难以对故障严重程度作出判断。1.2.5电磁转矩分析法当异步电机转子发生断条故障时,转子绕组不对称运行将会使转子旋转磁场引入反向分量,该反向旋转磁场和定子旋转磁场相互作用,将会使电磁转矩信号中引频率为的转矩波动分量。转矩的波动可用各种转矩传感器进行测量,对转矩频谱进行分析,12sf根据其 2 倍转差频率是否存在,可以判断转子是否出现断条故障 9。由于电磁转矩包含了电机定转子全部磁链和电流的相互作用,其对转子故障非常敏感,将其作为转子故障特征来检测转子故障,可以很好的突出故障特征能力。但是,在电机稳态运行时,电网频率的波动、电机负荷波动等引起的 s 波动会与转子故障特征相混淆,给诊断带来困难。文献 10提出一种基于电机起动电磁转矩信号分析的转子故障诊断方法。对电机起动电磁转矩信号进行复值小波变换,根据分析小波在特定中心频率条件时信号瞬时频率与其对应小波脊线的关系,提取出故障特征转矩频率变化规律,实现转子故障的可靠检测。同时,对应尺度上小波系数的模值还能够反映该故障特征转矩在电机起动过程中的幅值变化规律,将其作为故障严重程度指标则可以进一步判断转子断条根数1.2.6振动噪声分析法转子的振动信号是其故障特征识别与诊断的重要信息来源,对所采集的转子振动信号进行频谱分析,根据频谱图中反应出的特征分量来判断转子的故障情况。然而,振动信号往往是由多个信号混叠在一起的,所检测的信号必然会有其他量转子断条故障特征分量,从而可以诊断转子断条故障。使用自适应滤波对检测信号作处理,可以提高故障检测的灵敏度。但是,作为简单的滤波过程,它也有可能过滤掉故障特征分量,给有效的诊断带来困难 11.12。文献 13将独立分量分析(ICA) 与支持向量机相结合,应用于转子振动信号特征量分离,提高了转子故障诊断的准确性。1.3 基于信号处理的诊断方法 在故障早期,一些故障特征信号往往被其他信号和噪声所淹没,这便给诊断工作带来困难。利用有效的数字信号处理技术可以实现对故障特征信号和干扰信号的分离,对干扰信号进行抑制,同时提取故障诊断信号中包含故障特征信号的频率成分,从而检测出设备的故障信号。对于笼型异步电动机的转子断条故障,在作定子电流信号处理时,较为常用的处理方法有:快速傅立叶变换(FFT)、希尔伯特变换、自适应滤波、Park 变换、小波脊线分析等转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-4-1.3.1快速傅立叶变换(FFT)快速傅立叶变换是信号处理技术中的一种基本方法,被广泛应用于故障信号的处理。通过对定子电流信号作快速傅立叶变换,再进行频谱分析,看是否含有(1-2s)f 1 频率分量,便可判断有无断条故障。快速傅立叶变换处理过程简单、方便。但它只适用于平稳负荷运行情况,而且可能出现基波频率分量泄漏及噪声频谱淹没(1-2s)f 1 频率分量的情况。因此,还需要解决提取微弱的故障特征信号的问题。1.3.2希尔伯特变换当给定实时信号 x(t)时,对其作希尔伯特变换 ,变换后的信号幅值不变,相位作 90 度改变。将变换前、后的信号作平方和,得到一新信号,对其进行频谱分析,看是否存在 2sf1频率分量来判断有无断条故障。这种对故障信号处理的方法叫希尔伯特变换法,它也具有处理过程简单的特点。文献 提出一种基于定子电流希尔伯特模量频谱分析的方法 ,14对异步电动机转子故障进行在线检测与诊断。但是,当异步电动机负载波动较大时,难以区分负荷波动与转子断条故障,容易出现误判。1.3.3自适应滤波对定子电流进行自适应滤波处理,抵消定子电流基波分量,在频谱图中突出(1-2s)f 1 频率分量转子断条故障特征分量,从而可以诊断转子断条故障。使用自适应滤波对检测信号作处理,可以提高故障检测的灵敏度。但是,作为简单的滤波过程,它也有可能过滤掉故障特征分量,给有效的诊断带来困难。1.3.4 Park矢量变换通过 Park 变换,将定子电流从三维坐标转换到二维(D,Q)坐标,根据感应电动机定子电流在(D,Q)坐标系中是一个畸变圆还是一个圆来判断笼型转子有无故障 15。应用 Park矢量变换法对检测信号处理,具有频率分辨率高、检测准确度高的特点,但该方法却难以预测早期故障,只有当故障发展到一定程度时才对轨迹有影响 16。因此,该方法需要克服的难点是如何尽早发现故障。1.3.5小波脊线分析法由于异步电机起动过程中转差率 s 是连续变化的,定子电流中 (1-2s)f1 频率分量则经历 0f1 的变化过程,通过分析定子起动电流信号,根据小波脊线的波形来判断有无断条故障 17。文献 18利用小波脊线法能有效消除基频分量的影响,具有抗噪声干扰性好,检测的准确性高的特点,有效地提取出转子故障特征。然而,该方法在断条数很少时,存在灵敏度低的缺点,且难以给出电机故障严重程度的判断。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-5-2 理论分析2.1 概述当进行感应电动机转子故障的在线检测，首先必须清楚当转子发生故障时电机的运行特性。本文主要研究的是笼型转子感应电动机转子断条故障的在线检测。因此下面分析一下转子断条时，由于转速颤动而引起的转子电流的三倍转差频率的谐波分量。这样，在我所设计的检测系统中通过检测这个特征分量来判断转子故障，从而达到在线检测的目的。2.2 笼型转子感应电动机转子断条原因分析电动机故障的发生由许多原因造成的,由机械角度来看,电机周期间歇运行或频繁启动运行都会引起绕组松动、绝缘老化、轴承磨损、振动加剧等缺陷。由电气角度看,电机可能受到所在电力网的各种暂态过程的影响,这些暂态过程有缓慢扰动与快速扰动之分。缓慢扰动会引起电机过热,电力系统的电压快速变化暂态过程,可以引起电机绕组电位分布不均匀。导致部分绕组上的电压超过其绝缘的承爱能力而损坏绝缘。电机遇到的最严重的瞬变过程发生在启动和重新启动之际。特别在电力工业的高压电动机须反复启动,短期运行更易导致电机发热、绕组松动、鼠笼断条。由环境角度来看,电机又会遇到高温、污染使电机绝缘材料老化等等。当然电机在设计时必须考虑到电机的安全寿命过程中所要遇到的各种环境,包括机械、电气的运行条件,不论哪种因素都可能造成电机故障。所以应用于电机上的诊断研究必须灵敏、准确的探测出电机存在的故障和潜在故障。但有时会因外界条件变化,人为操作方法不当,极易产生较大误差,使判断出错,给工作造成不必要的麻烦。所以,在使用较为先进的测试仪器工作时也要注意要根据现场的具体情况和人为操作的准确度等因素配合下才会得到满意而准确的结果，减少不必要的劳动。具体如下:电动机启动所带机械负载大，启动频繁，温度升高。电动机启动过程中要产生日热损耗，电动机所带负载的力矩越大，转子热损耗就越大，转子的温度就越大，对转子热膨胀影响也越大。按电力工程设计手册，转子笼条启动时温度不应超过 340C。电动机负载大，启动时电动力较大。对高压深槽鼠笼和双鼠笼电机，电动机启动时，鼠笼条上通过的电流和作用力都相当大，条件比较恶劣，这个时候就容易发生断条。电动机质量、结构、工艺存在问题。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-6-当前高压大、中容量电动机转子部分仍为深槽和双鼠笼式的铜条转子，这种结构在质量和工艺结构上如不能满足要求，就很容易断条。因为一般笼条在转子槽中的配合间隙为 12mm 左右，笼条在转子槽中太松，配合不紧密，而且在运行中，特别是在启动时，笼条要受到各种作用力，并使其在槽中颤动，往往在两端受到较大的剪切力，因此断裂笼条断口大部分在两端环的 210mm 左右。另外，两端环距离转子铁心较远处时，一般为 2050mm，在启动时由于短路环较大、较重，在惯性力的作用下，将在两短路环和笼条连接处产生剪切力，造成断裂。在制造和检修中焊接工艺不良也是造成转子断条的一个重要因素。2.3 转子出现断条时定子电流中可能出现的谐波频率成分一旦转子出现导条断裂 ,转子将成为一个非对称的多回路系统。即使定子外加三相对称基波电压 ,由于转子的非对称性 ,定子电流中将出现故障特征分量。当定子外加三相对称电压时 ,定子电流基波分量产生圆形旋转磁场 ,在旋转的转子导条中 ,感应出频率为 sf1 的电势和电流,转子结构的不对称使转子电流产生正反两个方向旋转磁场。反向旋转磁场将在定子电流中感应频率为(1 - 2s) f1 的电势和电流,该电流分量和磁场作用使电磁转矩产生频率为 s f1 的振动,从而在定子电流中出现频率为(1 +2s) f1 的频率成分。经过定、转子的多次电磁耦合作用在定子绕组中出现谐波电流的频率如下 12f brb1 = (1 k2s) f1 (2.1)而频率为fbrb2 = k (1 - s) / p s f1 (2.2)的谐波成分也能在定子电流中检测到,对于正常的绕组配合电动机, k/ p =1,5,7,11,13, 。2.4 转子断条时转子电流谐波分量的产生假定一个鼠笼转子感应电动机转子有一根断条为 F ,其它导条正常,其中之一为 G.如果不考虑由于齿槽引起的高频电流,则电流 IG 将以转差频率 正弦变化( 如式 2.3所示)(详见参考文献 ) .IG Hsin(2t+ 1 ) (2.3) 式中 H 为磁场强度, 1为初始角度.其产生的转矩 TG为:TGI GHsin(2t+ ,)=H 21/2cos( 1- ,)-1/2cos4t+( 1+ ,) (2.4)转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-7-转差频率 ,转差 s,转速 及电网频率 f1( 1=2f 1)的关系为:=sf 1= (2.5) 2p(2.6) )(s式中 P 为极对数.而断条 F 不会对轴产生转矩,这样对于所有的 N 个导条,产生的总的转矩 T 为(忽略由于断条引起的导条电流增加).(2.7) )24cos(2pitaKHTi 式中 a=cos( )(1式中 ，如果导条 I 正常ik，如果导条 I 开路0i为常数。式（2.7）也可写成T=C+D （2.8） )4cos(2t其中 C= ,D 为二倍转差频率的转矩的幅值，如果转子中所有导条iNikH12均为正常，则 D=0，即没有二倍转差频率的转矩。电机的转动方程为：(2.9) mMTkdt式中 M 为电机和负载的转动惯量，M m 为负载转矩，k 为阻尼系数。将式（2.8）代入式（2.9）得：(2.10) )4cos(2tDCkdt对直流分量 可得方程稳态解,此时mC0dt= (2.11) rkMm对 Dcos( 所产生的波动)4(2t n= (2.12) n)4cos()4( 22tkD转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-8-其中 ，显然, 的幅值与二倍转差频率转矩的幅值 D 成正比,与转DMtg41n矩惯量 M 近似成反比;同时可以看出, 大,即转差增加(负载加重),会使 颤动的幅度变n小。令 A= , ,则方程(2.10) 通解为2)4(k2(2.13) )cos(cos1)( tAtArrt由于转子导条的感应电动势为:(2.14) dtBweri ,1式中 为磁链,w 为常数.,整理得出:(2.15) )2sin(3sin2)si(si11 1111 tAtpwABttrri其中 , ,且 。sin21P1 Pr从式(2.15)中可以看出 ,当转子有断条时,定子中若通过以频率为 的三相对称电流1时,转子电流由于转子速度颤动,而产生一系列新的谐波。即除 s 频率分量以外,还有 3s的频率分量出现,其幅值与转速的颤动幅度成正比。12.5 本检测系统的检测对象当转子出现断条故障时，由于转速颤动，转子中除了有 sf1频率分量以外，还会产生 3sf1的频率分量，其幅值将随断条数目的增加而增加，因此本检测系统通过检测转子电流中 3sf1分量来检测断条，但是对于笼型转子得到转子电流信号比较困难，因此采用检测轴磁通的方法。对于一个在电磁结构上完全对称的理想电机而言是不存在轴向磁通的，但一个实际的电机由于制造，加工，运行等多方面的原因，其电磁结构不可能完全对称，这样便有了轴磁通。轴磁通中会出现定、转子上包含的所有谐波分量，并且会在套在轴上的线圈中感应出电压，这样通过检测轴磁通信号中的三倍转差频率分量的幅值，可以检测出断条故障及其严重程度。轴磁通信号的取出是很方便。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-9-值的指出的是，以前有人通过检测定子电流中（1-2s）f 1频率分量来判断转子断条故障，这种方法的缺点是在轻载时这个分量幅值会很小，且受基波泄露的影响很大，较难检测出来。本文介绍的通过测取轴磁通信号中 3sf1分量而检测断条的方法，在轻载时很有效。这样两种方法相互补充，使得转子断条故障能更可靠地检测出来。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-10-3 检测系统硬件部分3.1 概述三相笼型转子感应电动机转子出现故障时，会产生与故障有关的特征分量。当转子出现断条时，会在定子电流中产生一个频率为（1-2s）f 1 的分量，也会在转子中产生3sf1 频率分量，当然在轴磁通中也有这个频率分量。因此检测这些分量即可判断转子是否发生故障，以及故障类型。因为转子发生故障的一些特征分量的频率要随电网频率以及转速的变化而变化，因此必须准确测得电网频率及转速。据此，设计了检测系统的硬件。3.2 检测系统的硬件组成检测系统硬件由电网频率及转差测量电路，电流采样电路，单片机等几个主要部分组成。下面对几个硬件电路作一些简单说明。3.2.1 单片机采用 MCS-51 系列的 8031,系列单片机是在一块芯片上集成了CPU， RAM，ROM，定时器/计数器和多功能 I/O 等基本功能部件的一台计算机，它是整个故障检测系统的核心。220v图 3.1 检测系统硬件框图单片机扩展版 打印机电动机互感器轴磁通线圈滤波线路 采样保持模数转换转差测量电路 电网频率测量电路转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-11-3.2.2 采样保持器采样保持器 A/D 转换器的前缀，主要起着信息隔离缓冲的作用。如果对变化速度高的模拟信号进行 A/D 转换，转换精度要求又比较高，这时为防止 A/D 转换过程中的信号发生变化，就必须使用 S/H 电器。通常 S/H 电路由电容器 C，模拟开关 K 和运算放大器 A 组成。其中电容 C 的电容值由用户根据采样频率及要求的采样精度来选择，一般电容值可选择在数百皮法0.01F 之间。且选择优质小泄露电容。采样频率越高，则电容越小，此时电荷泄露速率也加快，精度也较低，相反，若采样频率较低，可选用较大电容，精度也可以提高。本检测系统采用的是 LF398.3.2.3 低通滤波电路对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。低通滤波电路：它的功能是通过从零到某一截止角频率 H的低频信号，而对于大于截止频率的所有频率则完全率减，因此其带宽 BW= H 。本系统采用的是电压控制电压源（VCVS）电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。由 RC 元件与运算放大器组成的滤波器称为 RC 滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。因受运算放大器带宽限制，这类滤波器只适用于低频范围。已知条件：已知滤波器的响应特性巴特沃斯，滤波器的电路形式（VCVS），滤波器的类型低通，滤波器的性能参数 fc，Av，Q 或 Bw。设计步骤：根据截止频率 fc，选定 C 的标称值。查出与 Av 对应的电容值及 K=1 时的电阻值，再将这些电阻值乘以参数 K，得出电阻的设计值。实验调整并修改电容、电阻值，测量滤波器的性能参数。3.2.4 A/D转换器本检测系统选用 AD574A, 其主要特性如下所示：转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-12-（1）单片型 12 位逐次逼近式 AD 转换器。（2）转换时间为 25 s，工作温度为 070，功耗 390 mW。（3）输入电压可为单极性（0+10 V，0+20 V）或双极性（-5 V +5 V，-10 V+10 V）。（4）可由外部控制进行 12 位转换或 8 位转换。（5）12 位数据输出分为三段，A 段为高 4 位，B 段为中 4 位，C 段为低 4 位，三段分别经三态门控制输出。所以数据输出可以一次完成，也可分为两次，先输出高 8 位，后输出低 4 位。（6）内部具有三态输出缓冲器，可直接与 8 位、12 位或 16 位微处理器直接相连。外部特性（引脚功能）AD574A 为 28 脚双列直插式封装，引脚如图 1324 所示。部分引脚说明如下：图 3.2 AD574A 引脚图CS：片选信号，低电平有效。CE：芯片允许信号，高电平有效。只有 CS 和 CE 同时有效，AD574A 才能工作。R C：读出或转换控制信号，用于控制 ADC574A 是转换还是读出。当为低电平转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-13-时，启动 AD 转换；当为高电平时，将转换结果读出。128：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数据为 12 位；当为低电平时，数据是作为两个 8 位字输出。 A0：转换位数控制信号。当为高电平是，进行 8 位转换，为低电平进行 12 位转换。3.2.5 8031单片机存储器的扩展8031 单片机存储器的扩展,主要包括程序存储器的扩展和外部数据存储器的扩展。因为 8031 型单片机无驻留程序存储器，必须用外部扩展程序存储器才能构成完整的系统。本检测系统选用的是扩展芯片 EPROM2764 存储器。2764A 是一种 8K*8 位的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V 供电，工作电流为 75mA，维持电流为35Ma。有 13 根地址线，直接与单片机总线低 13 位连接。 8031 单片机内部有 128 个字节的 RAM，对于一般而又简单的应用场合，已完全足够了，但是，在实时数据采集系统中往往不够使用，本检测系统采用芯片6116。6116 是 2KB*8 位的静态随机存储器芯片，采用 CMOS 工艺制造，单一+5V 供电。 3.3 检测系统硬件部分工作原理3.3.1 电网频率测量电路 电网频率测量电路中，低通滤波器采用二阶有源滤波，作用是除去除基波以外的各高次谐波。光耦将输入的工作频率正弦波转换成为频率相同的方波，经触发器分频之后接入单片机。然后通过查询和编程控制，经过计算即可得到电网频率值。3.3.2 转差测量电路 感应电动机转子旋转的速度总要比同步转速慢一些，这样在转子上会感应一个转差频率的电流。由于从线圈中得到的信号一般都很小，故先将输入信号放大，再经过低通滤波器将高频量滤掉。考虑到电机转速的变化，其截止频率要比满载时转速频率大一些。然后再经过放大接至光耦整形成方波，输出接到单片机中断口，通过计算可得到电机转差，从而计算得出电机转速。 3.3.3 电流采样电路 定子相电流经过电流互感器和可变电阻转换成电压信号经过低通滤波器滤波后送至采样保持器输入端，用来检测断条故障的（1-2s ）f1 分量，然后再用采样保持器检测 3sf1 频率的电流信号，它由轴磁通信号经放大和低通滤波得到。 转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-14-图 3.3 电网频率测量电路图 3.4 转差测量电路转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-15-4 系统软件部分4.1 主程序框图主程序框图如下：开始设定栈区 ， 设定电流采样值存储区首地址结束查询法测电网频率调 F F T 子程序调 F F T 后处理子程序计算电机转速 、 3 s f 1 频率置中断方式 ， 采样调测转差子程序查询中断口测电机转差 s定时器 T 0 , T 1 重新给初始值采样结束 YN图 4.1 主程序流程图转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-16-4.2转差子程序通过查询测转差，并求出 频率。与测电网频率类似。13sf程序框图如下： 开始返回查询中断口 ， 并使 8 0 3 1 的 T 0 , T 1 开始计算转差频率 3 s f1T 0 , T 1 复位读计数值一个周期后 ， T 0 , T 1 停止计时图 4.2 转差子程序流程图其基本思想是通过门控技术将输入的未知量与已知量的基准量进行比较后，量化计算再处理显示。测量频率是在某单位时间内对被测信号脉冲进行记数；测量周期是在被测信号周期内对某一基准时钟脉冲进行记数。低频信号适宜测周期法。因此本系统采用测周期法 ，然后对它求倒得出频率。采用门控制位 GATE 测量周期及占空比，T0（或 T1）在其门控制位 GATE=1，且当 TR0（或 TR1）=1 时，定时器起动计数受 INT0（或 INT1）引脚上外部输入电平控制 ，当 INT0（或 INT1）=1 时，启动 T0（T1）开始定时计数，利用这个特性，可以测量信号脉冲的宽度。工作过程如下：设置 T0、T1 都为定时工作式 1，利用查询法确定用 T0 还是 T1 计数，T0 用于脉冲高电平计数，T1 用于低电平计数，两者时间之和即为周期。转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-17-4.3数据采样根据采样信号的特征进行采样和模数转换，将结果送入存数区。程序框图如下:开始返回保护现场控制 L F 3 9 8读入数据恢复现场送采样数据区地址启动 A / D 并延时图 4.3 采样信号流程图转 子 断 条 的 故 障 诊 断 研 究-18-结 论本文设计以 MCS-51 型单片机为核心的笼型转子感应电动机转子断条故障诊断研究。理论分析和试验结果均表明：运行中的笼型转子感应电动机若转子出现断条故障时，会在转子电流中产生 的频率分量，同时轴磁通信号中也会出现 的频率分13sf 13sf量。断条数目增加，轴磁通信号中 的频率分量的幅值也会随之增大。因此可以通f