陽同光， 蔣新華， 付強(qiáng)

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

0 引言

轉(zhuǎn)子斷條是異步牽引電機(jī)的常見故障之一，占電機(jī)故障的10%左右［1］。如果不能對(duì)電機(jī)這種故障狀態(tài)及時(shí)診斷，將會(huì)導(dǎo)致停機(jī)狀況的發(fā)生，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)造成影響。很多文獻(xiàn)提出通過監(jiān)測(cè)電機(jī)信號(hào)來進(jìn)行故障診斷，如氣隙磁通［1］、電機(jī)振動(dòng)［2］、轉(zhuǎn)矩［3］、中心電壓［4］以及電流信號(hào)［5－15］。非侵入式的電機(jī)電流信號(hào)分析方法(motor current signal analysis，MCSA)是目前使用最多的故障診斷方法。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，將在定子電流中產(chǎn)生頻率為(1±2s)f1的故障特征成分，通過對(duì)定子電流進(jìn)行頻譜分析可確定轉(zhuǎn)子斷條的故障狀態(tài)。但異步牽引電機(jī)正常運(yùn)行中，轉(zhuǎn)差率s很小，在輕載或空載情況下更小，故障特征成分很容易被基波頻率淹沒。而且負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也能在電流頻譜中產(chǎn)生相同的邊頻帶，給故障診斷帶來困難。文獻(xiàn)［5］提出Park矢量故障診斷方法，通過電流分量矢量模的形狀來判別轉(zhuǎn)子故障診斷，但電源電壓諧波也能造成Park矢量模的形狀變化，從而導(dǎo)致判據(jù)失效。擴(kuò)展Park’s矢量法通過分析電流矢量模的頻譜，其基波轉(zhuǎn)化成直流分量，故障特征頻率轉(zhuǎn)化成2sf1、4sf1分量，但其需要同時(shí)采集三相電流，增加了硬件開銷，而且?guī)斫徊骓?xiàng)，使頻譜較為復(fù)雜;Hilbert轉(zhuǎn)換法［6－8］通過構(gòu)建Hilbert模量也能達(dá)到同樣的效果。此外，瞬時(shí)功率［9］、斷電殘余電壓［11］等物理量的頻譜分析也用于轉(zhuǎn)子故障診斷。但這些這些方法都是針對(duì)基于電網(wǎng)直接供電的牽引感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行的。由于變頻器供電和電網(wǎng)直接供電存在很大的差異，因此，如何利用容易測(cè)取的變頻器輸入側(cè)(網(wǎng)側(cè))物理量建立牽引感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷判據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)際工程意義。文獻(xiàn)［14］采用變頻器直流側(cè)電流進(jìn)行故障診斷。對(duì)于變頻器供電的交流調(diào)速系統(tǒng)而言，要測(cè)量變頻器直流側(cè)電流比較困難。文獻(xiàn)［15］提出采用變頻器一次側(cè)電流故障特征頻率分析方法。但一次側(cè)電流故障特征頻率也存在容易被基波頻率淹沒的問題。

針對(duì)變頻電源供電和工頻電源供電時(shí)有很大的不同［16］，本文提出一種基于變頻器輸入側(cè)(網(wǎng)側(cè))瞬時(shí)功率的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷方法。該方法針對(duì)PWM電壓型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)模型，對(duì)電機(jī)定子電流、變頻器直流側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電流以及網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率進(jìn)行頻譜分析，利用網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率中2sf1頻率分量作為轉(zhuǎn)子故障診斷的判據(jù)，能對(duì)變頻調(diào)速電機(jī)有效進(jìn)行在線故障診斷。

1 轉(zhuǎn)子故障電流分析

1.1 轉(zhuǎn)子故障時(shí)變頻器直流側(cè)電流分析

當(dāng)牽引電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障后，將在定子電流頻譜中產(chǎn)生(1±2s)f0分量。不妨設(shè)三相定子電流表達(dá)式為

式中 Im、Ibp、Ibn、φ、φbp、φbn分別為定子電流基波分量、(1+2s)f0的頻率分量和(1－2s)f0頻率分量的幅值和相位。

變頻電源驅(qū)動(dòng)的牽引電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示。圖中整流器采用三相橋式不控整流，逆變器采用的是三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)逆變電路。定義 s1、s2、s3為整流橋開關(guān)變量，sA、sB、sC為逆變器開關(guān)變量。則逆變器的直流側(cè)電流為

式中i'a、i'b、i'c分別為牽引感應(yīng)電機(jī)三相定子電流。

圖1 PWM電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)Fig．1 PWM VSI-fed adjustable speed drive

SPWM通過低頻f0正弦信號(hào)和高頻fc信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得到開關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為

其中:Jn為n階Bessel函數(shù)，M 為調(diào)制系數(shù)，w0、wc分別為低頻正弦調(diào)制信號(hào)角頻率和高頻三角信號(hào)角頻率。

將式(1)～式 (3)及式(5)～式(7)代入式(4)得

由于整流器右邊電容器實(shí)際上起到了一個(gè)低通濾波器的作用，因此可以認(rèn)為整流器直流側(cè)電流只含有直流分量和低頻分量。由式(8)可得

1.2 轉(zhuǎn)子故障牽引電機(jī)網(wǎng)側(cè)電流分析

整流器采用三相不控整流，對(duì)其開關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉分析可得

式中w1為電網(wǎng)角頻率。根據(jù)SPWM工作原理可知

為分析問題方便，忽略開關(guān)函數(shù)表達(dá)式諧波成分。將式(9)、式(10)代入式(11)得

從式(12)可以看出，雖然可以利用f1±2sf0作為故障特征頻率，但由于電機(jī)正常運(yùn)行情況下s很小，一般為0.03～0.05，故障特征頻率很容易被電網(wǎng)側(cè)電流基波頻率淹沒，導(dǎo)致故障診斷失效。

1.3 轉(zhuǎn)子故障牽引電機(jī)網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率分析

定義瞬時(shí)功率［9］為

式中uab為變頻器輸入側(cè)線電壓，正常情況下其表達(dá)式為

式中:Um為線電壓幅值，w1為電源頻率f1對(duì)應(yīng)角頻率。將式(12)、式(14)代入式(13)可得

從式中可以看出，在瞬時(shí)功率的頻譜中，存在恒定分量和故障特征頻率成分(2f1、2sf1、2f1±2sf0)，其中，定子電流基波成分轉(zhuǎn)化成2f1分量，故障特征頻率轉(zhuǎn)化成(2sf1、2f1±2sf0)分量，因此可以選用2sf1作為轉(zhuǎn)子故障診斷新判據(jù)。

2 故障診斷實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出方法對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷的有效性，采用嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該裝置采用主流的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采集部分采用TI公司的32位定點(diǎn)高速DSP芯片TMS320F2812和16位同步采樣ADC，單通道采樣頻率為10 kHZ。故障診斷過程中，本系統(tǒng)通過在VC++6.0環(huán)境下調(diào)用Matlab引擎的方法來進(jìn)行牽引感應(yīng)電機(jī)變頻器輸入側(cè)(網(wǎng)側(cè))電流和瞬時(shí)功率信號(hào)的處理和分析，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷功能，為操作人員提供必要的信號(hào)分析波形、信號(hào)的頻譜圖繪制。

分別在電機(jī)正常情況、轉(zhuǎn)子1根斷條以及轉(zhuǎn)子3根斷條情況下，采集變頻器輸入側(cè)(網(wǎng)側(cè))定子電流信號(hào)和電壓信號(hào)。低頻正弦調(diào)制信號(hào)f0為45 Hz。圖2為電機(jī)轉(zhuǎn)子1根斷條狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)電流的頻譜，從圖中可以看出2f1±2sf0的特征頻率幾乎被基波頻率淹沒，很難通過電流頻譜進(jìn)行故障診斷。圖3為正常情況下網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率頻譜圖，從中可以看出只存在2f1特征頻率。圖4為轉(zhuǎn)子1根斷條情況下網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率頻譜圖，從圖中可以看出，雖然2f1±2sf0容易被2f1頻率淹沒，但可以明顯看出2sf1的故障特征頻率，據(jù)此可以判別轉(zhuǎn)子斷條故障。圖5為轉(zhuǎn)子3根斷條情況下網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率頻譜分析圖，圖中故障特征頻率成分明顯增加，說明故障嚴(yán)重程度增加。

圖2 轉(zhuǎn)子1根斷條情況下電流頻譜曲線Fig．2 Spectrum of current for the case of 1 broken bars

圖3 電機(jī)正常情況下瞬時(shí)功率頻譜曲線Fig．3 Spectrum of instantaneous power for the case of normal induction motor

圖4 轉(zhuǎn)子1根斷條情況下瞬時(shí)功率頻譜曲線Fig．4 Spectrum of instantaneous power for the case of 1 broken bars

圖5 轉(zhuǎn)子3根斷條情況下瞬時(shí)功率頻譜曲線Fig．5 Spectrum of instantaneous power for the case of 3 broken bars

3 結(jié)語

在現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用變頻器供電，因此，研究如何從變頻器輸入信號(hào)中進(jìn)行故障診斷具有一定的工程意義。本文提出一種基于變頻器網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷方法。該方法選用便于測(cè)取的變頻器網(wǎng)側(cè)電流和電壓信號(hào)構(gòu)建瞬時(shí)功率。通過對(duì)該瞬時(shí)功率進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，2sf1作為轉(zhuǎn)子故障特征頻率，能有效進(jìn)行故障診斷。該方法解決了網(wǎng)側(cè)電流頻譜分析中轉(zhuǎn)子故障特征頻率容易被基波頻率淹沒的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能有效進(jìn)行轉(zhuǎn)子故障診斷。

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