曹慶皎　王靜爽　王奕卓

摘? 要：本設(shè)計(jì)利用LabVIEW可視化技術(shù)，通過ARM芯片STM32103對霍爾傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的診斷，開發(fā)利用電流頻譜診斷分析技術(shù)（MCSA），測試電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電流信號，利用傅里葉快速變換分析電流時(shí)域信號轉(zhuǎn)換的頻譜，以判斷電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子斷條故障。

關(guān)鍵詞：電流頻譜分析;故障診斷;虛擬儀器;定子電流

中圖分類號：TM307? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）29-0005-03

Abstract： In this design， the data collected by Hall sensor is processed by ARM chip STM32103 by using LabVIEW visualization technology， the broken bar fault diagnosis of motor rotor is realized， and the motor current spectrum analysis （MCSA） is developed. The current signal of the motor load is tested， and the frequency spectrum of the current time domain signal conversion is analyzed by Fourier transform in order to judge the rotor bar breaking fault in the process of motor operation.

Keywords： current spectrum analysis; fault diagnosis; virtual instrument; stator current

交流電機(jī)故障監(jiān)測和診斷的有效方法可以采用定子電流頻譜分析法，此法能診斷出靜態(tài)氣隙偏心、交流電機(jī)中籠型繞組的斷條、動態(tài)氣隙偏心、機(jī)械不平衡等故障。通常交流電機(jī)的故障因其設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)所決定，具體是由于機(jī)械和電氣兩方面原因相互結(jié)合引起的。感應(yīng)電動機(jī)由于內(nèi)部空氣間隙狹小，其對磁力不平衡以及磁動勢不平衡很敏感。由于交流電機(jī)在直接起動時(shí)起動電流會較大，所以籠型繞組或阻尼繞組在短時(shí)啟動過程中會承受較高的機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力，進(jìn)而極易導(dǎo)致籠條以及端環(huán)在很高應(yīng)力作用下因疲勞而斷裂。直接起動時(shí)的大電流與此同時(shí)還會在繞組末端產(chǎn)生大量電能，使繞組末端產(chǎn)生振動與變形，由此導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生機(jī)械損壞與磨損，造成擊穿故障。還有，直接起動時(shí)的大電流也會致使磁芯產(chǎn)生振動，而機(jī)械振動引起的氣隙偏心現(xiàn)象會在氣隙中產(chǎn)生磁場諧波，最終產(chǎn)生比較大的單邊磁力等。通過氣隙磁場，在定子電流中反映出籠條斷裂、動靜氣隙偏心等故障癥狀。所以，在對這些故障進(jìn)行診斷時(shí)，可以采用定子電流檢測和頻譜分析方法。因此本文主要介紹的內(nèi)容是電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的診斷原理和方法。

虛擬儀器是一個(gè)基于PC機(jī)的硬件平臺，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)要求定義虛擬面板，并編寫相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)的相應(yīng)測試功能。將虛擬儀器與電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷相結(jié)合，充分發(fā)揮了“軟件即儀器”的優(yōu)點(diǎn)，通過在虛擬面板上簡單地操作各種控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對故障診斷的研究。

1 診斷轉(zhuǎn)子斷條的原理

異步電機(jī)定子電流頻率在理想條件下是50Hz。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子電路在發(fā)生故障時(shí)，定子電流譜圖中會有一個(gè)旁頻帶，是與電源頻率f1相差2sf1。這一現(xiàn)象已被推斷和證實(shí)。

對p對磁極的異步電動機(jī)，當(dāng)電源頻率是f1時(shí)，定子電流產(chǎn)生磁勢M1，基波磁勢為：

根據(jù)公式（11）可以觀察到磁動勢表達(dá)式的第一項(xiàng)包含3ωt和3θ兩項(xiàng)，這兩項(xiàng)將會在三相定子繞組中產(chǎn)生零序電勢，但是對電源電流沒有影響。第二磁動勢分量包含低于電源角頻率的分量2sω，即F2=（1-2s）F1的分量，該分量會在異步電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)三相電流分量，而該三相電流分量會比電源電流角頻率低，并且非常接近電源電流頻率。因此分量調(diào)制作用，定子電流將按一定規(guī)律發(fā)生節(jié)拍性的變化。電流周期性脈動的情況會使定子電流表的指針進(jìn)行擺動，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨之發(fā)生波動，致使異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以兩倍的滑差頻率進(jìn)行波動。轉(zhuǎn)速的波動會造成異步電機(jī)的電流在以供電頻率為中心，在-2sf1—+2sf1之間發(fā)生變化，由于電機(jī)定子三次諧波磁通調(diào)制的原因，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流兩者的波動將更加明顯。所以異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的損傷程度會對邊頻電流幅值和基頻電流幅值兩者之間的差值大小產(chǎn)生直接影響。

若異步電機(jī)的籠型繞組發(fā)生斷條故障，則在定子電流中產(chǎn)生（1±2s）f1的故障特征分量，即在定子電流基頻附近出現(xiàn)頻率為±2sf1的側(cè)頻。從邊緣頻率的幅值和邊緣頻率的幅度與基波電流的幅值之間的差值可推斷出斷裂籠條的估計(jì)數(shù)目。以上是診斷異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的理論依據(jù)。

2 定子電流檢測與診斷

2.1電流檢測與診斷

對定子電流進(jìn)行檢測，系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、微控制器和診斷軟件組成。傳感器在現(xiàn)場采集電流信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入微處理器，并在現(xiàn)場進(jìn)行頻譜分析，并記錄頻譜，通過通訊電路上傳上位機(jī)，由上位機(jī)使用labVIEW軟件對電動機(jī)進(jìn)行頻譜診斷。

傳感器選用霍爾電流傳感器，其輸出信號是毫伏級的電壓信號，需要適當(dāng)調(diào)理后作下一環(huán)節(jié)的輸入。微處理器采用STM32103作為控制器，系統(tǒng)斷條診斷所依據(jù)的原理是：電機(jī)在提供動力的同時(shí)，將采集到的定子電流信號經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)理電路處理后，通過光電隔離電路，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將得到的數(shù)字量送入芯片對信號進(jìn)行處理，由通訊電路上傳給上位機(jī)，利用快速FFT變換提取電機(jī)相應(yīng)的電流信號頻譜，通過分析電機(jī)的頻譜來判斷電機(jī)是否存在斷條故障，最終將在人機(jī)交互界面上顯示結(jié)果。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW可以通過NI VISA函數(shù)來實(shí)現(xiàn)串口通信。NI VISA是NI提供的VISA I/O標(biāo)準(zhǔn)。LabVIEW的 VISA模塊位于“儀器 I/O →串口”函數(shù)選板中[2]。

3 轉(zhuǎn)子斷條的頻譜圖變化

實(shí)驗(yàn)一臺2對磁極轉(zhuǎn)子51槽的異步電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1430r/min，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)差率s=0.058，在不同故障狀態(tài)下，檢測定子電流和做頻譜分析，測出其基頻電流分量和邊頻電流分量，并將它們之差值與故障程度進(jìn)行分析比較，研究其變化規(guī)律。

電動機(jī)在正常滿載時(shí)，不同狀態(tài)下的電流頻譜圖如圖1-圖3所示。

圖1電流譜圖是電機(jī)滿載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子無斷條情況下得出的，由此圖可知，滿載運(yùn)行時(shí)，邊頻分量極小，它與基頻分量的幅值之間電流級差值已高達(dá)64dB。圖2是電機(jī)滿載運(yùn)行，繞組在斷條一根時(shí)具有的電流頻譜圖，邊緣頻率分量增加到71dB，并且邊緣頻率分量和基頻分量之間的差減小到44.5dB。圖3是滿載運(yùn)行時(shí)兩根斷條時(shí)的電流譜圖。邊緣頻率分量隨斷條數(shù)目的增加而增大，邊緣頻率分量達(dá)到78.5dB，邊緣頻率分量與基頻分量之間的電流差減小到37dB。通過對不同故障條件下電流譜的分析，可知邊緣頻率分量隨故障程度的加重而增大，基頻分量與邊緣頻率分量的差值隨故障程度的加重而減小。根據(jù)此規(guī)律，可以對異步電動機(jī)的籠形繞組進(jìn)行故障診斷，如正常、高阻、一條斷條、兩根斷條或是多條斷條等情況。

4 結(jié)束語

本文基于虛擬儀器和MCSA技術(shù)的電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷的設(shè)計(jì)，利用labVIEW圖形化編程語言設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，通過ARM芯片STM32103對霍爾傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的診斷，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號采集、放大、數(shù)據(jù)存儲、通訊、圖形顯示幾個(gè)功能，并通過實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]武奇生，白璘，惠萌，等. 基于ARM的單片機(jī)應(yīng)用及實(shí)踐——STM32案例式教學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.