基于变频调速的异步电机转子断条故障诊断

论文摘要

异步电机以其结构简单,价格低廉被应用于工农业生产的各个领域。当异步电机发生故障之时不仅损害电机本体,而且有可能引发重大生产安全事故。为保证电机及其所驱动负载的安全运行,就需要对电机状态进行监测做出早期的故障诊断。尤其随着“节能减排”政策的大力提倡与实行,基于变频调速的异步电机系统被广泛的应用于工业生产领域。电机转子断条是异步电机的常见故障之一,目前的研究主要集中于工频电源供电下的异步电机转子断条故障诊断的研究,而针对变频器供电的异步电机转子断条故障诊断的研究还很少。所以本文将对变频调速系统中的异步电机,即异步电机在变频器供电情况下转子断条故障进行诊断研究。本文将从异步电机在工频电源供电情况下发生转子断条故障入手,分析其故障特征和相应的故障诊断方法。然后探讨将转子断条的常规检测方法定子电流频谱分析的方法（简称MCSA）应用于变频调速系统的可行性。即是否异步电机在变频器供电情况下发生断条时也存在频率为（1±2s）f1的分量,并且通过判断频谱中是否存在频率为（1±2s）f1的故障特征分量来检测变频调速系统的异步电机转子断条故障。MCSA故障检测方法应用于变频调速的异步电机转子断条故障的检测之中,将针对频率为（1±2s）f1的故障特征分量容易被变频器供电频率分量所淹没及变频器输出波形含有高次谐波分量,不易做出故障诊断的问题。分别提出基于数字低通滤波、自适应滤波与细化的快速傅里叶变换结合的转子断条故障诊断方法和基于数字低通滤波、希尔伯特变换与细化的快速傅里叶变换（简称ZFFT或ZOOM-FFT）结合的转子断条故障诊断方法。为验证方法的可行性,分别进行仿真与实物的实验验证。仿真通过MATLAB/Simulink建立恒压频比变频调速系统的异步电机转子故障仿真模型进行仿真验证。实验室则搭建了电机故障模拟平台,信号采集系统平台分别进行故障模拟与信号采集工作,对所提两种方法进行实验验证。经过仿真和实验验证,两种方法对特征频率和故障特征分量的提取,达到预期效果。可以将这两种方法应用于基于变频调速的异步电机转子断条故障的诊断中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 本课题国内外发展及现况
• 1.2.1 电机故障信号处理方法的研究现况
• 1.2.2 异步电机转子断条故障诊断方法的研究
• 1.3 论文的主要工作及内容安排
• 2 异步电机转子断条故障特征的时域与频域分析
• 2.1 异步电机转子断条故障特征的机理分析
• 2.2 恒压频比变频调速系统转子断条故障的仿真研究
• 2.2.1 恒压频比控制方式
• 2.2.2 恒压频比变频调速系统转子断条故障仿真
• 2.3 异步电机转子断条故障特征的时域分析及仿真实现
• 2.4 异步电机转子断条故障特征的频域分析及仿真实现
• 2.5 变频调速系统中转子断条故障特征频率与分量的分析
• 3 变频调速系统转子断条故障诊断方法的研究
• 3.1 数字低通滤波器的设计
• 3.1.1 数字低通滤波器的选型确定
• 3.1.2 数字低通滤波器的MATLAB 实现
• 3.2 自适应滤波的转子断条故障特征分量的提取
• 3.2.1 自适应滤波的原理
• 3.2.2 自适应滤波提取转子断条特征分量
• 3.3 希尔伯特变换的转子断条故障特征分量的提取
• 3.3.1 希尔伯特变换解调原理
• 3.3.2 希尔伯特变换提取转子断条特征分量
• 3.4 细化的快速傅里叶变换
• 3.4.1 ZFFT 算法实现
• 3.4.2 ZFFT 算法的应用及仿真分析
• 3.5 方法一的实现过程与仿真验证及分析
• 3.5.1 方法一的实现过程
• 3.5.2 仿真验证及分析
• 3.6 方法二的实现过程与仿真验证及分析
• 3.6.1 方法二的实现过程
• 3.6.2 仿真验证及分析
• 4 异步电机故障模拟平台搭建与信号采集平台硬件设计
• 4.1 总体方案
• 4.2 异步电机故障模拟平台搭建
• 4.2.1 异步电机的故障模拟
• 4.2.2 通用变频器—异步电机调速系统
• 4.3 电机信号采集系统的硬件设计
• 4.3.1 异步电机定子电流信号获取和调理部分的设计
• 4.3.2 异步电机定子电压信号获取和调理部分的设计
• 4.3.3 异步电机定子电流电压采集电路PCB 实现
• 4.3.4 A/D 转换
• 5 基于LabVIEW 的信号采集系统平台软件设计
• 5.1 虚拟仪器LabVIEW 概述
• 5.2 信号采集系统平台软件总体结构
• 5.3 信号检测系统设计
• 5.3.1 首页
• 5.3.2 主界面
• 5.3.3 信号采集与保存
• 5.3.4 历史数据回放
• 6 实验及结果分析
• 6.1 方法一的实验验证
• 6.2 方法二的实验验证
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献