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03 基于定子电流Park矢量变换的感应电机故障诊断


监测· 诊断

基于定子电流 Park 矢量变换的感应电机故障诊断
王鹏飞 ,侯新国 ,夏   立
( 海军工程大学 电气工程系 ,湖北 武汉 430033) [ 摘   ] 通过提取定子电流信号 Park 矢量图作为电机故障特征 ,应用人工神经网络技术对故障特征进 要

行分类与识别 ,从而避开复杂的谱分析技术 ,实验

测试结果表明 ,该方法用于电机故障诊断可靠 、 有效 , 是一种实际可行的电机故障诊断方法 。
[ 关键词 ] Park 矢量变换 ; 感应电机 ; 故障诊断 [ 中图分类号 ] TM761    [ 文献标识码 ] A    [ 文章编号 ] 1003 - 8884 ( 2003) 02 - 0018 - 03

0  前言
感应电机由于受热 、 、 负载 疲劳等各种因素的影 响引起的故障和停运 , 不仅会损坏昂贵的电机本身 , 而且直接威胁电力系统的安全运行 , 危及人员和财 产安全 。因此 , 及时检测出感应电机故障 , 并采取相 应措施 , 使损失降到最低限度 , 具有重大意义 。 感应电机的故障检测方法 , 目前研究最为热点 的是基于定子电流的信号检测方法 , 如基于定子电 流的频谱分析方法 [ 1 ] 、 小波分析方法 [ 2 ] 以及高阶谱 分析方法 [ 3 ] 等现代信号处理方法 ; 由于感应电机转 子出现故障时 , 在定子电流中会产生 ( 1 ±2 s ) f 的 频率成分 , 如何用信号处理的方法 , 从大电流环境中 提取出这种故障特征 , 一直是上述谱分析技术的 “瓶 颈” 问题 。基于 Park 变换实现感应电机故障诊断方 法 , 避开了这一故障特征频率成分的检测 , 能有效地 对电机出现的故障进行诊断 。

换方程成立 :

图1  轴系变换图

id iq

=

1 2 3 0

2  基于 Park 矢量变换感应电机故障

特征的提取

   根据上述 Park 变换原理 , 在感应电机故障检测 与诊断中 , 将电机定子三相电流 i a 、b 、c 从 ( a , b , i i
c) 坐标下转换成 ( d , q ) 坐标下的电流 i d 、q , 即由 i

1  Clark 变换原理
Clark 变换是分析旋转电机数学模型常用的一

Park 变换公式可得 :
id = iq =

种变换方法 , 它是根据磁势相等的原理 , 将三相轴系 ( a , b , c 轴系 ) 变换为二相轴系 ( d , q 轴系 ) 分析电 机的一种数学方法 , 其变换原理如图 1 所示 。在两 个轴系 —( a , b , c ) 轴系和 ( d , q) 轴系中 , 绕组匝数 分别为 N 与 M , 两轴系绕组分别通以正弦交流电 (角频率为 ω) , 产生的合成磁势为 Fs , 两坐标系都 以 ω 进行旋转 , 按两者任何时刻合成磁势相等的原 则 , 假定 d 轴与 a 轴重合 , 则必有如下 Park 矢量变
[ 收稿日期 ]   2002 - 12 - 02

2 1 1 i ib ic 3 a 6 6 1 1 ib ic 2 2

对于理想状态下的感应电机 , 有 :
id = iq =

6 I sin (ωt ) 2 m

6 I sin (ωt - π 2 ) / 2 m

式中  I m — 相电流最大值 ;

18

- 015 3 2

有色设备   2003 ( 2)

- 015 3 2

ia ib ic

监测· 诊断 ω— 外加电压角频率 。 在 ( d , q ) 二相坐标中 , 由 i d 、q 形成的矢量轨 i 迹为一以原点为中心的圆 ( 见图 2 ) 。实际上 , 由于 制造 、 、 安装 材料等方面原因 , 正常感应电机的矢量 轨迹只能接近圆 。当感应电机出现转子等各种故障 时 , 电流信号的相应关系发生变化 , 从而导致矢量发 生变化 , 会偏离圆轨迹 , 变成椭圆 。长短轴的长度和 偏转方向的变化 , 与电机故障类型和程度有一定联 系 。通过对定子电流信号的 Park 矢量变换 , 作出二 相坐标系下的 Park 矢量图 , 作为感应电机的故障特 征 , 结合其它数学工具 , 如模糊逻辑推理 、 人工神经 ( ANN ) 等方法 , 将检测到的三相电流信号的 网络 Park 矢量图 , 与正常电机定子三相电流的 Park 矢 量图进行对比 , 对电机故障进行类别分析 , 实施诊 断 。采用 Park 矢量变换方法 , 避免了复杂的谱分析 技术 , 通过对 Park 矢量图的对比及分析 , 使电机故 障一目了然 , 为进一步采取相应诊断措施提供了条 件。
图3  基于 Park 矢量变换的人工神经网络
( ANN) 故障诊断系统

矢量图 , 如图 2 所示 。

在故障判型方面采用矢量对比法 , 首先经过 Park 矢量分析程序 , 得到电机正常情况下的 Park 矢量值 , 再得出每一种故障的 Park 矢量值与正常情 况下的 Park 矢量值在同一时刻下的平方根误差 , 然 后对一个周期内的平方根误差求和 , 得到一个预设 值 。经过大量试验最终定出在这种电机故障下的预 设值 r ( t ) k ( k = 1 , 2 , …, n ) , k 代表故障类型 。 假设 I d1 ( t 1 ) 为电机正常情况在一个周期内 t 1 时刻下的 Park 矢量值 , I d2 ( t 1 ) 为电机发电故障情况 在一个周期内 t 1 时刻的 Park 矢量值 , r ( t ) 为一个 周期内的均方根误差和 。 则:
r ( t 1) =

图2  理想情况下定子电流 Park 矢量图

3  实验及测试结果
根据上述原理 , 实验中设计了一种基于 Park 矢 量变换的人工神经网络 ( ANN ) 故障诊断系统 ( 见图
3) , 系 统 由 信 号 采 集 与 处 理 模 块 、 工 神 经 网 络 人 ( ANN ) 故障识别模块两部分构成 , 实验及测试方法

如下 。
311   信号采集与处理

根据 ( 1) 和 ( 2) 式 , 经过大量反复试验 , 可以确定 电机在某一种故障下的比对预设值 : r ( t ) k ( k = 1 , 2 , …, n ) 以此类推 , 可以得出各种电机故障情况下的预 设值 r ( t ) k ( k = 1 , 2 , …, n ) , 将这些预设值分别存 入一个小型数据库中 。当电机发生故障时 , 通过 Park 分析软件及 ( 1 ) 和 ( 2 ) 式 , 得出该故障的均方根 ( ( 误差和 r′ t ) , 再将 r′ t ) 与小型数据库中已有的故 障预设值 r ( t ) k ( k = 1 , 2 , …, n ) 分别进行比对 , 当 ( │r′ t ) - r ( t ) k │→ 时 , 则电机故障即为在数据 0 库中第 k 类的故障 。如与小型数据库中所存预设 值比对未能确定故障类型 , 则返回检查电机本身 , 找
19

信号采集和处理部分硬件由一块 PCI - 1602

数据采集卡 、 三个电流传感器及台式计算机组成 。 在实验过程中 , 发现采集频率 Fs = 10 k Hz 时 , 采集 得到的数据满足 Park 矢量分析软件的需要 , 即一个 周期内有 200 个点 。故障信号处理与分析应用前面 所述的 Park 矢量变换方法 , 在软件调试过程中发 现 , 将所提取信号最初部分的不稳定数据去掉 , 从中 间部分截取一个周期的数据 , 即可得到理想的 Park    有色设备   2003 ( 2)

312   故障分类与识别

| I 2d1 ( t 1 ) - I 2d2 ( t 1 ) |

( 1)

由 ( 1) 式可得出在一个周期内的 r ( t ) 值 : r ( t ) = r ( t 1 ) + r ( t 2 ) + …+ r ( t n )
( t 1 + t 2 + …+ t n = T ) ( 2)

监测· 诊断 出电机所发生的故障 , 在数据库中增加一项新的故 障类型 , 再针对这类故障经过大量试验 , 得出一个新 的故障类型预设值 r ( t ) n + 1 , 存入数据库中的第 n + 1 项 。通过大量试验 , 则数据库不断完善 , 最终可 以达到自动判别的功效 。同时有经验的工程人员也 可以通过 Park 矢量图进行判型 。 313   人工神经网络系统构成 人工神经网络 ( ANN ) 系统由三层构成 : 一个输 入层 , 一个隐含层 , 一个输出层 , 采用 B P 算法训练 网络 [ 4 ] 。
314   实验测试 20
图4  电机在正常情况下定子电流的 Park 矢量图 图5  电机匝间短路时定子电流的 Park 矢量图

图6  相间短路时定子电流的 Park 矢量图

   经实验测试 , 基于 Park 矢量变换的神经网络系 统的电机故障识别正确率很高 , 经过对神经网络系 统进一步设计与训练 , 能有效地对感应电机出现的 诸如定子电压不平衡 、 转子绕组故障 、 定子电流掉相 以及定子绕组故障等多类故障进行识别与诊断 。

实验感应电机在电机正常 、 三相不平衡以及缺 相三种情况下进行 , 实验中采集 4096 点计算 , 用 3 × 个点数据在三种情况混合的条件下对 ANN 420 网络进行训练 , 余下的数据用来对网络测试 , 测试时 网络的配置为 :输入层神经元数为 42 , 即用 42 个点 来描述一张 Park 矢量图 , 隐含层神经元数为 8 , 输 出层神经元数为 1 ; 实验测试结果见图 4~6 。

4  结论
将 Park 矢量变换应用于感应电机故障诊断的 实质是 , 提取定子电流信号的 Park 矢量图作为电机 故障特证 , 应用人工神经网络技术对故障特征进行 分类与识别 , 其优点在于避开了复杂的谱分析技术 。 实验测试结果表明 , 该方法是一种实际可行的电机 故障诊断方法 。进一步研究表明 , 如果针对不同的 故障 , 设计相应的神经网络系统 , 能有效地对电机三 相不平衡 、 转子绕组故障 、 机械故障 , 缺相以及定子 绕组故障等多类故障进行识别与诊断 。
[ 参考文献 ]
[1 ] Benhouzid M E H. Induction motor diagnostics via stator current monitoring [ A ] . Mainterance and reliability [ C ] . Knoxville , Int conf . ,1997. 36. 01~10. [ 2 ] 管   ,吴国沛 ,黄文莹 . 小波变换在电力设备故障诊断中的应 霖

用研究 [J ] . 中国电机工程学报 ,2000 ,20 (10) :46~54.
[ 3 ] Chow T W S. Conditoin monitoring of electric machines usrig t hird2 [ 4 ] 张立明 . 人工神经网络模型及其应用 [ M ] . 上海 : 上海复旦大学 order spectrum analysis [ A ] . Meeting[ C] . IEEE2IAS : Lake Bue2 na Vista ,1996. 679~686.

出版社 ,1998.

第三届亚洲国际模具制造技术展览会将举办

   由香港模具协会和工商业展览有限公司联合主办的第

设备 、 电脑系统 、 辅助设备和其他用品等 。此外 ,第三届国际 汽车零件 、 配件 、 维修及检测设备展览会亦同场举行 。
[ 中图分类号 ] T - 28   [ 文献标识码 ] D

三届亚洲国际模具制造技术展览会将于 2003 年 9 月 25~ 28 日在香港举行 。内容包括 : 模具 、 模具加工机械 、 表面处理 、 零部件制造机械 、 零件及部件 、 金属成形 、 / 测试及控制 量度

( 工商业展览有限公司)

有色设备   2003 ( 2)

Application of Reciprocating Diaphragm Pump of Series SGMB and D GMB in Alumina Production ………………………………… ( 1)
LING Xue2qi n SHE ANG MET NY ALLURGICAL M ACHINE CO. LTD. , SHE ANG 110025 , RY NGY CHINA

Abstract :The paper describes t he structure and working t heory of SGMB , D GMB series reciprocating diaphragm pumps systematically. The technics , design , and t he guarantee of production are presented in detail. The paper recommends t he application and t he selection as well as application results of t he pump in alumina production and prospects and t he future of t he pumps. Keywords :Diaphragm pump ; Rubber diaphragm ; Piston Engineering Practice of Intelligent Control System in Inserting Depth Control of Electric Pole in Furnace …………………………… ( 5)

Development on Flow Detecting and Controlling System in RE Extract2 ing with Series Poles …………………………………………… ( 7) Design and Improvement on Tooth2roller Crusher of Φ1200 × 1500
HUANG Zha o2p i n g

CHEN Yu2tia n MECH ANICAL DEPART MT, CH ME ANG A E SH NGINEE RING & RE ARCH INSTIT SE UTE OF NON2FE RROUS MET ALLURGY, CH ANG A 410011 , CHINA SH

Abstract :To use in a nickel furnace in an engineering in Jilin province , t he paper finds out parameters reflecting inserting dept h of pole , gives a calculation met hod of controlling t he pole wit h t he intelligent control technology after analyzing t he feature of nickel metallurgy process wit h arc furnace. And t he writer designs an intelligent control system for inserting dept h of pole in furnace to use in t he engineering. As t he re2 sult of production , t he inserting dept h of pole is controlled automati2 cally and t he company gets a very good economic efficiency. Keywords :Nickel metallurgy ;Covered arc ; Intelligent control Abstract :The paper recommends a complete system designed for auto2 matically detecting ,regulating ,displaying and perfecting parameters in accordance wit h t he technical requirements of t he RE extracting pro2 cess. Keywords :Flow ;D. C. motor ;Control ; Hardware ;Software Abstract :The paper describes t he working principle and structural fea2 tures of t he toot h2roller crusher , analyzes t he problems occurred in production. An optimization design is made and t he crushing efficiency improved. Keywords :Toot h2roller crusher ;Over2crushed ;Dust A Discussion of Applying AC Freqency Converter to Bridge Crane … ………………………………………………………………… ( 14)
MU Xia o2d o n g DEPART NT OF PHY ME SICS , SH ANDONG UNIVE SITY OF TECH R NOLOGY, ZIBO 255049 , CHINA

YANG Li E LECTRICAL DEPART NT, CHINA NON2FE ME RROUS E NGINEE RING AND RE ARCH SE INSTIT UTE, BEIJING 100038 , CHINA

………………………………………………………………… ( 9)

NON2FERROUS METALLURGICAL EQUIPMEN T
No. 2   2003 ABSTRACT & KEYWORDS
E Cai2xia , LI Ya2j ua n , LI Xia n2z h u , WANG Li n g TAN Zhi2z h o n g

MECH ANICAL AND POWE DEPART NT, ZH ZHOU SME R GROUP CO. R ME U LTE LTD. , ZH UZHOU 412004 , CHINA

Diagnosis of Induction Motor Faults Used in Electronic Current Park’ s Vector Converting ……………………………………………… ( 18)
WANG Pe n g2f ei , HOU Xi n2g u o , XIA Li DEPART NT OF E ME LECTRICAL E NGINEE RING, NOVAL UNIVE SITY OF E 2 R NGI NEE RING, WUH 430033 , CHINA AN HUANG Rui2xia , WEI Hui2li n g , FAN J un2z ha o DEPART NT OF TECH ME NICAL DE LOP NT, SH VE ME ANXI BRANCH OF CH ALCO , HE 043300 , CHINA JIN

Abstract :The paper describes simply t he principle of velocity regulating by changing power frequency and connecting resistors in series in asyn2 chronous motor , analyzing t he feasibility of applying AC frequency converter to bridge crane and t he match of parameters and arrange2 ment . The writer forecasts t he economical efficiency of t he installa2 tion. Keywords :Asynchronous motor ; Frequency converter ;Bridge crane ; Ve2 locity regulating Abstract :The paper uses artificial nerve net technology to classify and recognize t he characteristic of faults so as to avoid complicated spec2 trum analyzing technology t hrough extracting Park vector of electron2 ics flow signal. The experiment results show t hat t he met hod used in diagnosis for motor malfunction reliable and efficiency. So it is a prac2 tical diagnosis met hod for motor malfunction. Keywords :Park vector ;Convert ; Induction motor ; Faults diagnosis Application of AT3 Instrument on Trouble2detecting of Winding of Asynchronous Motor ………………………………………… ( 27) Application of Control System of Micro2computer to Hydraulic Press ………………………………………………………………… ( 30) Improvement of Lubrication System for Fluid 2type Ball Mills ……… ………………………………………………………………… ( 36) Abstract :In t his paper t he main type , characteristics and normal detect2 ing technology of winding trouble in asynchronous motor are briefly described and t he defects in present normal detecting met hods are pointed out . A kind of practical and advanced A T3 detecting instru2 ment and technology are introduced in details. Keywords :Asynchronous motor ; Winding ; Trouble ;Detecting Abstract :This article recommends t he improvement of centralized lubri2 cation for t he mill and operation effect in allusion to t he working condi2 tion of fluid2type ball mill. Keywords :Fluid2type ball mill ; Centralized lubrication ; Oil pollution ; Seal

Abstract :The paper recommends a control system composed of a micro2 computer which controls t he velocity of extrusion automatically. Keywords :Isot hermal extrusion ; Pulse ; Grating speedometer ;Step motor


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