MCSA在异步电机拖动设备故障诊断中的应用

摘要

随着技术手段和分析方法的不断进步，故障诊断技术越来越成为企业设备管理的有效工具。电机及其拖动设备是工业生产中广泛应用的典型设备，现场运行中常常会有故障产生并具有不同的故障形式，获取其有用的状态信息并从中提取特征是提高电机及其拖动设备状态监测和故障诊断水平的关键之一。本文以交流异步电机拖动设备为对象，研究从其电流信号中获取拖动设备状态信息的原理和方法，并通过实验研究和现场实践，取得了相应的研究成果。 电流信号分析方法(简称MCSA，Motor Current Signal Analysis)过去主要应用于电机本体的故障诊断。对其拖动设备而言，尽管扭矩敏感性的故障信息反映在电流信号中，但由于自身信号十分微弱而电流信号中电网工频信号非常强大，使得故障信息的提取非常困难。此外，由于电流信号能集中反映电机及其拖动设备的状态，而且其故障特征在电流信号中表现为对电网工频的调制，信息构成非常复杂，加大了特征信息提取的难度。因此本文重点在有效地剔除电网工频信号，提高分析的信噪比，分离故障信息等方面进行研究，解决电流法进行电机拖动设备故障诊断的核心问题，实现对于某些特定环境及振动检测难以实施设备的有效诊断，具有重要的学术和实际应用价值。 本文重点进行基于电流法的异步电机拖动设备故障诊断理论研究、仿真分析和实验验证的工作，阐明了故障特征在电流信号中的表现特点，各种频率成分的调制规律，从理论到应用全方位验证了电流法应用于异步电机拖动设备诊断的可行性和有效性。 为了剔除电网工频分量提取微弱故障信息，运用奇异值分解(简称SVD，singular value decomposition)的数学方法，提出了改进的奇异值分解算法，使精度得以提高，实现了电流信号中电网工频成分的剔除；同时，为了实现在线监测，提出了一种硬件实现方法，并研制了相应的剔除电流信号中电网工频成分的硬件装置，减小电网电压的影响，提高信号分析的实时性。 针对电网工频周围频率成分过于密集不易识别的问题，采用循环平稳方法(cyclostationary)对电流信号进行处理，获取各种故障调制频率在循环频率域不同循环频率上的表现，提出了基于循环频率切片的故障特征提取方法，实现各种特征信息的有效分离，并通过实验和现场实例得到验证。 为了验证理论方法的有效性，构建了交流电机驱动的齿轮实验装置，进行了振动和电流诊断的比较研究，说明了电流分析方法与振动分析方法各自的特点和适应性，以及对不同故障的敏感性。在方法层面上，明确了两种方法不能互相替代而只能互相补充。通过在特定工况条件和特殊环境下三个有代表性的现场实际案例，说明电流分析方法有其独特的优势，也验证了本文理论方法的有效性。研究中还开发了一个基于MCSA的交流电机拖动设备监测诊断系统，集信号采集、数据管理和分析诊断于一体，并将本文研究的成果转化为模块式软件工具。该系统同时可输入振动和电流信号，使用方便、性能可靠，便于扩展，成为本文工作的有力工具，也是一个现场实用的系统。 本文工作紧密结合现场设备诊断工作的需求，做了大量的实际工作，包括诊断系统的开发、移相装置的研制、实验台的构建以及大量的现场实际案例的分析，从理论和实践上都进行了有益的探索，比较系统地研究了MCSA应用中的各类问题，为现场电流法诊断的开展，离线、在线系统的实施创造了条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1电机及拖动设备的主要检测诊断手段

1.1.2电机及其拖动设备常用的信号处理方法

1.2国内外相关研究的发展概况

1.2.1 MCSA对电机及拖动设备诊断的应用概况

1.2.2异步电机拖动设备故障诊断技术发展概况

1.3选题意义

1.3.1现场难以解决的诊断问题

1.3.2电流分析方法的特点

1.3.3现场诊断工作的需要

1.4论文的主要工作及安排

1.4.1 MCSA方法存在的问题

1.4.2论文研究内容和结构安排

第二章拖动设备故障信息的电流表现特征和分析处理要求

2.1基于电流的诊断原理分析

2.1.1交流感应电动机的简化数学模型

2.1.2定子电流的分解

2.1.3负载扭矩与电流波动的关系

2.2调制规律分析

2.2.1调制原理

2.2.2实测信号的调制表现

2.3基于定子电流的拖动设备诊断关键技术分析

2.4本章小结

第三章基于奇异值分解的弱信号特征提取方法

3.1概述

3.2奇异值分解基本理论

3.3应用SVD消除电流工频信号的步骤

3.4 SVD消除工频干扰方法的数字仿真分析

3.5改进的SVD方法

3.5.1改进的SVD方法原理

3.5.2改进SVD算法中的数据重构

3.5.3改进SVD方法的剔除效果

3.5.4车床传动齿轮箱驱动电机实测信号分析

3.6本章小结

第四章电流工频分量的硬件剔除方法及其实践

4.1问题的提出

4.2移相跟踪装置的原理

4.2.1移相跟踪装置的原理

4.2.2信号的相关性分析

4.3移相跟踪装置的研制

4.4移相跟踪装置性能测试

4.4.1移相跟踪装置本体性能实验

4.4.2移相跟踪装置实测效果

4.5移相跟踪装置在电流诊断中的应用

4.6本章小结

第五章基于循环平稳方法的电流信号特征分离技术

5.1概述

5.2循环平稳信号分析原理

5.2.1机械信号的非平稳性和循环平稳性

5.2.2循环平稳信号的定义和循环统计量

5.2.3循环统计理论及其应用

5.2.4循环自相关解调性

5.3仿真信号分析

5.3.1单调制源模拟

5.3.2多调制源模拟

5.4循环平稳方法的应用举例

5.5本章小结

第六章电流法实验研究

6.1概述

6.2齿轮故障实验台的设计及构成

6.2.1齿轮箱的设计

6.2.2实验系统

6.3实验过程和分析

6.4本章小结

第七章MCSA对现场设备诊断的应用研究

7.1对钢包倾翻台的应用探索

7.1.1设备传动结构

7.1.2设备结构频率分析与计算

7.1.3信号处理与分析

7.2对机床类设备的应用探索

7.2.1测试系统和研究对象

7.2.2信号处理与分析

7.2.3实验结果分析

7.3对高炉布料系统的应用探索

7.3.1布料溜槽传动装置的构成

7.3.2布料溜槽传动系统原理及运动分析

7.3.3布料溜槽传动系统电流信号分析

7.4本章小结

第八章基于MCSA的交流电机及拖动设备诊断系统开发

8.1概述

8.2系统设计

8.2.1系统设计要求

8.2.2硬件设计

8.2.3软件设计

8.3系统实现

8.3.1系统主界面

8.3.2数据采集模块

8.3.3临时在线监测模块

8.3.4信号分析模块

8.4系统的扩展性与可维护性

8.5本章小结

第九章全文总结

9.1论文工作的总结

9.2有待深入研究的问题

参考文献

致谢

作者简历

攻读博士学位期间发表的论文情况