感应电动机转子故障诊断方法的研究

摘要

感应电机以其结构简单、价格低廉、可靠性高、维护方便而在工农业中取得了广泛应用。随着现代工业系统的飞速发展，电机的单机容量不断增加，所驱动的负载也越来越复杂。电机故障不仅会损坏电机本身，严重时还会使电机突然停机、生产线崩溃，造成巨大的经济损失和灾难性后果。本文基于对电机任意不对称状态非常敏感的电磁转矩和有功、无功功率，对几种转子断条故障诊断方法进行了分析比较。通过比较发现，传统的单一诊断方法无法有效地鉴别出感应电动机断条故障。 基于小波包频带分解技术提出了信号滤波算法，指出该方法相对于Fourier频谱分析技术，对非平稳信号消噪具有更好的效果。根据信号Hilbert变换对的正交性质，分析了基于双Hilbert变换的直流分量消去方法，指出其能够实现任意非整周期信号中的直流分量的准确滤除。分析了联合经验模态分解及Hilbert谱分析技术的Hilbert-Huang变换，指出了本征模函数的幅度和频率允许改变，突破了传统的基于恒幅、恒频信号的Fourier分析，在对非平稳信号分析时，该方法具有自适应性。对于其他各种断条诊断方法，本文也进行了深入的分析和总结。 关于三相鼠笼式感应电动机的在线故障检测问题，国内外研究学者做了大量的研究工作，本文在前人工作的基础上对三相感应电动机的常见故障类型及通用的检测方法进行了分析总结。为了分析感应电动机电气故障，本文提出了一种感应电机转子导条故障下的有限元模型，对电动机转子断条与良好状态两种情况进行了有限元仿真。仿真结果表明该模型能有效地模拟感应电动机正常和转子故障的状态。为便于对定子电流信号进行采集和处理，采用了基于小波包分析的三相感应电动机转子导条故障诊断系统。针对以往利用小波包分析电动机转子故障中较少涉及的轻负载和轻微断条的情况，本文着重进行了仿真分析。针对小波包方法在分析断条故障时较少分析一条转子断裂的情况，本文通过采用适当的小波包函数，较好地解决了轻负载和轻微断条（一根断条）时的故障诊断问题。 通过比较分析，本文提出了基于小波包分析的三相感应电动机转子导条故障诊断方法，开发了基于小波包分析的三相感应电动机转子导条故障诊断系统，本系统包含硬件自测模块、数据采集模块、频谱分析模块、绘图模块、辅助功能模块。其中频谱分析模块包括了FFT分析、小波分析和小波包分析等。基于该诊断系统，采用计算机有限元模拟的方法以及进行实际断条条件下的实验数据测量，开发了相应的诊断分析程序，对导条良好、导条一根断裂、端环开裂等不同状态的电动机进行了试验分析。试验结果表明，该系统即使在轻负载和轻微导条故障时都能有效地诊断出电动机断条故障。 为了有效地判别电动机转子断条的故障程度，在分析不同断条数目时导条电流变化规律和故障特征信号频率幅值变化情况的基础上，本文提出了基于模糊数学理论的电动机转子故障程度诊断方法，通过仿真试验确定了模糊关系矩阵，用它来识别故障症状和故障类型的关联程度。进行了导条良好、一根断条和四根断条时的仿真试验。试验结果表明本文提出的模糊关系矩阵是正确的，建立的基于模糊数学理论的电动机转子故障程度诊断方法是有效的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2感应电机转子故障诊断技术概述

1.2.1感应电机主要故障类型

1.2.2感应电机转子故障诊断方法概述

1.2.3现有的电机转子故障诊断方法

1.2.4感应电机转子故障诊断方法存在的问题

1.3论文选题

1.4论文的主要工作

第二章感应电动机转子断条故障的瞬态有限元仿真

2.1引言

2.2转子断条诊断的基本原理

2.3有限元分析方法概述

2.3.1有限元分析的一般方法

2.3.2时步有限元方法

2.4鼠笼电动机二维瞬态有限元模型

2.4.1二维瞬态有限元模型的建立

2.4.2对有限元模型不同部位进行的处理

2.4.3基于虚位移法的电磁转矩计算

2.5三相感应电动机断条故障的有限元仿真分析

2.5.1电动机瞬态有限元模型的建立

2.5.2三相感应电动机导条良好与故障状态下的瞬态有限元仿真

2.5.3电机瞬态有限元仿真结果

第三章基于小波包分析的三相感应电动机转子导条故障研究

3.1小波包分析在电动机转子断条故障诊断中的应用

3.1.1小波分析与小波包分析的基本原理

3.1.2小波包分析应用于转子断条在线检测的研究的可行性探讨

3.2针对瞬态有限元仿真结果的小波包分析

3.2.1基于Matlab的仿真分析

3.2.2基于FEM仿真结果的FFT分析和小波包分析

3.3基于小波包分析的信号消噪处理

3.3.1传统信号消噪方法的分析比较

3.3.2用小波包进行信号消噪处理的方法

3.3.3三相感应电动机转子导条故障试验数据的小波包消噪处理

第四章转子故障诊断系统的开发和试验研究

4.1故障在线诊断系统的设计思路

4.2硬件设计

4.2.1数据采集卡的选取

4.2.2外围硬件电路的设计

4.3软件设计

4.3.1概述

4.3.2软件系统结构

4.3.3数据采集分析系统的编制

4.3.4软件界面及其实现功能介绍

4.4转子断条、端环开裂试验

4.5转子故障诊断系统的试验结果分析

4.5.1轻度负载下的试验结果

4.5.2中等负载下的试验结果

4.5.3较大负载下的试验结果

4.5.4噪声检测的的初步试验

4.6本章小结

第五章基于模糊理论的电动机转子故障程度诊断方法

5.1转子断条故障程度对导条电流的影响

5.2转子断条故障程度对定子电流边频分量的影响

5.3基于模糊理论的转子断条故障程度诊断方法

5.3.1模糊理论的基本原理

5.3.2模糊诊断模型的建立

5.3.3电动机转子断条故障的综合模糊诊断方法

5.3.4综合模糊诊断方法的仿真结果

结论

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文