电磁故障检测和诊断方法：基于模糊建模和直接转矩控制的异步电动机调速系统

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）27三相异步电动机调速系统故障检测与诊断模糊建模系统的实现Shorouk Ossama Ibrahima， Khaled NagdyF arisb， Esam Abo Elzahabaa埃及开罗大学工程学院电力和机械工程b埃及吉萨国家研究中心大楼电子研究所2015年3月23日在线发布摘要感应电动机在工业应用中得到了广泛的应用，主要是由于其效率和可靠性。这是必要的，这些机器的工作与其高性能和可靠性的所有时间。因此，有必要对这些电机所面临的各种故障进行监测、检测和诊断介绍了一种针对异步电动机调速系统不同故障的智能故障检测与诊断方法定子电流和时间被引入到建议的模糊检测和诊断系统的输入直接转矩控制技术（DTC）作为一种合适的控制技术被采用在驱动系统中，特别是在牵引应用中，例如使用这种机器的电动车辆和地铁采用智能建模技术作为不同故障的标识符，所提出的模型引入了时间作为一个重要的因素或变量，在故障检测或根据故障的类型进行适当的纠正措施的决策中起着重要的作用实验结果验证了所提出的智能检测器和识别器的有效性，并注意到仿真结果和实验结果之间的匹配© 2015 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：模糊逻辑;直接转矩控制; Matlab/Simulink;电机状态;故障类型1. 介绍感应电机在世界范围内被用作工业应用中的“主力”。虽然这些机电设备是高度可靠的，但它们容易受到许多类型的故障的影响。这些故障可能具有破坏性和危害性，并导致生产停工和人身伤害。 因此，尽早检测这些故障是非常重要的，以防止机器的完全故障，并防止意外的生产成本（Thorsen和Dalva，1999）。感应电机中此类故障的影响包括定子电压和电流不平衡、扭矩振荡、效率降低、过热、过度振动和扭矩降低（Sivakotaiah，2009年）。 精确故障*通讯作者。电子邮件地址：sho sunrise@yahoo.com（S.O. Ibrahim），khalederi@yahoo.com（k.N. Faris）、Zahab0@yahoo.com（E.A.Elzahab）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.03.0042314-7172/© 2015电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。28S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27F=.（F2+F2）tan−1。（3）Fig. 1.异步电动机直接转矩控制的Simulink框图。故障检测系统具有高的检测率和低的误报率;如果故障检测系统的检测能力差，则很可能错过可能导致关键机器故障和整个系统崩溃的正在发展的故障。然而，如果故障检测系统太敏感，则可能产生高比率的错误警报，并且可能导致做出错误的决定。因此，被测相2. 感应电机驱动系统建模使用直接转矩控制方法的想法是基于将测量的定子磁链和转矩与理论上期望的频带进行比较直接转矩控制的优点是结构简单、无坐标变换、无单独的电压调制模块、无电流控制环、磁链和转矩动态性能好，但缺点是开关频率可变、低速运行和转矩脉动大通过使用Maltab/Simulink对所提出的系统中的感应电机进行分析，如图所示。1.一、通过运行m文件获得三相异步电机模型的参数，模型可以从工作空间访问所有参数值。2.1. 子模型控制感应电动机子系统的子模型和方程：2.1.1. 转矩和光通量估计直交轴磁链和转矩计算如下（Ansari和Deshpande，2010年）：Fd=dt（Vd−Rs Id）dt（1）Fq=<$（Vq−Rs Iq）dt（2）d qFd3Te=2p（Fds iqs−Fqs ids）（4）一个经典的DTC方案有两个磁滞比较器，一个用于定子磁链，第二个用于转矩。图2显示了一个典型的方案（AbdulWahab和Sanusi，2008年）。因此，定子磁链的瞬时误差hf具有两个可能的值（1和0）;而瞬时转矩误差hTe具有三个可能的值（1和0）。S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）2729−C3一C图二. PWM逆变器直接转矩可能的值（0，1和1）。误差hf和hTe与包含定子磁通矢量的段号一起用作开关表的输入开关表的输出是八个可能的电压矢量之一图中所示的每个块将在以下部分中详细解释。2.1.2. 空间矢量如果电压矢量相对于定子磁通矢量偏移（滞后或超前）一个不超过90°的角度，则会导致磁通增加，反之亦然。然后，通过选择逆变器情况直接控制产生的转矩，以增加定子磁通或降低定子磁通：VDCVa=3（2Sa-Sb-Sc）（5）VDCV b=3（−Sa+2Sb -Sc）（6）VDCV=（−S−S+2S）（7）2.1.3. 扭矩和扭矩的磁滞控制器将参考转矩和通量与它们各自的估计值进行比较。然后通过两个迟滞比较器处理误差。转矩磁滞比较器的输出表示为hTe，磁链磁滞比较器的输出表示为hf，磁链扇区表示为θ。滞后控制器的输出有两个值，0和1。磁通滞后控制器的数字输出为零或一。输出0表示实际值高于参考值且超出迟滞限值，输出= 1表示实际值低于参考值且超出迟滞限值。滞后控制器的Simulink框图如图所示。3.第三章。等式（8）和（9）表示通量表和方程的磁滞带极限（10）-（12）表示转矩表的三级滞后带（Gaeid等人， 2009年）：hf=0对于FFref+hf（八）hf=1对于FFref−hf（九）hTe=1对于TeTref−hTe（十）T错误=0对于Te=Tref（十一）hTe=−1 对于TeTref+hTe（12）B30S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27图三.滞环控制器的Simulink框图。表1DTC逆变器开关表。hf hTe θ（定子磁通位置）θ（1）θ（2）θ（3）θ（4）θ（5）θ（6）hf= 1hTe= 1第二卷（110）第三卷（010）第四卷（011）第五卷（001）第六卷（101）第一卷（100）hTe= 0第七卷（111）V0（000）第七卷（111）V0（000）第七卷（111）V0（000）hTe=−1第六卷（101）第一卷（100）第二卷（110）第三卷（010）第四卷（011）第五卷（001）hf= 0hTe= 1第三卷（010）第四卷（011）第五卷（001）第六卷（101）第一卷（100）第二卷（110）hTe= 0V0（000）第七卷（111）V0（000）第七卷（111）V0（000）第七卷（111）hTe=−1第五卷（001）第六卷（101）第一卷（100）第二卷（110）第三卷（010）第四卷（011）表2部门决定。部门123456θ−30≤θ3030≤θ 9090≤θ 150150≤θ 210210≤θ 270270≤θ 330θ：定子磁链位置扇区。2.1.4. 交换表为了确定适当的电压矢量，需要来自转矩和磁通滞后输出以及定子磁通矢量位置的信息 用于控制定子磁链幅度和旋转方向的开关表见表1（Manuel和Francis，2013）。2.1.5. 扇区确定如前所述，空间矢量平面分为六个区域;每个扇区占据60个扇区。表2总结了部门确定。代表扇区确定的Simulink框图如图所示。 四、3. DTC驱动系统结果和注释图5示出了参考值0.4 Wb时的定子磁通响应，图6示出了相同状态下的磁通轨迹，图7示出了定子磁通分量（F ds，F qs），图8示出了定子磁通位置，图8示出了定子磁通位置。图9和图10示出了d-q和abc坐标系中的定子电流。3.1. 参考扭矩轨迹的不同周期研究了DTC驱动系统在不同参考转矩下的响应，如图11所示，参考值为10和20 Nm之间的单位步长时的实际转矩; 图12示出了当参考扭矩为S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）2731见图4。扇区确定的Simulink框图。0.50.40.30.20.10电话：+86-0511 - 8888888传真：+86-0511 - 8888888时间（秒）图五、参考值下的实际通量= 0.4 Wb。0.50电话：+86-051 - 8888888传真：+86-051 - 8888888时间（秒）见图6。定子磁通分量（yds，yqs）。通量Fds，Fqs in（Wb）32S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27- -0.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.5-0.4电话：+86-10 - 8888888传真：+86-10 - 88888888FDS见图7。参考值= 0.4 Wb时的通量轨迹（Fds，Fqs76543210-10 2 4 6 8 10时间见图8。定子磁通位置。值是15到15 N m之间的重复序列，在图13中，它是25到25 N m之间，对于图14，它是正弦波。3.2. 参考速度轨迹的不同周期研究了直接转矩控制系统在不同参考转速下的响应，如图所示。图15示出了由于振幅为100 rad/s的正弦波引起的驱动系统的响应，以及图15示出了由于振幅为100 rad/s的正弦波引起的驱动系统的响应。 当参考值为− 30至30 N m的重复序列时为16。FQs磁通位置（单位：rad）S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27333002001000-100-200-3000.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2时间（秒）见图9。定子参考系中的定子电流分量。500-50电话：+86-0511 - 8888888传真：+86-0511-8888888时间（秒）见图10。 三相定子电流。2520151050-50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10时间（秒）见图11。单位步进10-20 N m时的实际扭矩和参考扭矩Ia、Ib、Ic在（Ⅰ）中参考实际扭矩（N.m）ids，iqs in（.）34S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27参考实际扭矩（N.m）20100-10-200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20时间（秒）图12个。实际扭矩和参考扭矩范围为15至−15N m。3020100-10-20-300 2 4 6 8 10 12 14 16 1820时间（秒）图13岁实际扭矩和参考扭矩范围为25至−25N m。20100-10-200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20时间（秒）图十四岁正弦波下的参考和实际扭矩，值为20 N m。4. 感应电动机驱动系统智能建模系统模糊逻辑方法可以帮助检测感应电动机故障。模糊逻辑让人想起人类的思维过程和自然语言，使决策能够基于模糊信息。 在这种情况下，定子电流（Ia，Ib，Ic）和时间被认为是模糊系统的输入变量，如图1所示。 十七岁 电机状态（MC）是用于故障检测的输出变量，故障类型（TF）是用于故障诊断的输出变量。参考实际扭矩（N.m）参考文献实际扭矩（N.m）S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）2735}{联系我们{正弦波参考速度100500-50-100电话：+86-0511 - 8888888传真：+86-0511 - 8888888时间（秒）图15.正弦波振幅100 rad/s时的实际速度和参考值。重复序列参考速度500-500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10时间（秒）图16.重复顺序时的实际速度和参考值。图17.利用模糊建模进行故障检测与诊断。4.1. 异步电动机调速系统输入变量被解释为语言变量：对于定子电流零（Z），小（S），中（M），大（B），缩放（乘以6Irated）和短持续时间（Sd）和长持续时间（Ld）;时间因素对于预测感应电动机中可能发生的故障是非常重要的，因为在长时间之后，电动机可能被损坏，因此增加时间因素是有用的。电机的耐用性，快速检测故障并保护电机。类似地，输出变量电机状况（MC）被解释为语言变量，具有良好（G）、损坏（D）和严 重 损 坏 （ SD ） 。 输 入 （ 定 子 电 流 和 时 间 ） 和 输 出 变 量 （ 电 机 状 态 ） 的 隶 属 函 数 如 图 18 所 示（SaravanaKumar和Ray，2009年）。实际速度参考速度in（rad/sec）实际速度参考速度（rad/sec）36S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27}{图十八岁运动（Ia、Ib、Ic）的隶属函数[缩放（时间乘以6 I额定）]、（时间（min））的隶属函数和FLS输出的隶属度表3识别结果采用模糊逻辑。电机条件范围良好70-100损坏25-75严重损坏0模糊规则和隶属函数的构造通过观察数据集。使用了20个if-then规则，如下所示，对它们进行采样，结果见表3。一个有效的快速检测和诊断不同的故障，快速响应，采取适当的纠正措施是非常重要的，以便学习时间的输入。1. 如果（Ia是S）和（Ib是S）和（Ic是M）和（时间是Sd），则（CM是G）。2. 如果（Ia是S）和（Ib是M）和（Ic是M）和（时间是Ld），则（CM是D）。3. 如果（Ia是M）和（Ib是S）和（Ic是M）和（时间是Ld），则（CM是D）。4. 如果（Ia是M）和（Ib是M）和（Ic是M），则（CM是G）。5. 如果（Ia是S）和（Ib是S）和（Ic是S），则（CM是G）。6. 如果（Ia是S）和（Ib是M）和（Ic是S）和（时间是Ld），则（CM是D）。7. 如果（Ia是S）和（Ib是S）和（Ic是M）和（时间是Sd），则（MC是G）。8. 如果（Ia是S）和（Ib是M）和（Ic是M）和（时间是Ld），则（MC是D）。4.2. 异步电动机调速系统模糊逻辑故障诊断的主要功能包括三个输入定子电流（Ia、Ib、Ic）和一个输出（故障类型）（Shuraiji，2010; Patil等人， 2012年）。 变量被分类为零（Z），小（S），中（M），大（B）和非常大（VB）的区域，用于定子电流缩放（乘以6 Irated），故障类型根据电机面临的故障确定，如：重大故障（断相，转子条断裂），严重损坏故障（过压），中度故障（不平衡电压，欠压，接地，匝间），轻微故障（过载，轴承）和（良好）健康状况，如图所示。十九岁5. 仿真结果利用Matlab/Simulink对三相异步电动机无故障（正常运行）和有故障（故障运行）的调速系统进行了仿真研究S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）2737图19.用于FLS的输入和输出的接口。3002001000-100-200-3000 0.1 0.20.30.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9时间（秒）图20.正常感应电机的定子电流（正常运行）。100806040200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图21.健康电机的电机状况（良好）。10.80.60.40.200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图22.正常条件下故障类型与时间的关系。5.1. 健康驱动电机电机的电机状态良好，程序中的参数在m文件中;图20-22显示了定子电流和电机状态。故障类型（良好）定子电流（单位：mA）电动机状况38S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）274002000-200-40000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9时间（秒）图23.故障电机（断相）下定子电流与时间的关系。0.60.40.26050403020100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图24.故障电机的电机状况（严重损坏）。00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7时间（秒）图25.断相故障下故障类型与时间的关系。5.2. 快速驱动电动机5.2.1. 断相故障检测到的模糊逻辑的电机状况为14%（严重损坏），该故障可视为主要故障，如图所示。 23比255.2.2. 不平衡电压电动机状况严重受损，这种具有电压不平衡的感应电动机的模拟可以通过简单地改变任一相中的电压幅值来模拟;定子电流、电动机状况和故障类型（中度故障）如图所示。 26比285.2.3. 过载故障在电机损坏的情况下，通过改变T L值来增加电机上的机械转矩，在仿真中，定子电流和电机状态如图所示。29比31电机状况（断相）定子电流开相in（in.）故障类型（主要）S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27394002000-200-40000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9时间（秒）图26.感应电动机的定子电流（不平衡电压）。1008060402000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图27.故障电机的电机状况（严重损坏）。10.80.60.40.200 0.1 0.2 0.30.40.5 0.6 0.7 0.8时间（秒）图28.不平衡电压故障下故障类型与时间的关系。3002001000-100-200-3000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9时间（秒）图29.感应电动机的定子电流。电机状况（不平衡电压）定子电流（单位：mA）定子电流（单位：mA）故障类型（中度）40S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）271008060402000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图30.电机状况（过载）。0.80.60.40.200 0.1 0.2 0.30.40.5 0.6 0.7 0.8时间（秒）图31.过载条件下故障类型与时间的关系。4002000-200电话：+86-0511 - 8888888传真：+86-0511- 8888888时间（秒）图32.感应电动机的定子电流。5.2.4. 过电压故障当三相电压都增加20%时，驱动系统是良好的，被认为是轻微故障，但当电压增加40%时，它将导致损坏（图1和图2）。 32-34）。5.2.5. 欠压故障当三相电压均下降20%时，传动系统良好，被认为是中度故障，但当电压上升40%时，将导致损坏。因此，通过使用Matlab/Simulink在健康运行和故障运行下对感应电机模型进行仿真研究，有助于我们建立我们提出的用于数据收集的模糊模型（图1和图2）。第35至37段）。6. 实验装置模糊检测与诊断的结构如图1和图2所示。38比40 定子电流和时间是模糊系统的输入，以尽可能快地检测故障，以克服感应电动机的任何故障（Zeng和Wang，1991;Chow等人， 1998年）。电机状况（过载故障）故障类型（轻微）定子电流（单位：mA）S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27411008060402000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图33.电机状况（过压）。0.80.60.40.200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图34.过电压条件下故障类型与时间的关系。4002000-200电话：+86-0511 - 8888888传真：+86-0511-8888888时间（秒）图35.感应电动机的定子电流。1008060402000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图36.电机状况（欠压）。本文以感应电动机的内藏式堵头装置为研究对象。Simulink模型分为不同的类别，如感应电动机驱动电源，直流发电机，逆变器（变速驱动），数据采集系统，FIS，RMS到DC转换，故障检测和诊断故障（类型的类型），通过使用Matlab的干扰。感应电动机的定子电流是交流形式的，必须将其转换为直流。电机状况（过压）电机状况（欠压）故障类型（轻微）定子电流（单位：mA）42S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）270.80.60.40.200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间（秒）图37.电压条件下故障类型与时间的关系。图38. 电机状况。图39.电机状态和故障类型的Simulink模型。图40. 3-HP感应电动机数据采集系统的实验室测试设置。仿真使用10 HP来构成一个完整的驱动系统，但在实验中使用3 HP来验证模糊推理系统可以用于任何类型的感应电动机来检测和诊断故障，通过仅输入电机的额定电流，并研究感应电动机（3 HP，2.2 kW，220mA/380 Yv，8.7/5 A，50 Hz）在健康运行和故障运行下。由于模拟，实验结果与表4中所示的相同故障类型（中度）S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）2743表4用于模糊模型的数据。状态定子电流电源电压电机状态（MC）故障类型（TF）IAIBICVA五号BVC健康空载0.84Ir0.84Ir0.84Ir1Vr1Vr1VrGG负载1.36Ir1.36Ir1.36Ir1Vr1Vr1VrGG开相（Ras * 1000）不平衡电压4%01.1Ir1.1Ir1Vr1Vr1VrSD主要空载6.6Ir2.2Ir2.2Ir1.04Vr1Vr1VrSD中度满负荷7.3Ir2.2Ir2.2Ir1.04Vr1Vr1VrSD中度过载欠压2.2Ir2.2Ir2.2Ir1Vr1Vr1VrD轻微情况10.8Ir0.8Ir0.8Ir0.8Vr0.8Vr0.8VrG好壳体2过电压0.6Ir0.6Ir0.6Ir0.6Vr0.6Vr0.6VrD严重损坏箱l1.2Ir1.2Ir1.2Ir1.2Vr1.2Vr1.2VrG好壳体21.4Ir1.4Ir1.4Ir1.4Vr1.4Vr1.4VrD严重损坏*单位为p.u.，G：好，D：损坏，SD：严重损坏。*这些故障是在过渡期之后检测到的。图41.直接从数据采集系统读取定子电流与时间的关系。806040200.1 0.2 0.3 0.4 0.50.6时间（秒）0.7 0.8 0.9 1图42.运动状况与健康状况下的时间。6.1. 正常操作模式图 41显示了电机定子电流。在模拟感应电动机时，当施加额定电压并且最初没有施加机械负载时从这些结果可以得出结论，在过渡期结束后，电动机的健康状况似乎是（良好），如图42所示，故障类型是良好，如图43所示。 43号。电机状况（良好）44S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）27图43.故障类型与时间的关系，过渡期后良好。图44.直接从数据采集系统读取定子电流与时间的关系。图45.在不平衡电压条件下，电机状态与时间的关系。图46.故障类型与时间，过渡期后的中度故障。6.2. 电网不平衡电压不平衡的模拟可以通过简单地改变任一相中的电压幅度来创建，并且不需要改变其他参数。在这种情况下，额定同相电压被降低，从而在输入中产生不平衡，如图2和3所示。 44比466.3. 断相故障在这种情况下，在正常启动阶段（a）开路后，获得的相应结果如图1A和1B所示。47 -49 ;因此，在过渡期之后，电机状况进入（断相）状态，然后进入（损坏）状态。这是巨大的实际用途，因为可以保护电机免受完全损坏，从而使机器完全崩溃。S.O. Ibrahim等人/电气系统与信息技术学报2（2015）2745图47.直接从数据采集系统读取定子电流与时间的关系。图48.在断相运行下，电机状况与时间的关系。图49.故障类型与时间的关系，过渡期后的主要故障。7. 结论提出了一种针对异步电动机调速系统（IMDS）不同故障的智能故障检测与诊断建模系统模糊建模系统已被引入作为所采用的技术，无论是在检测或诊断过程中。定子电流和时间已被引入作为模糊辨识器的输入引入时间作为一个新的参数，用于不同故障的早期预测。该建模系统可应用于电动汽车、地铁等实际系统中，作为司机室监控系统的一部分。该系统可以应用于任何感应电机驱动系统后，馈入模型与驱动系统的额定电流和可编程数据已进行了实验工作，以验证所提出的智能技术的故障检测和诊断所采用的驾驶循环的效率，模拟和实验结果之间的匹配已经达到。阑尾鼠笼式感应电动机（SCIM）参数：10 HP，220 V，60 Hz，3相，3对极，鼠笼式IM，Rs= 0.288▲，Ls=0.0425 mH，Rr= 0.158▲，Lr= 0.0418 mH，Lm= 0.0412 mH，J= 0.4 kgm2。引用Abdul Wahab，H.F.，Sanusi，H.，2008年感应电机直接转矩控制的Simulink模型。Am. J. Appl. Sci. 5（8），1083-1090. 安萨里，A.，Deshpande，D.，2010. 异步电机的数学模型在MATLAB Simulink中。周，M. 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