三相鼠笼式异步电动机断条故障诊断方法

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）387PWM逆变器供电的异步电动机转子断条故障诊断Faeka M.H.穆罕默德？哈特Abu El-Sebaha，b， Mohamed Osamac，Khaled S.萨库里河a埃及开罗Dokki电子研究所b阿拉伯科学技术和海运学院工程学院，埃及c埃及十月六日城高等工程学院接收日期：2016年6月27日;接收日期：2016年7月10日;接受日期：2016年7月25日2016年8月3日在线发布摘要提出了一种三相鼠笼式异步电动机的故障诊断方法。该方法是使用一个简化的模型，受杆阻力变化。基于三相时域模型，对不同工况下的转子断条进行了仿真，研究了各种工况下的转矩转速特性。所开发的故障诊断系统能够识别鼠笼式异步电机断条故障的类型©2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 这 是 一 篇 基 于 CCBY-NC-ND 许 可 证 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：故障诊断;鼠笼式异步电动机;异步电动机模型;转子断条;转子断条模型1. 介绍感应电动机的故障诊断，特别是断条故障的诊断，一直受到人们的重视。这种故障类型占总笼式转子感应电动机故障的5%至10%（Nandi等人，2005年）。已经采用了许多方法来检测与转子断条相关的故障（ Yang 等 人 ， 2015; Rangel-Magdaleno 等 人 ， 2013 ， 2014;Gyftakis 等 人 ， 2013;Pons-Llinares 等 人 ，2015;Ebrahimi等人，2012;Keskes等人，2013年;顾例如，2015; Georgoulas等人， 2013年）。 基于50/60-Hz边带的电机电流特征分析（MCSA）已成为工业上监测感应电机转子笼状态的常用测试。然而，已经报道了由于转子轴向管道干扰产生的假警报而导致不必要的电动机检查或停机的许多情况（Yang等人，2015年）。驱动系统的故障诊断必须涵盖变频器和电机。以前的工作提出了一个基于规则的模糊逻辑系统的故障情况下，逆变器馈电感应电机聚焦通讯作者：阿拉伯科学技术和海运学院，工程学院，埃及。电子邮件地址：mohamedibrahi32@hotmail.com（M.I. Abu El-Sebah）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.07.0042314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。388F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387mdθDTDTLmdθ逆变器的电源开关（FaekaKhater，1992年）。所开发的系统能够识别故障的类型和位置。Rangel-Magdaleno et al. （2013）和Rangel-Magdalenoetal.（2014）使用MCSA和图形形态学检测不同机械负载条件下感应电机上的断条。所提出的算法进行了测试，然后在FPGA中实现，用于实时应用。有限元法用于Gyftakis等人。（2013）研究断条故障对笼型转子感应电动机电磁特性的影响。 为了避免传统MCSA在某些工业情况下的最终错误诊断，Pons-Llinares等人的作者已经使用了感应电动机中基于瞬态的故障诊断。（2015年）。 Ebrahimi等人（2012）和Keskes等人（2013）研究了基于定子电流小波系数的转子断条诊断。在Gu等人（2015）中引入了对MCSA方法的另一种修改，其中将调制信号双谱（MSB）分析应用于不同断条情况下的电机电流，并引入了一种新的基于MSB的边带估计器 作者在Georgoulas等人。（2013）提出了一种基于主成分分析（PCA）的方法，并将其应用于定子三相启动电流。由于转子电路中的电流增加，因此在启动瞬态中故障检测更容易，这放大了定子电流中故障的影响，而然而，这些方法大多存在着一些缺点，如在空载时难以确定故障类型，对称故障将表现为无故障。此外，在轻载条件下，很难区分健康和故障转子，因为转子断条故障频率的特征非常接近基波分量，并且它们的幅度比较小。为了克服上述问题，提出了转子电阻检测法（RRD）用于感应电机转子断条故障检测。所提出的技术适用于RRD的转矩-速度特性在电机启动。转矩速度曲线用于从最大转矩点检测电阻，这掩盖了正常电机和转子条断裂的故障电机之间的特性差异。感应电动机的模型可以用两种不同的概念来推导，第一种模型是在三相（abc）轴系统中推导的，而第二种模型是在两相（d-q）轴系统中推导的该仿真利用逆变器来驱动电机，以研究定子电流减小时的断条效应。2. 感应电机ABC轴模型下面的方程表示感应电动机在abc轴上的情况。该模型涵盖了电机的电气和机械部分。从电压方程dλV=i.R+dt（1）其中λ=L.iV=i.R+d（L.i）（2）DTdL diV=i.R+i. dt+ L dt（3）dθ dL diV=i.R+i. dt dθ+ L dt（4）其中dθ/dt=ωmV=.R+ωdLi+Ldi（五）导致推导出形式为di=1。V−。R+ωdLi（6F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387389）390F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387⎡⎢=Lm⎥⎣⎦⎣⎦ΣΣ=L sr=L m。Cos（θ−γ）Cos（θ）Cos（θ+γ）Cos（θ+γ） Cos（θ−γ）Cos（θ）LmLm而机械部分则由力矩方程驱动d（ωm）Te=Jdt +B.ωm+TL（7）由于dθ/dt=ωmTe=d（ωm）=P.i<$dLi（8）哪里d（θm）4dθ电阻矩阵[▲]：Rs0 0 0 00Rs 0 0 0 0R0 0Rs0 0 00 0 0Rra0 00 0 0 0Rrb00 0 0 0 0Rrc电感子矩阵[H]：公司简介−Lm−LmL−Lm −LmRLss=−L−1，Lrr = −L−222sLmLm-2−2Ls⎥⎦2RLmLm-2−2Lr⎥⎦Cos（θ）Cos（θ+γ） Cos（θ−γ）πSin（θ）Sin（θ+γ） Sin（θ−γ）πdL sr= −L m.Sin（θ−γ）Sin（θ）Sin（θ+γ）正弦（θ+γ） Sin（θ−γ）Sin（θ）其中γ是相位角LdLss dLsrdLsrdLrr电感矩阵L：⎢⎢⎣⎦22⎤⎥⎥22Lm⎣⎢⎣⎢F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387391dθdLsr零dLsr =零dLsr392F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387⎤dLsrdθ =−L0 0 0 Sin（θ+γ） Sin（θ−γ）Sin（θ）Sin（θ）Sin（θ−γ） Sin（θ+γ）0 0 0DTRDT一DT一RRrDtR⎡M.0 0 0 Sin（θ）Sin（θ+γ） Sin（θ−γ）0 0 0 Sin（θ−γ）Sin（θ）Sin（θ+γ）⎢ ⎥Sin（θ+γ）Sin（θ）Sin（θ−γ）0 0 0Sin（θ−γ） Sin（θ+γ）Sin（θ）0 03. 异步电动机d-q将给出感应电动机在任意旋转参考系中的模型，以推导出在α-β坐标系中的模型，该模型需要用于在d-q坐标系中模拟感应电动机，其适合于控制方程的实现。1.一、定子电压可以写成以下矢量形式：其中d（γ+α）=ω，dγ=ω，dα=ω−ω参考任意参考系vsej（γ+α）=R isej（γ+α）+d[L isej（γ+α）+L isej（γ+α）]（9）ss stmrssD dvs=Rs is+jωs[Lm ir+Ls is]+[Lmdt ir+Lsdt is]（10）上述等式可以写成以下形式：Dvs=Rsis+jωa λs+dtλs（11）哪里λds=L si ds+L mi drλqs=L si qs+L mi qr将定子电压分解为标记为d、q的Dvsd=Rs isd−ωa λsq+dtλsd（12）Dvsq=Rs isq+ωa λsd+dtλsq（13）转子电压可以写成以下矢量形式：v−=Ri−+dλ−Fig. 1. 定子和转子框架。⎢⎣⎢⎥R⎥⎦F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387393⎥⎦=+RRrDTMsRrRRrRMsRrmdtsrdtr⎣⎢i平方参照任意参照系vreJ（α）=R irej（α）+d[Li rej（α）]+L i rej（α）]（14）vs=R is+j（ω-ω）[L is+L is]+[Ldis+L（15）上述等式可以写成以下形式：λdr=Lr idr+Lm ids（16）λqdr=L ri qr+L mi qs将转子电压分解为标记为d、q的Dvrd=Rr ird−（ωa−ωr）λrq+dtλrd（17）Dvrq=Rr irq+（ωa−ωr）λrd+dtλrq（18）d-q轴上的电机波夫湾vsqRs+pLs−ωa Ls pLm−ωa Lm拉吉湾⎢ ⎥= ⎢ωa Ls Rs+pLs ωa LmpLm⎥·⎢ ⎥（十九）吉尔霍夫路vrqpLm−（ωa−ωr）Lm Rrd+pLr−（ωa−ωr）Lr（ωa−ωr）Lm pLm （ωa−ωr）Lr Rrq+pLr北京市朝阳区国际无线电通讯社通过对上述方程的简化，得到了任意旋转坐标系下的电机模型p. [isdisq]一个L L−L2.A·[isdisq ]一个L L−L2Lr0 −Lm0. [0Lr0 −Lmvsd][vsq]ird国际无线电通讯社SRmird国际无线电通讯社SRm−Lm0Ls0 00 −Lm0Ls0（二十）−Rs Lr ωa Ls Lr−（ωa−ωr）L2mRr Lm ωa Lm Lr−（ωa−ωr）Lm Lr−ωa Ls Lr+（ωa−ωr）L2m−Rs Lr−ωa Lm Lr+（ωa−ωr）Lm Lr Rr LmA=[22]的一种Rs Lm−ωa Lm Ls+（ωa−ωr）Lm Ls−Rr Ls−ωa Lm+（ωa−ωr）Lrωa Lm Ls−（ωa−ωr）Lm Ls Rs Lm ωa L2m−（ωa−ωr）L2r−Rr Ls3个PT=2Lm（ird.isq−irq.isd）（21）dω一394F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387=Te=Jdt+B.ω+TL（22）将ω a代入转子坐标系，ω r.该模型在健康电机上进行了测试，参数见第7节。模拟以40Hz的频率运行。 图图2示出了所研究的电机的转矩-速度曲线。同步速度为251.3 rad/s，最大扭矩出现在230 rad/s的速度下。4. 一种转子断条故障检测方法图 3显示了转子电阻从R1（额定值）增加到R2直至R6对最大扭矩峰值位置的影响。很明显，随着转子阻力的增加，最大扭矩点向左移动知道断条会增加转子电阻，因为构成转子电阻的平行条的数量每个阶段都在下降。这就导致最大扭矩的速度向左移动或者换句话说就是转差392F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387空载时的转矩转速60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）图二. 电机模型试验。图三.感应电动机转子电阻平衡变化时的转矩转速特性。增大可以确定从故障扭矩偏移检测到的电阻的变化，从而确定杆的数量通过忽略端环电阻，每相转子电阻是多个平行条的结果，计算如下。Rr哪里Rb=Nb/3（二十三）Nb：转子导条总数。rr：转子电阻。rb：单杆电阻。扭矩（Nm）F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387393bbb.Σ空载时的转矩转速60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）见图4。断杆状态下的转矩转速特性。断条意味着一个或多个并联电阻将被移除，从而导致转子电阻增加Δ r。对于该相，健康条的数量变为Nb/3−nbb，这导致新的相电阻rr+r r。Rr哪里Rb+π r=N /3 −n（二十四）BRR：转子电阻变化。nbb：断条数。转子电阻的这种变化可以计算如下r=−rb+rb（二十五）Nb/3Nb/3 −nbbr=−rb。−1+Nb/3（26）b/3Nb/3 −nbbr=rb .中文（简体）Nb/3Nb/3 −nbbr=rr中文（简体）Nb/3 −nbb将此变化量与转子电阻相加，得到不同断条数下的定子电流、转矩等电机变量。5. 模拟和模拟结果对异步电动机转子断条的仿真结果如图1和图2所示。图4 -10示出了所研究的故障的七种不同情况。图中显示了一个、两个到七个的扭矩-速度特性曲线破碎的酒吧在每种情况下，电动机以40 Hz的驱动频率空载运行与图1的曲线相比，曲线中的扰动随断条数的增加而增加。 2、健康的汽车同样，随着更多的断裂条，最大扭矩-速度减小并移动到曲线图的左侧，指示更高的转子电阻。扭矩（Nm）394F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387空载时的转矩转速60SEQ504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）图五.双断杆时的转矩转速特性。空载时的转矩转速60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）见图6。转矩转速特性三断下。6. 检测故障电机所研究的感应电动机将在空载下运行，传感器连接到其转子上以测量扭矩和转速（旋转扭矩传感器）。由于转矩传感器的高价格，可以使用电流和电压传感器来估计转矩由此产生的曲线将显示最大扭矩出现的点实际转子电阻将根据以下公式计算。从速度转矩曲线通过微分转矩方程相对于滑移的结果河act=Smax..R2+X2（二十九）计算公式为：R r=R r。act− R r（30）NBRBn= −（三十一）扭矩（Nm）扭矩（Nm）F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387395BB3河法396F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387空载时的转矩转速60空载时的转矩转速60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）见图7。四断杆下的转矩转速特性。空载时的转矩转速60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）见图8。五断杆下的转矩转速特性。表1转子断条数的比较。情况转速（最大扭矩时）（rad/s）S max欧姆（Ohm）估计断裂钢筋决定（编号）断条）1230–2280.08490.02150.0808健康2227–2260.09480.26910.906913225–2210.10480.55961.707124220–2180.12861.25693.122535217–2120.14061.60553.650046211–2000.17242.53534.699357199–1750.22414.04605.768868174–1550.34357.53257.00757扭矩（Nm）扭矩（Nm）F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387397SEQ60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）见图9。六断杆下的转矩转速特性。空载时的转矩转速60504030201000 50 100 150 200 250 300 350速度（rad/sec）见图10。七断杆下的转矩转速特性。根据σ r值，按表1估算断条数。 该表以40 Hz作为驱动频率构建。然后ωSyn. = 251。3274 rad/ s对于健康的电动机，额定Smax=R r/。R2 +X2 =0。0856.一个有效的模型的感应电动机提供了本征值轨迹的机器在整个范围内的转子速度（逆变器）。 该模型使得能够找到作为特定速度下的机器参数的函数的特征值，并且表明机器阻力的增加导致阻尼的减小（FaekaKhater等人，2008年）。本研究证实断条故障可导致与增加机器阻力相同的结果。7. 结论提出了一种三相鼠笼式异步电动机的故障诊断系统该系统已开发的简化方式负载无关。基于时域仿真模型，扭矩（Nm）扭矩（Nm）396F.M.H. Khater等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）387空载时的转矩转速对不同的故障工况进行了仿真，得到的转矩-转速特性为所提出的检测技术提供了指导所提出的故障诊断系统已经产生了记录的数据，该记录的数据根据数据库状态提供故障状况。所开发的系统能够识别转子断条的数量。此外，它也适用于异步电动机传动系统的在线故障诊断系统8. 机器参数Rsa= 3.85 OhmRsb = 3.85 OhmRsc= 3.85 OhmRra = 2.50 OhmRrc= 2.50 OhmLls= 0.0576 HLlr = 0.0576 HLm= 0.28779 HP = 4J= 0.03 kg m2B = 0.003 kg m2 s转子导条数：28引用Nandi，S.，Toliyat，H.，Li，X.，2005. 电动机状态监测与故障诊断综述。IEEETrans. 能源转换器。20（December（4）），719-729.杨，C.，Kang，T.，李，S.，你，杰，Bellini，A.，扎里湖Filippetti，F.，2015年。 基于空间谐波感应电流分量的轴向风道故障感应电动机故障报警筛选。IEEETrans. Ind.Electron.62（March（3）），1803-1813.Rangel-Magdaleno，J.，Ramirez-Cortes，J.，Peregrina-Barreto，H.，2013年。 基于MCSA和数学形态学的感应电机断条检测实验研究。在：IEEE国际仪器仪表和测量技术会议（I2MTC），明尼阿波利斯，美国，5月6日至9日，pp。825-829Rangel-Magdaleno，J.，Peregrina-Barreto，H.，Ramirez-Cortes，J.，Gomez-Gil，P.，莫拉莱斯-卡波拉尔河，2014. 基于FPGA的异步电动机断条检测，采用电机电流特征分析和数学形态学。 IEEE Trans. 仪器Meas. 63（May（5）），1032-1040.Gyftakis，D.V.，卡帕图，J.C.，Mitronikas，E. 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