一种新型电动机转子断条故障诊断方法.pdf

第 4 1卷 第 9 期 2 0 1 5年 9月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut oma t i on V0 1 ． 41 NO ． 9 Se p ． 2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 5 0 9 0 0 4 9 0 5 DoI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 1 3 徐懂理． 一种新型电动机转子断条故障诊断方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 9 4 9 5 3 ． 一 种新型电动机转子断条故障诊断方法 徐 懂理 南 京 工程 学 院 电力工 学 院 ，江苏 南 京2 l l 1 0 0 摘要 针对传统的谱分析理论存在 因加 窗和截 断造成频谱 泄漏、 谱分析 困难等 问题 ， 提 出了一种基 于 AR模 型和 L MS自适 应 陷波 的 电动 机 转子 断条 故 障诊 断方 法 。该 方 法采 用 L MS 自适应 陷波 滤除 定子 电流 基波分量， 再进行 AR参数模型谱估计 ， 可精确检测出故障特征 量的幅值和频率， 为电动机转子断条故障的 检 测提供 了一条 新 途径 。 关键 词 电动机 ；转子 断条 故 障 ；AR模 型 ；L MS 自适 应 陷波 ；谱估 计 中图分 类号 TD 6 1 4 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 8 2 9 1 5 4 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 8 2 9 ． 1 5 4 5 ． 0 1 3 ． h t ml A ne w f a u l t d i a gn o s i s me t ho d o f b r o k e n r o t o r b a r o f mo t o r XU Do ng l i S c h o o l o f P o we r En g i n e e r i n g ，Na n j i n g I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y，Na n j i n g 2 1 1 1 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w of pr o bl e m o f s p e c t r um l e a ka ge a nd s p e c t r um a na l ys i s di f f i c u l t y c a us e d by wi nd owi ng a n d t r u nc a t i o n e xi s t e d i n t r a di t i o na l s pe c t r um a n a l ys i s t he o r y， a n e w f a u l t di a g nos i s me t h od o f b r oke n r o t or ba r o f m o t o r ba s e d o n AR m o de l a nd LM S a da p t i v e no t c h wa s pr o po s e d． The me t h o d u s e s LM S a d a pt i ve no t c h t o f i l t e r o u t f un da m e n t a l c ompo ne n t o f s t a t o r c u r r e nt ，t he n c o ndu c t s s pe c t r u m e s t i m a t i o n o f AR pa r a m e t e r mo de l a nd a c c u r a t e l y d e t e c t s a m pl i t ud e a n d f r e qu e n c y o f f a ul t c ha r a c t e r i s t i c s．The m e t ho d pr o v i de s a n e w wa y f o r f a ul t de t e c t i o n of br o ke n r o t o r ba r o f m o t o r ． Ke y wo r d s m o t o r；br o ke n r o t or ba r f a ul t ；AR m o d e l ；LM S a da p t i v e no t c h；s pe c t r u m e s t i ma t i on 0 引言 转子断条故 障是电动机最常见 的故障类别 ， 具 有广泛性 、 突发性 、 渐进性 、 高危害性等特点[ 1 - 2 3 ， 因 此 ， 对其 进行 及 时 、 可靠 的检 测具 有实 际 意义 。电动 机 电流 信 号 检 测 Mo t o r C u r r e n t S i g n a l An a l y s i s ， MC S A 方法[ 1 因其非侵入式特点得到广泛应用 ， 该 方法 理论 源 于英 国学 者 HARGI S C 等证 实 的 电 动 机转子断条故障对供 电电流具有 调制作用 ， 即断条 故障发生后定子 电流 中将 出现频 率为 1 4 - 2 s f的 额外频率分量 s 为转差率 ， ，为电源频率 。参考文 献[ 3 ] 研究表明 ， 对 于转子断条程度 的诊断存在以下 关 系 ≈ ， 其 中 I b r b j 1 -- 2 分 量振 幅 ， I 为基频 分 量 振 幅 ， P 为 电动 机 极 对 数 ， 风 和 R分 别为 转子 断 裂 的导 条数 和导 条 总 数 。 因 此 ， 可通 过查 找稳 态定 子 电流 频谱 中的 1 2 s f频 率 分量 来判 断转 子有 无断条 以及 断条 程度 。 当转子 轻微 断条 时 ， 1 2 s f频率 分 量相 对 于 电网频率分量非常小 ， 其幅值仅为 电网频率分量 的 1 ～3 ， 由于转差率 S 也非常小 ， 使得故 障特征频 率与电网频率非常接近 ， 仅相差 0 ． 5 ～5 Hz 。在进 行 电流频谱分析时， 由于受主频谱线的泄漏影响， 故 障特征会被淹没而难 以识别 ， 这也是 目前感应 电动 机转子断条故障诊断需解决的一大难题[ 4 ] 。 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 3 0 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 0 7 1 4 ； 责任编 辑 胡娴。 基金项 目 南京 工程学院校级青年基金项 目 QK J B 2 0 1 3 0 3 。 作者简 介 徐懂 理 1 9 8 3 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 实验师 ， 硕士 ， 从事 电气设备在线监测方面的研究工 作 ， E ma i l X U d o ng l i 1 6 3 ． c o rn。 5 0 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 经典谱分析方法通过对 N 个样本值进行快速 傅里 叶变 换 F a s t F o u r i e r Tr a n s f o r ma t i o n ， F F T 来 估计频谱 ， 具有加窗效应 ， 而在实际处理中无论怎么 改进窗函数 ， 都避 免不了其 负面影 响 ① 主瓣对被 估计的谱有模糊和平滑作用 ； ② 旁瓣会将信号集中 在某一频段的功率扩散到邻近频带内， 并产生泄漏 。 目前较多的参考文献采用经验模态分解 E mp i r i c a l Mo d e De c o mp o s i t i o n ， E MD 方法 对原始 信号进行 分解 ， 对 得到 的各 分量 提 取 特征 向量 ] ， 但 E MD方 法 理论 上 还 存在 如 过 ／ 欠包 络 、 模 态 混 淆 、 端 点 效应 和 Hi l b e r t变 换 产 生 的 无 法 解 释 的 负 频 率 等 问题 一 。 本 文提 出采 用 自回归 Au t o R e g r e s s i v e ， AR 模 型 与最 小均 方 L e a s t Me a n S q u a r e ， L MS 自适 应 陷 波 器来 完成 转子 断条 故 障的检 测 。为 了防止 基波 分 量影响故障特征 ， 先使用 自适 应陷波器将基波大大 衰减， 使故障特征信号得以凸显 ； 再使用 AR参数模 型进行谱估计 ， 得到去除基频干扰的谱线构成 ， 从根 本 上 回避 了传统 谱 分 析 方法 存 在 的频 谱 泄 漏 问题 。 本 文所 提方 法实 现 了有 限观测 值高 分辨 率 的断条 故 障窄带谱估计 ， 能精确地检测出故障特征值及故障 程度 ， 为感应电动机转子断条故障的检测提供 了新 途径 。 1 L MS自适应 陷 波 自适应陷波是利用前一时刻已获得的陷波器参 数 自动调 节现 时刻 的参 数 ， 以适 应 信 号 或 噪声 未 知 的或 随时 间变 化 的统 计 特 性 ， 从 而 实 现 单频 噪声 的 最优滤除 。L MS算法是一种梯度最 陡下 降搜索算 法 ， 采 样 点进行 逐个 计算 ， 用 递归 方式 调整 陷波 器 系 数 。L MS自适 应 陷 波器 与一 般 固定 网络 的 陷波 器 比较 ， 能 够 自适 应 地准 确跟 踪干 扰频 率 ， 且带宽 易 于 控 制 。 异 步 电 动机 转 子 断条 出现 故 障 时 ， 定 子 电流 信 号 可表示为故障特征量受单频正弦信号干扰 的形式 一 s 工 s i n 2 n f n 1 式 中 s 为有用信号 ， 其中包含 1 2 s f故障特 征频率分量 以及各次谐波分量 ， 它们 与基频分量相 比均非常小 ； 0为基频分量相位 ； I s s i n 2 n f n 为 定子电流信号中的基频分量 ， 属单一频率正弦信号 ， 处理时作为噪声干扰信号 ， 通过陷波器将其衰减或 滤 除 。 L MS自适应 陷 波 器原 理 如 图 1所 示 。输 入 端 为接收到 的受基频信号 干扰的定子 电流 原始信号 ， 参 考输 入 端 为 一 单 频 正 弦 信 号 As i n 2 ri f t ， 其 与基 频信 号 频率 相 同但 相 位不 同 。陷 波器 权 系数 叫 和 W。由 自适应线性组合器调整输 出。自 适应线性 组 合 器 采用 L Ms算 法 ， 以 陷波 器输 出 e 为反馈 ， 自适应 调节 W 和 W 的值 ， X 和 z 是相 位 差 为 9 0 。 的 同频正 弦 信号 ， z 一 Ac o s 2 n f t ， 2 一As i n 2 厂 ￡ 。 图 1 L MS自适应 陷波器原理 自适应 线性 组合 器 的输 出为 一 W1 z 1 W2 z2 ， z 一 W1 n Ac o s 2 n f t W2 n As i n 2 n f t 2 经 自适 应调 整 ， 使 权矢 量达 到最 佳后 的输 出为 ， z 一训 n Ac o s 2 n ft n As i n 2 f t 一 s i n 2 n f n 3 式 中 叫 和 叫 n 分 别为 W 和 W。 经 自适 应线 性组合 器 调节后 的最 佳 值 ； I 。 和 分别 为基 频 分 量 振 幅 I 。 和相位 0的最佳 估计 值 。 将原始的定子 电流信号 d 和输出信号 相减 ， 得到以故障特征频率信号为主要成分 的有用 信号 ； ； 一 一 ≈ s 4 这样 设计 的 自适应 陷波 器具 有 2个 优 点 ① 频 率特 性与 理想 特性 很 接 近 ， 可 以很 好 地将 定 子 电流 中非常稳定的电网频率分量滤除； ② 阻带宽度很容 易控制 ， 当干扰频率有变动时 ， 阻带位置能够跟踪干 扰频率的变化。 2 A R模型 实 际 中所遇 到 的随机 过程 可 以用一 个输 入 为 白 噪声、 传递函数为有理分式 的系统输 出信号来表示 ， 异步电动机定子电流信号也不例外嘲 。该有理分式 模 型 为 口 ∑b z H 一 与 一 5 ∑n z 式中 H z 为系统在离散复频域 z域 的传递 函数 ； 2 0 1 5年 第 9期 徐 懂理 一种 新 型 电动机 转子 断条 故 障诊 断 方法 5 1 a 和 p分别 为模 型分 母 多项 式 的 系数 和 阶数 ； b 和 g分别为模 型分子多项式的系数和阶数 。 令A z 一∑n 一 ， B z 一∑b 一。 当 输 入 的白噪声功率谱密度 P z 一 2 时， 输 出功率谱 密度 为 Vx x z 一 H 2 H z 一 2 B z B z - 1 6 式中 为系统输入的白噪声功率谱密度 。 将模 型 转换 到频 域 进 行 分 析 ， 即将 e x p j c U 为角频率 代入式 6 ， 得 P xx e x p j 一 P xx 一 a I B e x p j I 7 令 口 。 一b 。 一1 ， 根据其他系数的取值情况 ， 随机 过程 可 分为 3种模 型 AR模 型 、 MA 模 型和 AR MA 模型。当其余 的 b 均为零时就是 P阶自回归模型， 简称 AR模 型 。 由 Wo l d分解定 理可知 3种模 型的转换关 系， 即任何 AR MA或 MA 模 型都 可用 一 个 AR模 型 来 表示 。在实际处理中， 如果选择的模型不合适 ， 只要 阶数足够， 仍能较好地逼近被建模 的随机过程 。进 行 ARMA 和 MA 模 型参 数 估计 时 需要 解 一组 非 线 性方程 ， 而进行 AR模 型参数估计时通 常只需要解 一 组线性方程 ， 为使计算方便 ， 选择 AR模型对定子 电流信号进行谱估计[ 1 u ] 。 AR模型传递函数可用差分方程表示 上 z 一一 a z k 叫 8 k 。 。 。 l 式 中 7 2 为 A R 模 型系统 的输 出信 号 ； 为 AR 模型系统的输 入信号 ， 即均值 为零、 功率谱密 度为 的 白噪声 。 为得到 AR模型的谱估计 P ∞ ， 必须求取参 数 口 ， a ， ⋯ ， a 及 ， 模 型参 数 可 以通过 求解 Yu l e Wa l k e r 线 性方 程组 来 获得 ， 即 R口 一 8 9 式 中 R 为 T o e p l i t z矩 阵 ， 即 自 相 关 矩 阵 ， R 一 1 ， O r 1 ， 1 ⋯ r 1， p ] I ． ，o ’ ， - ． ， ⋯ r ． ，P I ， 其 元 素 值 可 由 自 ● ● ●J ’ ⋯ ⋯ ⋯ ‘ 。 ’ I 户， O r p， 1 “r p， p J 关函 数 表 达 式式 1 O 获 得 ；口 口 1 a 2 ⋯口 ] ； s 一[ 0 0 ⋯0 ] 。 r i ， 一 X ～ j x 一 1 o 将 AR模型参数代入式 7 ， 可获得被估计信号 的谱密度估计值为 2 Px x 一 一 一 1 1 I l ∑n k e x p 一 j ∞ 忌 I 模 型有 效 阶 数 的选 择 可 以采 用 最 终 预 测 误 差 F i n a l P r e d i e t i o n E r r o r ， F P E 准 则 ， 按 下 式 计 算 F F P E 一 e 声 ， 其 中 ￡ 声即为式 9 中向量 8 中的输入 白噪声 功率谱密 度 ， 亦称 最小能 量误 差 ， 即 P阶预测误 差滤 波器 的输 出功 率 等 价 为 P 阶 AR模型的激励 白噪声方差。依次计算模型的阶数 1 ， 2 ， ⋯， N／ 3时 F F P E 的值 ， 若有 F F P E 一 mi n{ F F P E ， 则 为模型的最佳阶数。 3 断 条故 障特征 谱估 计步 骤 基 于 AR模 型与 L MS自适 应 陷波 的感 应 电动 机转子断条故障诊断方法的具体步骤 1 对定子 电流信号进行采样 ， 本文 中采样频 率设定为 1 k Hz ， 时长为 2 0 S 。 2 设 计 自适 应 陷 波 器 ， 并 按 照 式 2 一 式 4 计 算 出已滤 除基 波分量 的有 效信 号 ； 。 3 用 式 1 0 对 信 号 ； 求 取 样 本 函数 r i ， ， 并采用 F P E准则确定模型有效 阶数 p， 构造 Yu l e Wa l k e r 方 程系数 矩 阵 。 4 用 式 9 求 取 AR参 数 a ， a ， ⋯ ， a ； 再 通 过式 1 1 获得原定子电流信号经基频滤除的功率密 度 谱 。 5 查找 1 土2 s f频率分量与基波成分 ， 并计 算百 分 比， 与设 定 阈值 相 比较 ， 判 定 断条 故 障及 程 度 。 4诊 断实例 分析 4 ． 1 实验 系统 的组 建 实验 电动机 为 YS 9 0 L 4型 感 应 电动 机 ， 其 主 要 技 术数据 见表 1 。 表 1 实验 电动机主要技术参数 -_L相口 第 4 1 卷 第 9期 2 0 1 5年 9月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 41 NO ． 9 Se p ． 2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 9 0 0 5 3 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 1 4 杨卓． 井下人员人脸识别方法研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 9 5 3 5 7 ． 井下人员人脸识别方法研究 杨 卓 常 州纺织 服 装职 业技 术学 院 机 电工 程系 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对 光 照 突变 、 视 角变化 以及 遮挡 等 因素容 易导 致 井下人 员人脸 识 别精 确 度 低 的 问题 ， 提 出 了一 种 隐马 尔科 夫模 型 下基 于 S I F T 特征 的人 脸识 别 方法 。该 方 法将 提取 的 S I F T 特 征作 为 隐马 尔科 夫 模 型 的 训 练样 本 ， 经训 练 建立精 准 匹 配库 ， 对 人 脸部 位 和 非人 脸部 位 的 S I F T特 征 进 行 分类 ， 从 而 实现 人 脸 图像 的 识 别 。 实验 结 果表 明 ， 该 方 法识 别速 度 快 、 准确 率 高 ， 平均 识 别准确 率达 9 7 ． 1 4 。 关 键 词 煤 矿 井 下 ； 人 脸识 别 ； S I F T 特征 ；隐马 尔科 夫模 型 中图分 类号 TD 6 7 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 8 2 9 1 5 4 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 8 2 9 ． 1 5 4 6 ． 0 1 4 ． h t ml 收稿 日期 2 O 1 5 一 O 5 2 6 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 7 2 2 ； 责任编辑 盛男 。 作者简介 杨卓 1 9 7 9 一 ， 女 ， 江苏常州人 ， 讲师 ， 主要研究方 向为 图像处理 、 单 片机 ， E ma i l 2 4 4 9 8 6 0 2 q q ． t o m。 高的频谱分辨率， 更适合分析尖锐峰谱 、 窄带频谱 ， 因此 ， 非常适合感应电动机断条故 障定子 电流谱 的 估计和分析。从转子无断条和 1根断条情况下的实 验 分析 结 果 可 以看 出 ， 利 用 基 于 L MS 自适 应 陷 波 和 AR模型 的方法对转 子断条故 障进行检 测和诊 断 ， 能够准确地完成故障特征信号提取 ， 且具有处理 简单有效 、 易于工程实现等优点 。 参 考文献 [1] [ 2] [3] [4] [5] [6] 宁玉泉． 鼠笼感应 电机转子断条和端环开 裂的故 障诊 断 和 参 数 计 算 [ J ] ．中 国 电 机 工 程 学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 2 1 0 9 8 1 0 4 ． 韩 天 ， 尹忠俊 ， 杨邵伟． 电机转子断条故 障诊 断方法 探 讨 [ J ] ． 电 力 系 统 及 其 自动 化 学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 1 1 9 3 9 8． 陈庆 ， 刘振兴 ． 一 种变频 供 电笼型异 步 电机转 子断 条 故 障诊 断的时频 分 析法 [ J ] ． 电机 与控 制应 用 ， 2 0 1 3 ， 4 0 1 2 7 0 7 3 ． 许伯 强 ， 孙丽玲 ， 李和 明． 基于多重信号分类 与模式搜 索算 法的笼型异步 电动机 转子 断条 故障 检测新 方 法 [ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 1 3 ， 3 2 9 9 3 9 9 ． 邵 英． 采 用 P a r k变 换 感 应 电 机转 子 复 合 故 障 检 测 口] ． 电机与控制学报 ， 2 0 1 0 ， 1 4 3 5 7 6 1 ． CHENG J u n s h e n g，YU De j i e 。YANG Yu ．A f a u l t d i a g n o s i s a p p r o a c h f o r r o l l e r b e a r i n g s b a s e d o n EM D [ 7] [ 8] [ 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] me t h o d a n d A R mo d e l [ J ] ． Me c h a n i c a l S y s t e ms a n d S i g n a l Pr o c e s s i n g， 2 0 0 6， 2 0 2 3 5 0 3 6 2 ． DATI G M ， S CHLURM ANN T． Pe r f or ma nc e a n d l i mi t a t i o n s o f t h e H i l b e r t - Hu a n g t r a n s f o r ma t i o n H HTwi t h a n a p p l i c a t i o n t o i r r e g u l a r wa t e r wa v e s [ J ] ． 0 c e a n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 3 1 1 4 1 5 1 7 8 3 1 8 3 4 ． 程军圣 ， 于 德 介 ， 杨 宇． 基 于 支 持 矢 量 回 归 机 的 Hi l b e r t Hu a n g变换端点效应 问题 的处理方法 [ J ] ． 机 械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 4 2 3 3 1 ． 于德介 ， 陈淼 峰 ， 程 军圣 ， 等． 基 于 AR模 型和支 持 向 量机的转子系统故 障诊 断方 法 [ J ] ． 系统工 程理论 与 实践 ， 2 0 0 7 ， 2 7 5 1 5 2 - 1 5 7 ． 彭秀艳 ， 王茂 ， 刘 长德． A R模 型参 数 自适 应估计 方法 研究及应用[ J ] ． 哈 尔滨工业 大学 学报 ， 2 0 0 9 ， 4 1 9 1 2 1 6． 杨宇 ， 杨丽湘 ， 程军圣． 基 于 L MD和 AR模型 的转子 系统故障诊断方法[ J ] ． 湖南大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0， 3 7 9 2 4 - 2 8 ． 鲍 晓华 ， 吕强． 感应 电机气 隙偏心故 障研究 综述 及展 望[ J ] ． 中国 电机工程学报 ， 2 0 1 3 ， 3 3 6 9 3 1 0 0 ． 马宏忠 ， 姚华 阳， 黎华敏． 基于 Hi l b e r t 模量 频谱 分析 的异步电机转子断条故障研究[ J ] ． 电机与控制学 报 ， 2 0 0 9， 1 3 3 3 7 1 - 3 7 6 ． 胡文彪 ， 夏立 ， 向东 阳 ， 等． 基 于逆变器 直 流侧 电流 的 异 步电机转子断条 和偏 心混 合故 障诊 断[ J ] ． 电机 与 控 制应 用 ， 2 0 1 0 ， 3 7 9 5 7 6 1 ．