1、基于定子电流 Park 矢量变换的感应电机故障诊断王鹏飞 ,侯新国 ,夏 立(海军工程大学 电气工程系 ,湖北 武汉 430033)摘 要 通过提取定子电流信号 Park 矢量图作为电机故障特征 ,应用人工神经网络技术对故障特征进行分类与识别 ,从而避开复杂的谱分析技术 ,实验测试结果表明 ,该方法用于电机故障诊断可靠、有效 ,是一种实际可行的电机故障诊断方法。关键词 Park 矢量变换 ;感应电机 ;故障诊断中图分类号 TM761 文献标识码 A 文章编号 1003 - 8884 (2003) 02 - 0018 - 03收稿日期 2002 - 12 - 020 前言感应电机由于受热、负载、
2、疲劳等各种因素的影响引起的故障和停运 ,不仅会损坏昂贵的电机本身 ,而且直接威胁电力系统的安全运行 ,危及人员和财产安全。因此 ,及时检测出感应电机故障 ,并采取相应措施 ,使损失降到最低限度 ,具有重大意义。感应电机的故障检测方法 ,目前研究最为热点的是基于定子电流的信号检测方法 ,如基于定子电流的频谱分析方法 1 、小波分析方法 2 以及高阶谱分析方法 3 等现代信号处理方法 ;由于感应电机转子出现故障时 ,在定子电流中会产生 (1 2 s) f 的频率成分 ,如何用信号处理的方法 ,从大电流环境中提取出这种故障特征 ,一直是上述谱分析技术的“瓶颈”问题。基于 Park 变换实现感应电机故
3、障诊断方法 ,避开了这一故障特征频率成分的检测 ,能有效地对电机出现的故障进行诊断。1 Clark 变换原理Clark 变换是分析旋转电机数学模型常用的一种变换方法 ,它是根据磁势相等的原理 ,将三相轴系( a , b , c 轴系 ) 变换为二相轴系 ( d , q 轴系 ) 分析电机的一种数学方法 ,其变换原理如图 1 所示 。在两个轴系 ( a , b , c) 轴系和 ( d , q) 轴系中 ,绕组匝数分别为 N 与 M ,两轴系绕组分别通以正弦交流电(角频率为 ) ,产生的合成磁势为 Fs ,两坐标系都以 进行旋转 ,按两者任何时刻合成磁势相等的原则 ,假定 d 轴与 a 轴重合
4、,则必有如下 Park 矢量变换方程成立 :图 1 轴系变换图i diq =231 - 015 - 0150 32 - 32iaibic2 基于 Park 矢量变换感应电机故障特征的提取根据上述 Park 变换原理 ,在感应电机故障检测与诊断中 ,将电机定子三相电流 ia、 ib、 ic 从 ( a , b ,c) 坐标下转换成 ( d , q) 坐标下的电流 i d 、 iq ,即由Park 变换公式可得 :i d = 23 ia - 16 ib - 16 iciq = 12 ib - 12 ic对于理想状态下的感应电机 ,有 :i d = 62 Im sin ( t)iq = 62 Im
5、sin ( t - / 2)式中 Im 相电流最大值 ;81监测诊断有色设备 2003 (2) 外加电压角频率。在 ( d , q) 二相坐标中 ,由 i d 、 iq 形成的矢量轨迹为一以原点为中心的圆 (见图 2) 。实际上 ,由于制造、安装、材料等方面原因 ,正常感应电机的矢量轨迹只能接近圆。当感应电机出现转子等各种故障时 ,电流信号的相应关系发生变化 ,从而导致矢量发生变化 ,会偏离圆轨迹 ,变成椭圆。长短轴的长度和偏转方向的变化 ,与电机故障类型和程度有一定联系。通过对定子电流信号的 Park 矢量变换 ,作出二相坐标系下的 Park 矢量图 ,作为感应电机的故障特征 ,结合其它数学
6、工具 ,如模糊逻辑推理、人工神经网络 (ANN) 等方法 ,将检测到的三相电流信号的Park 矢量图 ,与正常电机定子三相电流的 Park 矢量图进行对比 ,对电机故障进行类别分析 ,实施诊断。采用 Park 矢量变换方法 ,避免了复杂的谱分析技术 ,通过对 Park 矢量图的对比及分析 ,使电机故障一目了然 ,为进一步采取相应诊断措施提供了条件。图 2 理想情况下定子电流 Park矢量图3 实验及测试结果根据上述原理 ,实验中设计了一种基于 Park 矢量变换的人工神经网络 (ANN) 故障诊断系统 (见图3) , 系统由信号采集与处理模块、人工神经网络(ANN)故障识别模块两部分构成 ,实
7、验及测试方法如下。311 信号采集与处理信号采集和处理部分硬件由一块 PCI - 1602数据采集卡、三个电流传感器及台式计算机组成。在实验过程中 ,发现采集频率 Fs = 10 kHz 时 ,采集得到的数据满足 Park 矢量分析软件的需要 ,即一个周期内有 200 个点 。故障信号处理与分析应用前面所述的 Park 矢量变换方法 ,在软件调试过程中发现 ,将所提取信号最初部分的不稳定数据去掉 ,从中间部分截取一个周期的数据 ,即可得到理想的 Park矢量图 ,如图 2 所示 。图 3 基于 Park矢量变换的人工神经网络( ANN)故障诊断系统312 故障分类与识别在故障判型方面采用矢量对
8、比法 , 首先经过Park 矢量分析程序 ,得到电机正常情况下的 Park矢量值 ,再得出每一种故障的 Park 矢量值与正常情况下的 Park 矢量值在同一时刻下的平方根误差 ,然后对一个周期内的平方根误差求和 ,得到一个预设值。经过大量试验最终定出在这种电机故障下的预设值 r ( t) k ( k = 1 ,2 , , n) , k 代表故障类型。假设 Id1 ( t1) 为电机正常情况在一个周期内 t1时刻下的 Park 矢量值 , Id2 ( t1) 为电机发电故障情况在一个周期内 t1 时刻的 Park 矢量值 , r ( t) 为一个周期内的均方根误差和。则 :r ( t1) =
9、| I2d1 ( t1) - I2d2 ( t1) | (1)由 (1) 式可得出在一个周期内的 r ( t) 值 :r ( t) = r ( t1) + r ( t2) + + r ( t n)( t1 + t2 + + t n = T) (2)根据 (1) 和 (2) 式 ,经过大量反复试验 ,可以确定电机在某一种故障下的比对预设值 :r ( t) k ( k = 1 ,2 , , n)以此类推 ,可以得出各种电机故障情况下的预设值 r ( t) k ( k = 1 , 2 , , n) ,将这些预设值分别存入一个小型数据库中。当电机发生故障时 , 通过Park 分析软件及 (1) 和 (
10、2) 式 ,得出该故障的均方根误差和 r ( t) ,再将 r ( t) 与小型数据库中已有的故障预设值 r ( t) k ( k = 1 , 2 , , n) 分别进行比对 ,当 r ( t) - r ( t) k 0 时 ,则电机故障即为在数据库中第 k 类的故障。如与小型数据库中所存预设值比对未能确定故障类型 ,则返回检查电机本身 ,找91监测诊断有色设备 2003 (2)出电机所发生的故障 ,在数据库中增加一项新的故障类型 ,再针对这类故障经过大量试验 ,得出一个新的故障类型预设值 r ( t ) n + 1 ,存入数据库中的第 n+ 1 项 。通过大量试验 ,则数据库不断完善 ,最终
11、可以达到自动判别的功效。同时有经验的工程人员也可以通过 Park 矢量图进行判型。313 人工神经网络系统构成人工神经网络 (ANN) 系统由三层构成 :一个输入层 ,一个隐含层 ,一个输出层 ,采用 BP 算法训练网络 4 。314 实验测试实验感应电机在电机正常、三相不平衡以及缺相三种情况下进行 ,实验中采集 4096 点计算 ,用 3 420 个点数据在三种情况混合的条件下对 ANN网络进行训练 ,余下的数据用来对网络测试 ,测试时网络的配置为 :输入层神经元数为 42 ,即用 42 个点来描述一张 Park 矢量图 ,隐含层神经元数为 8 ,输出层神经元数为 1 ;实验测试结果见图 4
12、 6。图 4 电机在正常情况下定子电流的 Park矢量图图 5 电机匝间短路时定子电流的 Park矢量图图 6 相间短路时定子电流的 Park矢量图经实验测试 ,基于 Park 矢量变换的神经网络系统的电机故障识别正确率很高 ,经过对神经网络系统进一步设计与训练 ,能有效地对感应电机出现的诸如定子电压不平衡、转子绕组故障、定子电流掉相以及定子绕组故障等多类故障进行识别与诊断。4 结论将 Park 矢量变换应用于感应电机故障诊断的实质是 ,提取定子电流信号的 Park 矢量图作为电机故障特证 ,应用人工神经网络技术对故障特征进行分类与识别 ,其优点在于避开了复杂的谱分析技术。实验测试结果表明 ,
13、该方法是一种实际可行的电机故障诊断方法。进一步研究表明 ,如果针对不同的故障 ,设计相应的神经网络系统 ,能有效地对电机三相不平衡、转子绕组故障、机械故障 ,缺相以及定子绕组故障等多类故障进行识别与诊断。参考文献 1 Benhouzid M E H. Induction motor diagnostics via stator currentmonitoring A . Mainterance and reliability C . Knoxville , Intconf . ,1997. 36. 01 10.2 管 霖 ,吴国沛 ,黄文莹 . 小波变换在电力设备故障诊断中的应用研究 J .中
14、国电机工程学报 ,2000 ,20 (10) :46 54. 3 Chow T W S. Conditoin monitoring of electric machines usrig third2order spectrum analysis A . Meeting C . IEEE2IAS : Lake Bue2na Vista ,1996. 679 686.4 张立明 . 人工神经网络模型及其应用 M .上海 :上海复旦大学出版社 ,1998.第三届亚洲国际模具制造技术展览会将举办由香港模具协会和工商业展览有限公司联合主办的第三届亚洲国际模具制造技术展览会将于 2003 年 9 月 25
15、 28日在香港举行。内容包括 :模具、模具加工机械、表面处理、零部件制造机械、零件及部件、金属成形、量度 / 测试及控制设备、电脑系统、辅助设备和其他用品等。此外 ,第三届国际汽车零件、配件、维修及检测设备展览会亦同场举行。中图分类号 T - 28 文献标识码 D(工商业展览有限公司 )02监测诊断有色设备 2003 (2)NON2FERROUS METALLURGICAL EQUIPMENTNo. 2 2003ABSTRACT Rubber diaphragm ; PistonEngineering Practice of Intelligent Control System in Inse
16、rting DepthControl of Electric Pole in Furnace ( 5)YANG LiELECTRICAL DEPARTMENT, CHINA NON2FERROUS ENGINEERING AND RESEARCHINSTITUTE,BEIJING 100038 , CHINAAbstract :To use in a nickel furnace in an engineering in Jilin province ,the paper finds out parameters reflecting inserting depth of pole , giv
17、esa calculation method of controlling the pole with the intelligent controltechnology after analyzing the feature of nickel metallurgy process witharc furnace. And the writer designs an intelligent control system forinserting depth of pole in furnace to use in the engineering. As the re2sult of prod
18、uction , the inserting depth of pole is controlled automati2cally and the company gets a very good economic efficiency.Keywords :Nickel metallurgy ;Covered arc ; Intelligent controlDevelopment on Flow Detecting and Controlling System in RE Extract2ing with Series Poles ( 7)MU Xia o2dongDEPARTMENT OF
19、 PHYSICS , SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, ZIBO255049 , CHINAAbstract :The paper recommends a complete system designed for auto2matically detecting ,regulating ,displaying and perfecting parameters inaccordance with the technical requirements of the RE extracting pro2cess.Keywords :Flow ;D. C. mo
20、tor ;Control ; Hardware ;SoftwareDesign and Improvement on Tooth2roller Crusher of 1200 1500( 9)CHEN Yu2tia nMECHANICAL DEPARTMEMT, CHANGSHA ENGINEERING Over2crushed ;DustA Discussion of Applying AC Freqency Converter to Bridge Crane( 14)HUANG Zha o2pin gMECHANICAL AND POWER DEPARTMENT, ZHU ZHOU SME
21、LTER GROUP CO.LTD. , ZHUZHOU 412004 , CHINAAbstract :The paper describes simply the principle of velocity regulatingby changing power frequency and connecting resistors in series in asyn2chronous motor , analyzing the feasibility of applying AC frequencyconverter to bridge crane and the match of par
22、ameters and arrange2ment. The writer forecasts the economical efficiency of the installa2tion.Keywords :Asynchronous motor ; Frequency converter ;Bridge crane ; Ve2locity regulatingDiagnosis of Induction Motor Faults Used in Electronic Current Park sVector Converting ( 18)WANG Pe ng2f ei , HOU Xin2g
23、uo , XIA LiDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING, NOVAL UNIVERSITY OF ENGI2NEERING, WUHAN 430033 , CHINAAbstract :The paper uses artificial nerve net technology to classify andrecognize the characteristic of faults so as to avoid complicated spec2trum analyzing technology through extracting Park vect
24、or of electron2ics flow signal. The experiment results show that the method used indiagnosis for motor malfunction reliable and efficiency. So it is a prac2tical diagnosis method for motor malfunction.Keywords :Park vector ;Convert ; Induction motor ; Faults diagnosisApplication of AT3 Instrument on
25、 Trouble2detecting of Winding ofAsynchronous Motor ( 27)HUANG Rui2xia , WEI Hui2ling , FAN J un2z ha oDEPARTMENT OF TECHNICAL DEVELOPMENT, SHANXI BRANCH OF CHALCO ,HEJIN 043300 , CHINAAbstract :In this paper the main type , characteristics and normal detect2ing technology of winding trouble in async
26、hronous motor are brieflydescribed and the defects in present normal detecting methods arepointed out . A kind of practical and advanced AT3 detecting instru2ment and technology are introduced in details.Keywords :Asynchronous motor ;Winding ; Trouble ;DetectingApplication of Control System of Micro
27、2computer to Hydraulic Press( 30)E Cai2xia , LI Ya2jua n , LI Xia n2z hu , WANG LingAbstract :The paper recommends a control system composed of a micro2computer which controls the velocity of extrusion automatically.Keywords :Isothermal extrusion ; Pulse ; Grating speedometer ;Step motorImprovement
28、of Lubrication System for Fluid 2type Ball Mills( 36)TAN Zhi2z hongAbstract :This article recommends the improvement of centralized lubri2cation for the mill and operation effect in allusion to the working condi2tion of fluid2type ball mill.Keywords :Fluid2type ball mill ; Centralized lubrication ; Oil pollution ;Seal
