基于定子逆序的電機同步速變換故障檢測算法

方俊++周偉

摘 要 利用三相改進型相關算法提取定子三相電流的基波信息，結合電機先天不平衡因素對電機故障的影響，電機故障進行檢測在噪聲和大量諧波同時存在的情況下進行，依據直角坐標系合成矢量幅值，提出電機定子電流負序分量轉化為直流分量算法，能得到準確的計算結果。實驗結果表明，檢測算法切實可行，工程應用時準確、簡單可靠，便于硬件實現。

【關鍵詞】定子逆序 故障檢測 電機 同步速變換

電機的定子繞組匝間短路故障檢測中，得到正交坐標系下的合成矢量，通過均值濾波法濾除基波分量中的正序分量，負序分量轉換成直流分量，電流基波分量中正序分量轉換成二倍頻的交流分量采用逆序同步坐標變換實現，提取出定子電流信號的基波分量，改進相關算法來檢測電機定子繞組匝間短路故障的思路，噪聲嚴重影響了定子早期故障診斷結果，針對電流信號中存在大量諧波，采集電機的三相定子電流，利用三相改進型相關算法濾除噪聲和高次諧波的影響。

1 異步電機定子匝間故障檢測

1.1 三相改進型算法定子匝間故障檢測

假設電機三相定子電流信號xA（t）、xB（t）和xC（t）分別為：

公式（1）、公式（2）和公式（3）中，被測三相定子電流信號中的高次諧波及其它噪聲合成分量為NA（t）、NB（t）和NC（t），三相基波分量相位信息為φA、φB和φC，三相基波分量幅值信息為IAFM、IBFM和ICFM。

測異步電動機的額定電流IN作為參考信號的有效信息初步選定，基波分量同頻的參考信號，構造與被測異步電動機定子電壓信號，其具體參考信號為：

1.2 逆序同步速變換定子故障檢測應用

直流數據量提取和濾除數字信號處理相對比較容易實現，為故障的檢測提供了一種新的思路，提取電機故障時的故障特征分量，電機故障的檢測和診斷中引入了逆序同步速坐標轉換。有效的減少采用均值濾波算法時帶來的誤差，采用整周期采樣，得到表征定子繞組匝間短路的故障特征分量。本設計算法主要用于檢測異步籠型電機的定子繞組匝間短路故障，進行故障分析的數據采集，采用均值濾波方法濾除基波分量中的正序分量，得到變換到逆序坐標系下的特征表達式，提取的基波分量與逆序同步坐標變換矩陣相互運算，改進型相關算法從定子電流檢測，同步坐標變換的矩陣表達式如下。

公式（5）中θ為繞組軸線的夾角，定子與直軸分量軸線同步坐標變換時產生。此時，θ=ωt+θ0，其中，供電電源角頻率是ω，θ0為t=0時刻初始夾角。電機正常工作時，針對故障特征量的影響，克服了電機本身不對稱時靈敏度因子為零的情況，計算得出合成矢量相同。電機匝間短路嚴重情況出現時，計算靈敏度因子也隨著增加，負序電流故障程度增加呈上升趨勢，定子電流負序分量所占的比重就越大。所以，故障檢測算法能正確反應電機定子繞組的匝間短路嚴重程度。

2 定子繞組匝間故障診斷實驗結果及分析

2.1 實驗結果

針對電機正常、六匝短路故障兩種情況下進行實驗測試，實驗測試電機主要參數設置為額定轉速1400r/min，額定頻率50Hz，額定功率1.1kW，額定電流2.8A，額定電壓380V。三相電流無故障基波信號如圖1所示，三相電流六匝短路故障基波信號如圖2所示。

2.2 實驗分析

采用逆序同步坐標變換提取基波信號，電機正常、六匝短路故障情況下，計算靈敏度因子、合成負序分量、交軸負序分量、直軸負序分量、相基波分量的相位和相基波分量的有效值結果如表1所示。

表1采用Matlab構造三相定子電流波形，準確反映出電機故障的那個兩個關鍵數據采樣參數，采樣頻率處于低位時值減少。針對這個問題，采樣頻率設定為3.2kHz，仿真參數的數據長度給出了故障檢測算法解決思路。仿真實驗原始數據三相定子電流，驗證電機定子繞組發生六匝短路故障時的實驗數據。

3 結論

通過仿真實驗結果可知，驗證均值濾波算法和逆序坐標變換的準確性，采用均值濾波法精確濾除正序分量計算數值，基波分量中的正序分量轉化為兩倍工頻的交流分量，提取基波分量進行逆序同步坐標變換改進型相關算法，電機定子繞組匝間短路故障的嚴重程度得到了深刻的體現，選取的靈敏因子能夠切實可行的實現負載相同情況下靈敏度因子呈上升趨勢，定子繞組匝間短路故障程度檢測算法可靠性增增加。

參考文獻

[1]侯新國，卜樂平，邵英.帶變頻驅動系統的感應電機故障診斷研究[J].電機與控制學報，2011，15（08）：23-28.

[2]胡文彪，夏立，吳正國等.感應電機轉了故障特征在交直交變頻器中的傳播[J].振動·測試與診斷，2010，30（04）：418-421.

[3]許允之，許璟，郭西進.采用小波變換與RBF神經網絡優化的電機故障模糊診斷系統[J].實驗室研究與探索，2012，31（05）：48-51.

[4]安國慶，劉教民，郭立煒等.利用相關性基波消去法診斷電機轉了斷條故障[J].電機與控制學報，2011，15（03）：69-73.

[5]安國慶，劉教民，劉玉坤，梁永春.相關性消去法診斷變頻電源籠型電機斷條故障[J].電機與控制學報，2012，16（03）：47-52.

作者簡介

方俊，男，河南省南陽市人。大學本科學歷。初級工程師?，F為六安市微特電機有限責任公司技術部副部長。研究方向為機械設計與制造（電動機結構設計、工藝工裝、模具設計）。

作者單位

六安市微特電機有限責任公司技術部 安徽省六安市 237000