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异步电机在线故障诊断系统研究与设计
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感应电动机转子故障诊断方法的研究
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电机电气故障的诊断方法研究.doc73页
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中 国 矿 业 大 学
本科生毕业设计
设计题目：
异步电动机故障诊断技术的研究
指导教师：
中国矿业大学毕业设计任务书
任务下达日期：20** 年
毕业设计日期：20** 年 3 月 6 日至 20**
年 6 月 5 日
毕业设计题目：异步电动机故障诊断技术的研究
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
（）掌握异步电动机的工作原理和常见故障
（）掌握MATLAB7.0软件的使用；
（）利用MATLAB7.0编写相关故障诊断程序；
（）完成与毕业设计内容有关的英文翻译（近三年的文献），不少于3000汉字；
（）完成毕业设计论文
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：
评阅教师签字：
中国矿业大学
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毕业设计-电机检测理论95-3
k―正整数；式(7-1)成为转子断条和端环开裂故障最为有效的；当电机出现转子断条故障时，会在转子上产生单边磁拉；二、气隙偏心故障；异步电机因气隙较小，因而对磁动势和磁拉力的不平衡；(1)静态偏心；(2)动态偏心；在定子电流频谱中，气隙偏心故障所具有的特征频率成；fag=[(nrtZ2?nd)（1-s）/p?n；式中：Z2―转子糟数；；nrt―任意整数；；nd
k―正整数。式(7 -1)成为转子断条和端环开裂故障最为有效的诊断判据。当电机出现转子断条故障时，会在转子上产生单边磁拉力，引起支撑轴承和电机机身振动，因此通过振动监测，也能诊断转子断条故障；此外还有轴向磁通、转速波动等检测方法。二、气隙偏心故障异步电机因气隙较小，因而对磁动势和磁拉力的不平衡比较敏感。当发生气隙偏心故障时，将导致气隙圆周方向的磁导不均匀，造成气隙磁场的不对称分布。这种不对称磁场分布将在定子电流中以谐波形式反映出来，同时会产生很大的单边磁拉力等。气隙偏心有两种类型：(1)静态偏心。是由定子铁芯内径的椭圆度或装配不正确造成的，其偏心的位置（或最小气隙位置）在空间是固定的，与转子位置无关。(2)动态偏心。是由转轴弯曲、轴颈椭圆、临界转速时的机械共振、轴承磨损等造成的，其偏心位置在空间是变化的，通常与转子的位置和旋转频率有关。在定子电流频谱中，气隙偏心故障所具有的特征频率成分，可用式(7 -2)来表示fag=[(nrtZ2?nd)（1-s）/p?nws]f1
(7-2)式中：Z2―转子糟数；nrt―任意整数；nd―任意整数，静态偏心：nd=0；动态偏心：nd=1，2，3，?；nws―奇整数。有文献提出了形式更为简单的气隙偏心故障特征频率判据fag=f1?mfr
(7-3)式中： 转子旋转频率fr=（1-s）f1／p;m―正整数。式(7 -3)实际上是式(7 -2)的一种简化形式。气隙偏心故障还会造成电机的振动异常，并出现振动特征频率。因此，通过振动测试也可以诊断电机气隙偏心故障。三、绕组过热与匝间短路故障绕组过热是电机运行过程中经常出现的一种现象，通常是短时和整体性的，在个别情况下也是允许的。比较危险的是绕组的局部过热。温度监测应该是目前诊断电机绕组过热与匝间短路故障的一种比较实际和可行的方法。当绕组过热导致绝缘局部老化，出现非金属性轻微匝间短路时，电机的三相电流会出现不同的变化，一般会出现有匝间短路的相电流增加等现象（具体情况还要看三相绕组的接法）。这为绕组过热与匝间短路故障的诊断带来了一些可能。四、单相电流频谱分析方法的局限性定子电流频谱分析是诊断鼠笼异步电机转子断条、端环开裂和气隙偏心等故障的常用方法。在许多情况下，利用单相电流信号即可进行这些故障的诊断，而且比较有效。从理论上讲，正常情况下电机三相绕组的电路、磁路、结构等，处于或近似处于一种对称或者叫平衡的状态，因而可以用其中的一相电流来表征三相电流所共有的信息。例如，当电机发生转子断条、端环开裂和气隙偏心等故障时，可以根据三相电流中的任意一相电流信号来进行诊断。尽管在实际诊断过程中还存在着故障特征频率易被基频的“旁瓣”所湮没等问题，但单相电流信号毕竟携带着明显的三相电流所共有的故障特征信息。实际上，由于供电电源电压不平衡、三相绕组的参数在制造过程中遗留下的不对称（这种不对称在允许范围内）、使用过程中逐步形成的不平衡（如一相绕组对地绝缘电阻下降、绕组局部过热、局部放电、匝间绝缘下降和老化等）等原因，特别是三相绕组出现诸如单相接地、匝间短路等不对称故障时，用一相电流来表征三相电流所携带的信息就不够全面和准确了。与电力网中单相接地故障（中性点非有效接地系统）和单相接地短路事故（中性点有效接地系统），占整个接地、短路故障的绝大部分的情况相类似，生产实际中电机绕组的烧毁，大部分发生在单相和局部。而这些事故的发生往往是由局部过热、匝间短路、单相接地、局部放电等不对称故障引起的。因此，仅仅依靠单相电流来诊断这些不对称故障存在很大局限性。根据信息融合的基本原理，三相电流携带的信息量比三个单相电流携带信息量的简单相加要多。根据分析，Park矢量及其扩展方法是一种信息融合故障诊断方法，能够更为充分地发掘三相电流中所携带的故障特征信息。本节将以此为基础，深入分析和研究应用人工神经网络、小波变换等信息融合故障诊断方法，对电机故障进行诊断。第二节
转子断条故障的诊断笼型异步电机发生转子断条故障时，由于断条特征边频分量与基频非常接近（一般相差在5Hz以内），而幅值相差却很大（约为基频的0.02～0.05倍），因而容易被基频的“旁瓣”所湮没。采用扩展Park矢量方法，可以从很大程度上避免故障特征边频分量被基频的“旁瓣”所湮没的可能，当然从理论上还有被直流的“旁瓣”湮没的可能。一、应用扩展派克矢量( Park Vector)方法当转子发生断条或端环开裂故障时，定子电流中会出现边频分量fbb=（1±2ks）f1（为简化起见，令k=1），故定子兰相电流(ia，ib，ic)具有下列形式ia=Ifcos(?t??)+Id1cos[(1?2s)?t??1]+Idrcos[(1?2s)?t??r]
(7-4)ib=Ifcos(?t???2?/3)+Id1cos[(1?2s)?t??1?2?/3]+Idrcos[(1?2s)?t??r?2?/3]
(7-5)ib=Ifcos(?t???2?/3)+Id1cos[(1?2s)?t??1?2?/3]+Idrcos[(1?2s)?t??r?2?/3]
If―电源相电流基波f1的幅值；Id1―频率为(l-2s)f1的低边频电流分量幅值；Idr―频率为(1+2s)f1的高边频电流分量幅值；?―电源基波电流初相位； ?1―低边频电流分量初相位； ?r―高边频电流分量初相位。将式(7 -4)、式(7-5)和式(7-6)代入Park矢量的两个分量表达式，则有：i?=ifcos(?t??)?id1cos[(1?2s)?t??1]?idrcos[(1?2s)?t??r]? (7-7)
i?=ifsin(?t??)?id1sin[(1?2s)?t??1]?idrsin[(1?2s)?t??r]?
Park矢量的模平方为22
i??j?i=(3/2)(i2++iid1dr)+3ifid1cos(2s?t????1)+3ifidrcos(2s?t????r) f2??+3id1idrcos(4s?t??1??r)
(7-9)根据上式，Park矢量模的频谱当中，将包含有电源电流基频分量为主要成分的直流分量(DC)，以及频率分别为2sf1和4sf1的两个边频交流分量(AC)。这样，边频交流分量很容易与电源基频分量区分开来。这种扩展Park矢量方法将原始的Park矢量方法和频谮分析方法有机地结合起来，能够消除传统的电机电流频谱分析方法的一些局限性，克服了传统方法在不影响边频分量的前提下过滤基频分量时存在的困难。当电机同时存在断条和气隙偏心故障时，各相电流中都会出现对应的故障特征频率成分，气隙偏心故障的特征频率为fag=f1?mfr式中fr为转子旋转频率f1(1?s)/p这时，定子三相电流可表示为ia=Iap1cos(?1t??)+??Ibpkcos[(1?2ks)?1t??bpk]?Ibnkcos[(1?2ks)?1t??bnk]?k+??Imecpmcos?[(1?m(1?s)/p)?1t??ecpm]??Iecnmcos[(1?m(1?s)/p)?1t??ecnm]? (7- 10)ib=Ibp1cos(?1t???2?/3)???Ibpkcos[(1?2ks)?1t??bpk?2?/3]?Ibnkcos[(1?2ks)?1t??bnk?2?/3]?k???Iecpmcos?[(1?m(1?s)/p)?1t??ecpm?2?/3]?m?Iecnmcos[(1?m(1?s)/p)?1t??ecnm?2?/3]?
(7- 11) ic=Icp1cos(?1t???2?/3)???Ibpkcos[(1?2ks)?1t??bpk?2?/3]?Ibnkcos[(1?2ks)?1t??bnk?2?/3]?k???Iecpmcos?[(1?m(1?s)/p)?1t??ecpm?2?/3]?m?Iecnmcos[(1?m(1?s)/p)?1t??ecnm?2?/3]?
(7- 12)式中Iap1、Ibp1、Icp1、Ibpk、Ibnk、Iecpm、I――三相电流基波电流、断条故障对应的两个ecnmk次特征电流分量、偏心故障对应的两个m次特征电流分量的幅值；?、??b、?――上述各电流分量的初相位。 bp、knk?、ecpm对称平衡条件下
Iap==1?Ib1pIc1pI 1p为方便起见，同时又不失去一般性，令k=1、m=1通过推导可得上述两种故障同时发生时，派克矢量的模为22222ia?ji??3/2(IP1?Ibp1?Ibn1?Iecp1?Iecn1) 2?3Ip1Ibp1cos(2s?1t????bp1)?3Ip1Ibn1cos(2s?1t????bn1)?3Ip1Iecp1cos??(1?s)/p?1t????ecp1???3Ip1Iecn1cos?(1?s)/p?1t????ecn1??3Ibp1Ibn1cos?4s?1t??bp1??bn1??3Ibp1Iecp1cos[(1?s)/p?2s]?1t??bp1??ecp1? ??3Ibn1Iecn1cos?[(1?s)/p?2s]?1t??bn1??ecn1??3Ibn1Iecp1cos[(1?s)/p?2s]?1t??bn1??ecp1??3Ibp1Iecn1cos?[(1?s)/p?2s]?1t??bp1??ecn1? ??3Iecp1Iecn1cos[2(1?s)/p?1t??ecp1??ecn1]
(7- 13)由式(7 - 13)可得，在同时出现断条和气隙偏心两种故障的情况下，派克矢量的模中包含的频率成分。如表7 -1所示。表7 -1
派克矢量的模中包含的频率成分下面利用人工神经网络的模式识别功能，进行转子断条故障的自动识别。1．故障特征矢量的提取采用ANN进行故障模式识别，需要获得表达故障模式的特征矢量。在扩展Park矢量方法的融合电流频谱中，断条故障特征频率2ksf1远离50Hz，而靠近0Hz，为避免气隙偏心故障特征频率(1?s)f1/p(接近25Hz)的影晌，选取[0，20] Hz频段作为断条故障的特征频段。以1Hz作为基本量化单位，对[0，20] Hz频段进行量化处理。量化的具体方法是：求出每个量化单位内的极大值作为该量化单位的量化值，若该量化单位内没有极大值，取平均值作为量化值。这样就获得了从[0，1] Hz～[19，20] Hz共20个量化单位的20个量化值，显然[0，1] Hz内的直流分量是最大的量化值。然后对这20个量化值进行“归一化”处理：用直流分量去除每个量化值，将经过归一化处理的20个量化值作为原始三相电流信号的特征矢量。图8 -1和图8-2分别为良好状态和断条故障的特征矢量。 图8-1
无转子断条故障的特征矢量 图8-2
断条故障的特征矢量 二、基于Park矢量的融合电流小波分析方法FFT是基于“频点”的分析方法，小波变换是一种基于“频带”的分析方法。由于电源电压和电机负载的波动，引起转差率s波动，从而使得转子断条特征频率(1±2ks)f1不断发生变化。再加上基频f1的旁瓣湮灭作用，当电机负载频繁变化时，采用FFT方法诊断转子断条故障要受到明显影响，甚至于无法准确提取到特征频率分量(1±2ks)f1；如果直接应用小波变换分析电机单相电流信号，也不易提取到断条特征频率。但是，当对电机三相电流信号运用Park矢量方法进行融合，再对融合电流信号ia?ji?进行小波分析，却能够取得非常好的效果。不仅能比较准确地提取到断条故障信号，而且，对于电机负载频繁变化的情况，也具有良好的适应性。在Park矢量的融合电流信号ia?ji?中，原来的断条特征频率(1±2ks)f1被转换为2ksf1，距离22包含各类专业文献、文学作品欣赏、外语学习资料、中学教育、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、专业论文、毕业设计-电机检测理论95等内容。　
　毕业设计论文 2007 届毕业生 &&电动机转速检测仪&& 系班学 别: 级: 号: ...理论 联系实际的重要过程,是综合运用所学知识、解决实际应用技术问题、进行项目 ... 　其中电机速度的控制在 运动控制理论中占有至关重要的作用,本设计主要应用数字 ...同时利用速 度检测模块将当前转速反馈到控制器中,控制器经过数字 PID 运算后... 　传统的电机转速检测多采用 测速发电机或光电数字脉冲编码器,也有采用电磁式(利用...理论实践相结合.所以作为毕业生的我表示深切感谢.这次真 的是机不可失,失不在... 　毕业设计-电机检测理论 29页 4下载券 电机驱动毕业设计 44页 免费 电动机毕业...20 2009 届机械设计制造及其自动化专业毕业设计 内曲线径向柱塞马达(导轨设计)程... 　模拟式采用测速发电机为检测元件, 得到的 信号是...对单片 机模块进行设计,要使单片机准确的测量电机...学知识归纳总结和应用, 也就 是把理论知识用到实践... 　江西农业工程职业学院 江西农业工程职业学院 毕业论文(设计)题目: Y802-4 0.75 ...结构、用途、技术指标、工作原理及运行特性等,为电机设计的做好必要的理论 准备... 　毕业论文毕业论文隐藏&& 异步电动机转子故障在线检测系统 摘 要 本文简要叙述了...转子断条诊断程序设计流程图.研 究鼠笼型异步电动机转子断条故障的在线检测方法... 　对单片 机模块进行设计,要使单片机准确的测量电机...接收信号载波检测 数据接收线 数据发送线 DTE 装置...学知识归纳总结和应用, 也就 是把理论知识用到实践... 　31 5.1 无刷直流电机的位置检测... 31 5.2 电机正、反转控制......4 毕业设计(论文)应完成的主要内容 (1)硬件电路设计 (2)理论设计与分析,理论计算 (3...异步电动机的状态监测与故障诊断技术综述_百度文库
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