异步电动机早期故障特征检测技术的研究

论文摘要

异步电动机故障早期，故障特征非常微弱。且出于调速和节能要求，许多场合下的异步电动机由变频器驱动，变频器中剧增的谐波成分，加上外围机械设备所产生的噪声，使异步电动机早期故障特征的检测更为困难。以异步电动机转子断条、定子匝间短路以及轴承故障为对象，研究了强噪声背景下早期故障特征的提取与检测技术。针对异步电动机转子早期故障时，定子电流中新增的故障特征分量被基波信息湮没而难以识别的问题，提出了改进型相关算法来检测转子断条故障。根据定子电压与电流基波频率相等的特点，构造出与定子电压同频的参考信号，利用改进型相关算法提取定子电流基波信号的幅值与相位，将基波分量准确滤除来突出转子断条故障信息。由变频电源驱动的异步电动机转子故障时，在变频器输入端的电流频谱中会出现以载波频率为中心，按某特定频率间隔分布其左右的故障边频。指出该故障特征容易被附近的频率分量湮没，且当低频或轻载运行时，故障特征的提取变得更加困难。提出根据变频器输入、输出以及载波频率构造参考信号，利用相关性消去法滤除湮没故障特征的频率分量的方法，使在变频器噪声背景下的转子故障特征在频谱图上凸显。异步电动机发生定子匝间短路早期故障后，尤其在变频器供电下，电流信号中存在大量谐波及噪声严重影响了定子故障诊断结果。针对该问题利用三相改进型相关算法准确获取故障电机三相定子电流基频信息，提出通过逆序同步速坐标变换将基频正序分量转换成二倍频交流量，负序分量转换成直流量。采用均值法提取直流分量，导出了负序分量在逆序同步速旋转坐标系下合成矢量幅值，并考虑电机先天不平衡因素定义了灵敏度因子以表征匝间短路故障程度。异步电动机轴承早期故障特征容易被机器运转时的背景噪声湮没而难以识别。提出一种提取轴承故障早期微弱信号的峭度滤波器。该方法对振动信号进行短时傅立叶变换以得到信号的峭度，并自动构建一个受控于故障信噪比的滤波器滤除信号中无关的噪声成分，对滤波后的信号进行包络分析，可凸显故障信息。以32位的S3C2440A内核微处理器作为电动机参数的采集核心，以Labview软件为数据分析及故障诊断的平台，构建出一套异步电动机早期故障检测系统。最后验证了该系统在定子匝间短路、转子断条和轴承故障诊断的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 异步电动机故障机理分析
• 2.1 转子断条故障特征的机理分析
• 2.2 定子绕组匝间短路故障特征的机理分析
• 2.3 轴承故障特征的机理分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 改进型相关算法检测电机转子断条早期故障
• 3.1 电网供电下异步电动机转子断条早期故障检测
• 3.1.1 单相改进型相关算法在电机转子断条早期故障检测中的应用
• 3.1.2 电网供电下转子断条故障的 MATLAB 仿真
• 3.1.3 实验结果及其分析
• 3.2 变频器供电下异步电动机转子断条早期故障检测
• 3.2.1 转子故障时变频器输入侧定子电流的谐波分析
• 3.2.2 改进型相关算法在变频器供电下转子早期故障诊断中的应用
• 3.2.3 实验结果及其分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于逆序同步速变换的电机定子故障检测方法
• 4.1 电网供电下异步电动机定子匝间短路早期故障检测
• 4.1.1 三相改进型相关算法在定子匝间短路早期故障检测中的应用
• 4.1.2 逆序同步速变换在定子故障检测中的应用
• 4.1.3 定子绕组匝间短路故障诊断的 MATLAB 仿真
• 4.1.4 实验结果及其分析
• 4.2 变频器供电下异步电动机定子匝间短路早期故障检测
• 4.2.1 考虑电网不平衡时变频器输出侧分析
• 4.2.2 匝间短路故障时变频器输出侧定子电流分析
• 4.2.3 改进型相关算法用于提取调制频率基波分量
• 4.2.4 逆序调制频率同步速变换提取定子故障特征
• 4.2.5 实验结果及其分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于峭度滤波器的轴承早期故障检测方法研究
• 5.1 时延相关降噪解调法检测电机轴承故障
• 5.1.1 自相关函数及其降噪特性
• 5.1.2 相关函数的调制特性分析
• 5.1.3 调制信号时延相关降噪
• 5.1.4 希尔伯特变换的包络分析
• 5.1.5 时延相关降噪解调的 MATLAB 仿真
• 5.1.6 实验结果及其分析
• 5.2 峭度滤波器在轴承早期故障检测中的应用
• 5.2.1 构建峭度滤波器提取故障的高频调制信息
• 5.2.2 实验结果及其分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于嵌入式和虚拟仪器技术的电机故障诊断
• 6.1 系统概述
• 6.2 系统硬件设计
• 6.2.1 ARM 处理器的选择
• 6.2.2 电源电路的设计
• 6.2.3 时钟和复位电路设计
• 6.2.4 存储电路设计
• 6.2.4.1 SDRAM 存储电路设计
• 6.2.4.2 Flash 存储电路设计
• 6.2.5 AD 转换电路设计
• 6.2.6 串口通信电路设计
• 6.2.7 信号采集和调理电路设计
• 6.2.8 转速测量电路设计
• 6.2.9 振动信号采集
• 6.3 系统软件设计
• 6.3.1 嵌入式系统软件设计
• 6.3.2 基于 Labview 的上位机应用软件设计
• 6.3.2.1 系统登录界面设计
• 6.3.2.2 系统参数设置界面设计
• 6.3.2.3 故障诊断界面设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果
• 致谢