电动机技术试验报告.docx
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电动机技术试验报告.docx
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电动机技术试验报告
电动机在线检测软件的技术试验报告
软件部杨艳
1.本项目的应用范用和主要功能
1.1应用范围:
电力、煤炭、化工、钢铁、水泥等系统的大型鼠笼式异步电动机。
在工业现场,对不同功率大小的交流电动机处理方式是完全不相同的。
对于小功率电机,如几百千瓦以下的,一般只作为一个元件,一般不搞在线监测,也很少进行离线测试,有故障就更换,有备用机。
对于大型电动机,如发电厂的吸风机、球磨机,功率为2000,或更大,才有价值进行在线监测和离线监测,这种电机也有备用机,监测的程度远不如发电机。
1.2主要功能••对连续运行的异步电动机进行实时监测,对运行工况进行实时分析,在故障发生之前进行异常预警,避免发生事故及事故的扩大化,同时能够识别故障的性质,并提出相应的措施,对于异步电动机的维修提出了指导性的建议。
在非连续运行情况下,根据对启动过程的分析,可出具试验报告。
在发生真正故障时,还能够启动故障滤波,对故障时候的电气量进行记录,作故障后分析,出具分析报告。
2.本项目的主要技术条件
2.1在线检测可判定的故障类型、判断原理
2.1.1转子断条故障
危害:
笼型异步电动机转子断条故障将导致电机出力下降、运行性能恶化。
加之转子断条故障发生概率高达10%,因此必须对其进行检测,特別是进行早期检测。
早期检测系统可以在故障发展初期及时告警,有助于现场组织、安排维修,避免事故停机,具有显著经济效益。
判断原理:
笼型异步电动机发生转子断条故障后,在其定子电流屮将岀现/=(1±2怠)力,伙=123)频率的附加电流分量($为转差率,fi为供电频率)。
由于定子电流信号易于采集,可以对定子电流信号进行频谱分析,提取故障频率分量幅值及基频分量幅值,以两者之比作为故障特征,设定检测阈值(一般设定为1-2%),超过此阈值则认为存在转子断条故障。
2.1.2气隙偏心故障
危害:
转子和定子由于装配、运行时振动和非平衡的径向此拉力,将会导致电动机的气隙偏心。
气隙偏心,将会使气隙磁通畸变,振动增大。
判断原理:
当气隙存在偏心时,气隙磁导沿圆周方向出现不均匀,从而在定子电流中感应出谐波分量。
理论分析和试验表明,这些特征谐波分量的频率为:
f=fl[(R±nd)(l-s)/p±nw]9其中力为外加电源的频率;R为鼠笼式异步电动机的转子导条数;"为电机的极对数;$为转差率;静态偏心时,心=0;动态偏心时,心=1;nM=1.3.5...o当转子齿数较大时,这些特征谐波频率较高,从而对数据采集及处理系统的采样频率、运算速度和内存要求较高。
实际上,另有一低频分量对动态偏心的检测非常有效,其频率为:
f=f\±fr»其中九为旋转频率,其大小为o同样,对定子电流信号进行频谱分析,将正常时候的频谱及故障时候的频谱进行比较,观察特征频率处的频谱幅值以确定是否存在偏心故障。
2.1.3定子绕组对称电气故障
危害:
对于电动机的对称电气故障,如过载、堵转、对称短路等,其危害主要是由于电流增大而引起的热效应。
判断原理:
此类故障可以通过过流程度来反映。
当出现过载故障时,电动机二次侧电流心(1.2~5)人;当岀现堵转故障时,二次侧电流/=(5~7"”;当出现对称短路故障时,二次侧电流/=(8~10必,其中为电动机二次侧额定电流。
2.1.4定子绕组不对称电气故障
危害:
不对称故障引起的负序电流分量会给电动机的安全运行带来极大危害。
当出现负序电流时,定子中会产生及正序电流形成的转速相同但方向相反的旋转磁势,这样,电动机转子便以2倍于同步转速切割磁场,转子中会产生危险的高压;同时,此负序电流将在转子中产生2倍于工频的电流,使转子附加发热大大增加,严重危及电动机的安全运行,极易形成事故,造成电动机严重损坏。
因此,电动机不对称故障运行故障的早期诊断是非常重要的。
判断原理:
电动机的不对称故障较多,如断相、不平衡、匝间短路、单相接地等。
大多数不对称故障一般不出现显著的电流幅值变化,因此通过过电流程度常常不能及时正确判断。
电动机正常运行时,其三相负荷基本对称,负序和零序电流分量基本为零,而一旦发生不对称故障时,根据对称分量法,电动机的电流可以分解为正序、负序和零序电流分量,此时,电动机负序和零序电流分量将会大幅度增加。
所以可以通过负序电流分量的大小来检测电动机定子绕组不对称故障。
2.2启动过程分析可判定的故障类型、判断原理
2.2.1异步电动机起动过程分析
当电动机处于停机状态,可以对起动过程进行分析。
判断原理:
异步电动机起动过程中,转差率$是在不断变化的,由转子不对称所感应的/=(l±2fcy)/1,(A-=1.2.3)分量的频率也是不断变化的。
把整个起动时间分成若干时段,然后分别对每个时段的定子电流信号作谱分析,除起动开始和起动结朿的两个时段外,其他时段内特征频率可以远离齐频率分量,对谱分析的分辨率要求大大降低;在起动过程的大多数时段内,特征频率分量的电流大小相对于基频分量电流Z比值比稳定时大,故障特征量信息丰富,诊断灵敏度高;异步电动机拖动负载起动过程中,始终满足电磁转矩大于负载转矩,因此不会出现稳定运行时那样的摆动。
综上,异步电动机起动电流时变频谱诊断转子断条故障能够克服稳态运行时转差率很小,从而特征频率分量及基频分量接近;故障频率分量电流及基频分量电流之比很小;电动机拖动的负载不平稳,从而使定子电流发生畸变等不足。
因此,对起动时的定子电流信号,进行时变频谱分析,起动初始时,故障特征频率及基频靠近,随着转速的增加,即转差率$的减小,故障特征频率逐渐远离基频,当$接近0.5时,转子断条故障分量幅值减小,当$小于0.5之后,故障特征分量幅值又开始增加,且随着$的进一步减小,特征分量频率又逐渐向基频靠近,当起动快结朿时,即$较小时,故障特征分量频率又及基频靠得很近,且幅值又变小。
若从时变频谱图上观察到符合上述变化规律的频谱峰群,则可确诊有故障。
2.2.2故障后分析
判断原理:
在发生真正故障时,起动故障滤波,对故障时候的电气量进行记录,利用上述故障判断原理,作故障后分析,出具分析报告。
23本项目不能进行分析和诊断的故障类型
2.3.1定子铁心故障
定子铁心故障多由各种原因造成的片间短路引起。
其典型的故障征兆为:
出现局部过热、造成绝缘热解,分解物产生烟雾和颗粒。
2.3.2定子绕组绝缘
由于老化、磨损、过热、振动、受潮、污损及放电等因素的影响会使绝缘性能下降,甚至出现击穿而引起绕组匝间短路、接地或相间短路故障。
典型征兆为:
绝缘电阻下降、泄漏电流增加、局部过热、绝缘热解、局部放电量增多等。
当由绝缘故障严重,直接引发电气故障后,是可以通过本项目进行诊断的。
2.3.3滑环和电刷故障
滑环和电刷因经常处于运动接触状态而容易出现故障。
制造或安装不良,电刷压力调整不当,电刷选型不当,电刷没及时更换,滑环移位,各种原因造成的火花过大等,均可能引起电刷和滑环的损坏。
故障征兆:
火花偏大甚至出现环火,滑环电刷磨损严重,滑环表面烧伤等。
2・4故障检测报告格式
电动机故障检测报告
统一编号:
2004年7丿]9日15:
06:
00制作人:
设备号:
1.试验条件:
2.铭牌数据:
3.
3.技术数据:
4.连续运行时的电流频谱分析:
4.1转子断条故障特征分虽幅值:
基频分量幅值:
两者之比:
整定值:
4.2气隙偏心故障特征分虽幅值:
5.启动过程中的电流频谱分析
6.可能存在的故障类型:
7.维修建议:
2.5检测的硬件条件
2.5.1数据采集装置:
7500
2.5.2通信:
标准通信口为2个高速485口(可定义其中一个为232C)。
一个内置33.6K)o2.5.3其他辅助配件:
、、转速传感器(及变送器)
26软件条件
2.6.1编程语言及版本:
7.0
2.6.2仿真工具及版本:
6.5
2.6.3操作系统:
20003.本项目的技术可行性分析
3.1系统框图
系统由对异步电动机进行实时监测的监测智能仪表7500,通信通
图1系统结构框图
道、计算机及相应的配合软件组成,系统结构图如图1所示,另外以
四线星型联接方式绘岀现场部分结构图,如图2所示。
3.2硬件采集设备的功能能否满足要求
信号采集:
通过、获得及定子电流、电压成正比的电流、电压信号,
接入7500的电流、电压输入;
通过转速传感器获得电流信号,其频率及被测转速成正比,然后再通过变送器,使输出信号是一个及转速成正比的电流信号,且在0—1或0—20之间,接入7500的模拟量输入;
转换部分:
模块是数据处理的重要模块,它的精度直接影响故障诊断的结果。
由于转子断条故障的频率分量接近50,幅值及基波幅值相差可达60,因此要求转换的精度在12位以上。
7500的电压回路分辨率为14位,电流回路分辨率为18位。
采样频率:
根据采样定理,为了不产生频率混叠失真,通常要求信号的最高频率小于采样频率的一半。
异步电动机定子电流信号的最高频率不超过100,因此采样频率大于200即可。
由于需要采集定子电流信号,必须使用7500的故障录波功能。
故障录波有4种采样频率:
128点/周波(6400)、64点/周波(3200)、32点/周波(1600)、16点/周波(800),可见都能符合要求。
转速变送器(转速表)
图2现场部分结构图
3.3拟采用的算法原理、主要流程图
3.3.1稳态运行时的算法
•为了克服稳态运行时,由于电动机负荷波动引起定子电流畸变,从而导致误诊断的问题,利用小波分析的优点之能够分析信号
的局部特征,准确分析出信号发生突变的时刻。
所以首先对定子电流采样信号作小波分析,以判断负荷是否波动,进而,根据负荷波
动定位信息提取处于负荷平稳时间段的定子电流采样信号。
小波分析算法:
一组特定的小波由一组特定的数集,称为小波滤波系数标定。
我们讨论小波。
这种滤波器包括的范围从高度局域到高度光滑。
最简单的(也最局域的)一类,通常称为4,仅有4个系数:
……叩勺。
考虑下面的变换矩阵,将它作用于一列数据向量的左边:
<0QQ心
C3-c2Cl-co
5c2c3
c3-°2“-5
CoqC2C3
(1)
其屮空白处表示零。
这个矩阵的作用就是进行两个相关的卷积,然后各去掉一半数值,将剩下的各一半溶在一起。
离散小波变换可由分级地应用
(1)式的小波系数矩阵而得到。
首先是长度为N的全数据向量,接着是长度为2的“光滑”向量,再接着是长度为4的“光滑-光滑”向量,这样一直进行下去,直到一个数目非常小的(通常是2)的“光滑光滑”分量被留下来。
这个过程有时被称为“角锥形算法”。
离散小波变换输出的是由留下的分量和所有“细节”分量构成,“细节”分量是在这个过程中逐步积累起来的。
一个方框图可用来清楚地表述这个过程:
■■
V1
V3
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⑴>
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d2
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*
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…、
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S1S,01d2D\6gq
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心
19
心
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迟
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d2
d2
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$6
心
.V12
心
yn
S1
“5
yu
yis
<8.
■心.
(2)
•为了克服故障频率及基频比较接近,需要较高的分辨率,采用自适
应陷波滤波来抵消定子电流屮基频分量,在频谱上突出故障特征频
率分量,信噪比可以大大提高。
槽型滤波器:
最常见的线性滤波器其输入点序列为心,并由下述公式产生输出点序列儿:
MN
儿=工ssa+工心Z
女丿■】
(3)
其屮M+I个系数J和N个系数巧都是固定的,并定义了滤波器的响应。
滤波器(3)是由当前输入值和先前『个输入值,以及它自己先前N个输出值产生每个新的输出值。
如果N=0,(3)式屮第二项不存在,则滤波称为非递推滤波或有限脉冲响应滤波()如果-0,则滤波成为递推的或无限脉冲响应的()(术语“”仅仅意味着这种滤波器能够具有无限长的脉冲响应,而不是说在特殊的应用屮脉冲响应必定很长。
典型
的情况是,一个滤波器的响应在以后时间里将成指数衰减,迅速衰减
而变成可以忽略不计)。
5和心及滤波响应函数//(/)的关系为
(4)
其中△为采样时间。
区间对应于T/2至1/2之间的胆。
对滤波来说,(4)式的分母恰好是单位1。
定义一个新变量°,它将频率/重新参数化,
十仙“三翳"戶)(5)o不要被(5)式中的i所迷惑。
这一等式
1+严g)1+Z
把实频率/映射成实值°。
事实上,它把区间映射成实屏由
~<少<2。
(5)式的逆等式为"严i(6)o
1一血
下面是槽型滤波函数,它被设计成仅去掉围绕某个可靠频率。
=细的窄频率带,其中他是个正数,")=(OfKW)=/呷.
°一畝)一1力0Q+Q()-
(7)o在(7)式中,参数£是一个小正数,表示槽口的期望宽度。
通
过用z代替e的算术运算,给出滤波系数如下:
°oT
(1+Mo)。
+Q6
c]_£5_少6
山=25—r
(1+£Q°)+如
f(1_啟())2+尿
=_d孑
(1+啟0严+则
(8)
•为了提高频率分辨率,在不增加采样数据长度的基础上,采用连续
细化傅立叶变换,求得信号屮某个主要频率分量的频率、幅值。
因
此,可以用快速傅立叶变换作全景谱分析,然后对频谱进行逐级细
化分析,对某些感兴趣的范围使用连续细化傅立叶变换。
对于采样频率为SF,采样点数为N的时间序列叫),其屮“血
N=\1SF,«=0・12・・・"一1o
离散的傅立叶级数为
(9)
(10)
N-l
n()=—,a(l.)ji=0丄2・3,,・・7V/2
N
(11)
四处幅值谱矢量表达式为"“一血。
以上变换,频率分辨力为X=SFIN
采样点数成反比,N为一定时,频率分辨力无法再提高。
时间序列g)屮已含有从0至SF72的频域信息,所以如果用连续的
傅立叶变换对谱进行计算,把频谱曲线看成是连续的,即把公式(9)、
(10)中的〃看作是一个在区间0QG/2内的连续实数,公式⑼、(10)变
为:
2黑
a(f)=—/a*(/^)cos(2nk}ISb)N匕・
h(/)=W£丫(心)sin(2砒/SF)17
(0 (13) 仍具有物理意义,这时频域分辨力已不受米样点数的限制,『是一个连续的频率。 3.3.2起动时的算法 把整个起动时间分为若干时间段,对数据进行分段处理,各段数据允许重叠,然后对每一时段作谱分析,由此获得的频谱是随时间变化的,称之为时变频谱。 若从时变频谱图上观察到负荷上述变化规律的频谱峰群,则可确诊有故障。 3.3.3负序电流的计算 由于计算负序电流分量需要已知各相电流相角,而本项目数据采集装置7500只能读取三相相电压、线电压、相电流、线电流、三相功率因数,无法得到各相电流相角,因此,可以通过以下算法,由三相功率因数,三相相电流、三相相电压及线电压求得三相电流相角,从而得到负序电流分量。 矢量图如图3所不,以a相电压矢量为基准,其屮%、列为a、b相功率因数角,脸”为b相电压相角,以此类推。 在九Ubn(Lb矢量三角形屮,由余弦定理得: 8s%“)=(呢+U盒-%)/(2心“xt/仙)(14)在九Ucn九矢量三角形屮,由余弦定理得: 曲龙-%/%! ”)=Win+呢-嘛)/(2x% (15) 由(14)(15)式,即可得到三相电压相角。 另已知三相功率因数,可以得到三相功率因数角,即三相电压及电流的夹角%、列、佟。 因此可以得到各相电流相角。 根据 (16) 即可求得负序电流分量,其中。 为旋转因子,且有以下关系: (17) 由于实际供电电源总存在一定的不对称性,即使在正常运行时,电动机也会有一定的负序电流存在,在整定阈值时必须躲过这一不平衡电流。 由于供电电压不对称引起的负序电流标么值(以正序电流为基准)为: (18) 式中,«电压不对称系数,a=U2/Ue K(,起动电流系数 一般要求供电电压不对称度小于5%,以心=6计算,电动机负序电流的阈值应按30%整定。 忑应取实际值,若无此参数,一般在6〜8之间。 供电电压不对称引起的负序电流及电动机负荷大小无关。 3.3.4主要流程图 4.1.1128点/周波X14周波 即采样频率为128/0.02=6400,采样时 图6定子绕组不对称电气故障流程图 间为0.02X14=0.28s,时域采样点为128X14=1792。 对其进行2'Mi92点,得到时域波形及频谱如图7所示,出现栅栏效应。 4.1.232点/周波X56周波 即釆样频率为32/0.02=1600,采样时间为0.02X56=1.12s,时域采样点为32X56=1792。 对其分别进行2畑8点,212=4096点,得到时 域波形及频谱如图8所示。 末端添加一些零值点来变动时间周期内的点数,并保持记录不变。 从而在保持原有频谱连续形式不变的情况下,变更了谱线的位置。 这样,原来看不到的频谱分量就能移到可见的位置上了。 但是,补零并没有增加序列的有效长度,所以并不能提高分辨率。 但补零同时可以使数据为2的整数幕,以便于应用快速傅立叶变换。 4.1.3情况1的频谱及情况2中4096点频谱的比较,如图9所示。 说明: 频率分辨率用频率采样间隔F描述,,表示谱分析屮能够分辨的 两个频谱分量的最小间隔。 F越小,频率分辨率越高。 4.1.4相同采样时间,不同采样频率下的频谱比较 4.1.4.1采样时间为0.02X14=0.28s时: 采样频率为128/0.02=6400,时域采样点为128X14=1792,进行2J192点,同图7;采样频率为32/0.02二1600,时域采样点为32X14=448,分别进行小=1024点和2J192点,如图10所示。 将情况1和情况2中8192点频谱比较,如图11所示。 4.1.4.2采样时间为0.02X56= 1.12s时: 采样频率为128/0.02=6400,时域采样点为128 X56=7168,进行2J192点;采样频率为32/0.02=1600,时域采样点为32X56=1792,进行213=8192点,如图12所示。 说明: 当采样时间相同时,采样频率越高,频谱越真实;当采样频率相同时,采样时间越长,频谱越真实。 信号进行分析,波形如图13所示。 Z=4xsin(100^)+0.15xsin(96加)+0.15xsin(104^r) 0 /=2xsin(lOO^)+0.075xsin(96加)+0.075xsin(104加) 0.9 由图,两种方法下都能判断在约0.9秒时,电流发生突变,但显然方法1优于方法2。 0 ・002 ■0(H 002 0.10.20.30.40.50.6070.80.91 3 2 1 □-1-2-3 ^034CX)6008001ODQ120314CO 图14自适应滤波波形 4.3自适应滤波 对经过以上小波分析的电流信号,选取电流稳定且持续时间较长的一段,进行自适应滤波,波形如图14所示。 图14中的第一、二个图可以看到,经过约500个点后才稳定,第三个图从一开始就进入了稳定,所以第三种方法效果最好。 比较直接对电流采样信号作的频谱及经自适应滤波后的频谱,如图 9500 3330 2930 2200 1930 1CD0 53D 0 15所示。 经过自适应滤波后,基频分量明显减少,突出了故障特征分 量,提咼了灵敏度。 4.4连续细化傅立叶变换 对小波分析后的稳定电流信号在45-55范围内进行连续细化傅立叶 图16连续细化傅立叶变换波形 变换,可以求得基频分量的准确幅值及频率;再对自适应滤波后的电流信号进行连续细化频谱分析,可以求得故障特征频率分量的准确幅值,如图16所示。 由图可见,经过细化傅立叶变换,可以得到基频分量的幅值为4,故障特征分量的幅值为0.14,及电流准确表达式误差不大。 两者Z比为3.5%,超过了阈值2%,因此诊断为存在转子断条故障。
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