一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法及系统与流程

1.本公开涉及磁场测量线圈技术领域，尤其涉及一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.据统计，在电网的总负载中，动力负载约占59％，而异步电动机约占总动力负载中的85％。按转子结构分类，异步电机可分为笼型异步电机和绕线转子异步电机。其中，笼型异步电机具有结构简单、制造方便等优点，是一种经济耐用的驱动设备，在各领域应用极为广泛。由于运行过程中承受多种作用力，再加上加工工艺不良以及各类机电作用的影响，笼型异步电机转子导条容易发生断裂故障。据已有资料表明，笼型异步电机转子断条故障的发生概率约为10％。当转子导条断裂程度严重时，将使电机起动时间显著延长，甚至无法正常起动。此外，异步电机运行过程中，电机振动现象严重，噪音增大，阻碍电机正常运行。如果转子断条故障未及时排除而长时间使用，将导致相邻导条的电流和应力显著增大，从而加速相邻导条发生断裂，出现连续多根断条故障，甚至造成电机烧坏故障。严重时还将因转子“扫膛”而擦伤定子铁心，使得定子铁心绝缘破损，导致整机报废，对于大型、重要场合的笼型异步电机，突然停产将造成巨大经济损失。因此，对笼型异步电机转子断条故障的研究分析与在线诊断，有效提取故障信息，减少不必要的过剩检修费用，提高生产效率，具有显著的经济与社会价值。


技术实现要素：

4.本公开为了解决上述问题，提出了一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法及系统，能够实现笼型异步电机转子断条故障在线监测，为转子断条故障在线诊断提供一种新的解决方案。
5.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
6.一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法，包括以下步骤：
7.获取测量线圈感应的交流电动势；
8.根据有限元仿真模型和外电路模型构建二维瞬态联合仿真模型；
9.根据交流电动势和二维瞬态联合仿真模型在线检测转子断条故障。
10.进一步地，所述获取测量线圈感应的交流电动势，包括：
11.根据发生故障时的气隙磁密变化，在异步电机定子槽楔扩孔，将单匝线圈与信号采集装置相连接，进而测量线圈感应的交流电动势。
12.进一步地，所述在异步电机定子槽楔扩孔，具体包括根据笼型异步电机转子断条故障下的气隙磁密变化情况，在异步电机定子槽楔扩孔。
13.进一步地，所述将单匝线圈与信号采集装置相连接，具体包括将单匝线圈直线段
部分安装在槽楔下部，线圈端部通过专用孔穿过定子机壳连接外部的信号采集装置。
14.进一步地，所述获取线圈的交流电动势，具体包括磁场测量线圈包围异步电机定子铁轭，断条产生的磁通将在测量线圈中感应出频率为(1
±
2s)f1和[λ(1-s)/p
±
s]f1(λ＝1,3,5,
…
,2k-1,k为正整数)的交流电动势。
[0015]
进一步地，所述在线检测转子断条故障，具体包括，对测量线圈感应电动势进行谐波分析，通过电动势中(1
±
2s)f1和[λ(1-s)/p
±
s]f1分量的幅值变化判断异步电机是否发生断条故障。
[0016]
进一步地，所述获取线圈的交流电动势，还包括测量线圈感应的交流电动势来反应穿过定子铁心截面的磁通量变化，推导出测量线圈所感应的交流电动势。
[0017]
一种笼型异步电机转子断条在线诊断系统，包括：
[0018]
数据获取模块，被配置为，获取测量线圈感应的交流电动势；
[0019]
模型构建模块，被配置为，根据有限元仿真模型和外电路模型构建二维瞬态联合仿真模型；
[0020]
在线检测模块，被配置为，根据交流电动势和二维瞬态联合仿真模型在线检测转子断条故障。
[0021]
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法。
[0022]
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法。
[0023]
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
[0024]
本公开结构简单、成本低廉、安装容易，在笼型异步电机发生转子断条故障时，对其进行及时、准确地检测，有效提取故障信息，预先安排检修和更换设备，减少不必要的过剩检修费用，提高生产效率，具有显著的经济与社会价值。
附图说明
[0025]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0026]
图1是本实施例的结构示意图；
[0027]
图2是本实施例的磁通计算示意图；
[0028]
图3是本实施例的转子导条断裂回路模型图；
[0029]
图4是本实施例的笼型异步电机有限元联合仿真模型图；
[0030]
图5是本实施例的ykk3552-4型笼型异步电机复调制细化谱分析结果图；
[0031]
图6是本实施例的vt132m-4型笼型异步电机复调制细化谱分析结果图。
具体实施方式：
[0032]
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
[0033]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。
[0034]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0035]
实施例1.
[0036]
一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法，包括以下步骤：
[0037]
获取测量线圈感应的交流电动势；
[0038]
根据有限元仿真模型和外电路模型构建二维瞬态联合仿真模型；
[0039]
根据交流电动势和二维瞬态联合仿真模型在线检测转子断条故障。
[0040]
所述获取测量线圈感应的交流电动势，包括：
[0041]
根据发生故障时的气隙磁密变化，在异步电机定子槽楔扩孔，将单匝线圈与信号采集装置相连接，进而测量线圈感应的交流电动势。
[0042]
所述在异步电机定子槽楔扩孔，具体包括根据笼型异步电机转子断条故障下的气隙磁密变化情况，在异步电机定子槽楔扩孔。
[0043]
具体的，
[0044]
如图1所示，为本公开的结构示意图。异步电机气隙磁通密度是关于时间和空间位置的函数，穿过测量线圈的磁通量周期性改变，见图2，磁通量的计算表达式如下：
[0045][0046]
式中：r1为测量线圈有效边与转子中心的距离；r2为定子铁心外径；b
t
为电机内部的切向磁通密度分量；l为铁心的轴向有效长度。
[0047]
测量线圈所感应的电动势可用下式表示：
[0048][0049]
选择某电机厂一台ykk3552-4型笼型异步电机作为仿真对象，其基本电气与结构参数如表1所示。借助有限元仿真软件ansoft maxwell，建立该电机的二维有限元仿真模型。根据定、转子间的实际连接方式，运用ansoftsimplorer软件搭建该异步电机的外电路模型，进而将ansoft maxwell建立的二维有限元仿真模型导入至外电路模型，建立该异步电机的二维瞬态联合仿真模型，见图4。仿真步长设置为0.1ms，即采样频率fs＝10khz，仿真时长10s。
[0050]
表1 ykk3552-4型笼型异步电机基本参数
[0051]
[0052][0053]
基于瞬态联合仿真模型，分别设置笼型异步电机空载(s＝0.0008)和带额定负载(s＝0.012)两种运行状态，完成有限元仿真。将有限元仿真得到的主磁场数据代入式(1)，计算得到穿过测量线圈的磁通量(一个旋转周期)，转子正常与不同断条故障时测量线圈的感应电压波形(一个旋转周期)，
[0054]
对测量线圈感应电压信号进行快速傅立叶分解，取fft分析的点数n＝400，故频率分辨率δf＝25hz，得到频谱图，同时，得到额定负载时感应电压信号的细化频谱图。
[0055]
单匝测量线圈的感应电压与主磁场中的谐波含量正相关，当异步电机出现转子断条故障后，[λ(1-s)/p
±
s]f1谐波幅值增大显著，转子断条故障越严重，[λ(1-s)/p
±
s]f1谐波幅值越大，并且这些谐波频率远离50hz，远比(1
±
2s)f1谐波更容易识别。因此，对于单测量线圈法，可以将[λ(1-s)/p
±
s]f1谐波作为判断转子断条故障的主要判据，使得断条故障更容易被识别，并且即使异步电机空载运行状态时，该判据也具有良好的灵敏度。
[0056]
为验证磁场测量线圈检测(1
±
2s)f1谐波磁场的能力，综合运用复调制细化谱分析和自适应滤波技术，抵消测量线圈感应电压中的基波分量，则结果如图5所示。
[0057]
可以看到：在异步电动机空载时，使用单测量线圈的检测效果与定子电流法类似，故障特征分量的幅值较小，但还是可以看到其随故障程度增大而增大的趋势；在额定负载状态下，当转子导条断裂后，(1
±
2s)f1故障特征分量幅值明显增大，且随着断条数目增多，
故障分量的幅值显著变大。因此，磁场测量线圈通过收集(1
±
2s)f1磁场分量可以判断出异步电机的转子断条故障。
[0058]
以某电机厂的一台vt132m-4型笼型异步电机为例，该异步电动机参数如表2所示，该电机转子为斜槽结构，槽宽6.9mm，槽深21mm。为模拟断条故障，在转子导条处钻孔，孔径10mm、孔深25mm。
[0059]
表2 vt132m-4型笼型异步电机铭牌参数
[0060][0061][0062]
采用电涡流制动器模拟电动机负载，通过加载控制器调节涡流电流，使异步电动机分别带1/4额定负载(s＝0.008)、1/2额定负载(s＝0.015)、3/4额定负载(s＝0.024)和额定负载(s＝0.033)，记录定子电压、电流以及测量线圈感应电压等数据，采样频率10khz，实验时长10s。
[0063]
对空载及不同负载状态下的测量线圈感应电压信号作fft变换，得到的频谱图；
[0064]
在异步电动机转子导条断裂时，测量线圈感应电压中[λ(1-s)/p
±
s]次谐波含量有明显增加，转子断条数目越多，上述谐波含量增加越明显。该现象与仿真结果完全一致，进一步证明：磁场测量线圈可以检测出电机主磁场中的[λ(1-s)/p
±
s]次谐波，具有较高的检测灵敏度，依托磁场测量线圈，可以将[λ(1-s)/p
±
s]次谐波作为转子断条故障的主要判据。
[0065]
综合运用复调制细化谱分析和自适应滤波技术，对异步电动机空载、带1/4额定负载、1/2额定负载、3/4额定负载和额定负载运行时的测量线圈感应电压进行处理，得到抵消基波分量后的复调制细化谱分析结果，分别如图6所示。
[0066]
可以发现：在异步电机空载状态下，单测量线圈法也容易受到未滤除的基波分量影响，这一点与定子电流法相似。在负载状态下，即使转子仅一根导条断裂，(1
±
2s)f1故障分量仍清晰可见，能够清晰识别故障特征。
[0067]
实施例2.
[0068]
一种笼型异步电机转子断条在线诊断系统，包括：
[0069]
数据获取模块，被配置为，获取测量线圈感应的交流电动势；
[0070]
模型构建模块，被配置为，根据有限元仿真模型和外电路模型构建二维瞬态联合仿真模型；
[0071]
在线检测模块，被配置为，根据交流电动势和二维瞬态联合仿真模型在线检测转子断条故障。
[0072]
实施例3.
[0073]
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行本实施例提供的一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法。
[0074]
实施例4.
[0075]
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行本实施例提供的一种笼型异步电机转子断条在线诊断方法。
[0076]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0077]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0078]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0079]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0080]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
[0081]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。