電機故障診斷綜合實驗

1、電機故障診斷綜合實驗課程名稱：電氣設備故障診斷技術實驗組員；張笑慶（信電09-8）丁慧慧（信電09-8） 王喜樂（信電09-8） 朱星奎（信電09-8）目錄一、 實驗目的 3二、 實驗內(nèi)容 3三、 實驗原理 3四、實驗步驟 3五、數(shù)據(jù)采集與分析步驟 4六、數(shù)據(jù)處理 51、傅里葉變換法 52、PARK 矢量法 83、小波變換法 13七、實驗總結(jié) 15一、實驗目的1、初步了解故障診斷的過程；2、了解并初步掌握電機轉(zhuǎn)子斷條和氣隙偏心故障的定子電流頻譜分析方法；3、認識不同的數(shù)據(jù)處理與故障診斷方法在故障診斷的敏感性和準確性等方面的差異。二、實驗內(nèi)容分別采集狀態(tài)良好的和存在轉(zhuǎn)子斷條，氣隙偏心，匝間短路故

2、障的三相異步電動機、在不同負載工況下的三相電流數(shù)據(jù)；然后運用已編制好軟件或運用MATLAB自行編程，對測試數(shù)據(jù)進行頻譜分析，根據(jù)相應的故障診斷特征頻譜分量，判斷電機的故障狀態(tài)。三、實驗原理當三相電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障時，電流頻譜中會出現(xiàn)特征分量fb=（1±2ks）*f1，通常k=1時的特征最為明顯；當出現(xiàn)氣隙偏心故障時，電流頻譜中會出現(xiàn)特征分量fag=f1±mfr，其中fr為轉(zhuǎn)子頻率，m為正整數(shù)。當三相電動機出現(xiàn)定子匝間短路故障時，通過對三相定子電流運用Park矢量模平方函數(shù)進行變換，電流中除了直流分量外還出現(xiàn)了兩倍的基頻分量。電機穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，故障特征頻率也相對

3、穩(wěn)定，因此，可根據(jù)頻譜分析結(jié)果判斷電機有無對應故障。四、實驗步驟轉(zhuǎn)子斷條故障注意：嚴格按照實驗步驟，同時在調(diào)節(jié)整定時間時注意安全?。ǎr間繼電器的調(diào)整。依據(jù)外界環(huán)境，調(diào)整時間繼電器的整定值，環(huán)境潮濕：整定值可在分鐘范圍內(nèi)；干燥：整定值可調(diào)小些，順時針方向時間整定值增大。（）勵磁電壓的調(diào)整。調(diào)節(jié)勵磁電壓旋鈕使勵磁電壓達到180V。注意：不得高于200V。（）啟動風機和電動機。啟動風機和電動機前，檢查負載控制按鈕，使之處于斷開狀態(tài)，然后依次按下啟動風機和電動機啟控制按鈕；整定時間到，電動機自動運行，此時發(fā)電機便處于發(fā)電狀態(tài)。（）負載控制及信號采集。1）在空載狀況下，記錄當前電動機的轉(zhuǎn)速，采集當前電

4、流的波形并保存數(shù)據(jù)以便分析；2）按下負載控制按鈕，記錄當前電動機的轉(zhuǎn)速，采集當前電流的波形，并保存數(shù)據(jù)以便分析；3）按下重載控制按鈕，記錄當前電動機的轉(zhuǎn)速，采集當前電流的波形，并保存數(shù)據(jù)以便分析；（）停機。停機控制順序是斷開負載，其次是電動機、勵磁、最后是風機控制按鈕。（）更換電動機轉(zhuǎn)子重復上述過程。五、數(shù)據(jù)采集與分析步驟針對狀態(tài)良好、轉(zhuǎn)子一根斷條和轉(zhuǎn)子三根斷條的三相異步電動機在滿載時的電壓信號進行采集和分析研究，實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存為后綴為CSV的excel文件，需要用 matlab 軟件處理之后，才能畫出波形圖、頻譜圖和PARK矢量圖，并可以利用小波分形進行諧波含量的研究。六、數(shù)據(jù)處理1、傅里

5、葉變換法通過用 matlab 軟件編程，將采集到的三相電壓信號，畫出其中一相電壓波形圖，然后通過傅里葉算法轉(zhuǎn)換到頻域上，畫出其中一相電壓的頻譜圖，并根據(jù)其頻譜圖中是否含有故障頻率分量 fb =（1±2s）f1（其中f1 為電網(wǎng)頻率，s 為轉(zhuǎn)差率），通過比較故障特征頻率的幅值和基波頻率的幅值，來判斷電動機故障情況?！?】 程序：clc;%清空屏幕clear;%清除工作空間變量deltat=1/5000;%采樣時間N=20000;%傅里葉分析時的點數(shù)c1=xlsread('haodianji.csv');%讀入采樣信號（正常狀態(tài)三相電壓）c2=c1(:,1);%取采樣信號

6、的第一列（也就是a相的電壓）plot(1:N)/N,c2(1:N)%畫出波形圖axis(0,0.05,-1.5,1.5);%選定坐標范圍hold%保持窗口F1=abs(fft(c2);%傅里葉變換figure(2)%打開一個新窗口plot(1:N)/(N*deltat),log10(F1(1:N)%畫出頻譜圖形axis(0,100,0,5); %選定坐標范圍【2】 以下為得到的波形圖和頻譜圖：（1）正常狀態(tài)三相異步電機的波形圖（2）轉(zhuǎn)子一根斷條三相異步電動機的波形圖（3）轉(zhuǎn)子三根斷條三相異步電動機的波形圖結(jié)論：正常狀態(tài)、轉(zhuǎn)子一根和轉(zhuǎn)子三根斷條狀態(tài)下三相電壓波形均為正弦波，幾乎沒有差別，無法通過

7、其波形判斷其故障狀態(tài)。（4）正常狀態(tài)三相異步電機的頻譜圖（5）轉(zhuǎn)子一根斷條三相異步電動機的頻譜圖（6）轉(zhuǎn)子三根斷條三相異步電動機的頻譜圖結(jié)論：通過對正常狀態(tài)、轉(zhuǎn)子一根和轉(zhuǎn)子三根斷條狀態(tài)下三相電壓頻譜圖的比較，判斷在電網(wǎng)頻率50Hz左右處是否存在頻率特征分量，從而斷定電動機是否為故障電機。其中故障分量的大小和電動機的負載有關，負載越大，定子電流就越大，相應的故障分量就越大。2、PARK 矢量法若以 PARK 矢量的兩個分量分別作橫、縱坐標，隨著時間 t 的變化，其軌跡為一個圓，圓心為坐標系原點。在此理想情況下，PARK 矢量的模為常數(shù)（對應于常量或直流）。實際上，由于制作、安裝、材料等方面的原因

8、，正常的異步電動機的 PARK 矢量軌跡也只能接近于圓。當電動機發(fā)生故障時，理想條件被破壞，三相電流不再平衡，同時可能會出現(xiàn)一些諧波或變頻分量。 這時 Park矢量的軌跡不再是一個圓，可能是橢圓，也 可能是不規(guī)則的閉合曲線。具體形狀，決定于故障性質(zhì)及其嚴重程度?？梢酝ㄟ^識別 PARK 矢量軌跡“橢圓”的形狀，來判斷定子繞組匝間短路故障；并且隨著故障嚴重程度的增加，橢圓的“扁平程度”越來越大，而且橢圓主軸方向與故障相線有直接聯(lián)系（發(fā)生同相匝間短路故障時，橢圓主軸方向趨于一致）?！?】 程序：clc;%清空屏幕clear;%清除工作空間變量deltat=1/5000;%采樣時間N=1024;%傅里

9、葉分析時的點數(shù)c1=xlsread('haodianji.csv');%讀入采樣信號s1=c1(:,1);%取采樣信號的第一列（也就是a相的電流）s2=c1(:,2);%取采樣信號的第二列（也就是b相的電流）s3=c1(:,3);%取采樣信號的第三列（也就是c相的電流）id=sqrt(6)/3*s1-sqrt(6)/6*s2-sqrt(6)/6*s3;iq=sqrt(2)/2*s2-sqrt(2)/2*s3;plot(id,iq)holdfigure(2)polar(id,iq)【2】 以下為得到的PARK矢量圖：（1） 正常狀態(tài)三相異步電機的PARK矢量圖極坐標形式（2） 轉(zhuǎn)

10、子一根斷條三相異步電動機的PARK矢量圖極坐標形式（3） 轉(zhuǎn)子三根斷條三相異步電動機的PARK矢量圖極坐標形式3、小波變換法對于小波分析的理解：有一個信號，它的頻率是0-5000Hz，第一次小波分析，可以將信號分成低頻段0-2500(5000/2)Hz，高頻段2500-5000Hz ；第二次小波分析對第一次分解出的低頻段0-2500(5000/2)Hz信號再分解，又可以分解成一個低頻段0-1250（2500/2)Hz,還有一個高頻段1250-2500Hz；同時第二次小波分析對高頻段2500-5000Hz又可以分解成成一個低頻段和一個高頻段。一直這么分解下去，最后就可以實現(xiàn)對所有的頻率分量的分離，所以小波分析的缺陷是不能精確找出頻率的數(shù)值，只能給出在哪個區(qū)間。（1） 正常狀態(tài)三相異步電機的小波分析（2） 轉(zhuǎn)子一根斷條三相異步電動機的小波分析（3） 轉(zhuǎn)子三根斷條三相異步電動機的小波分析使用小波分形，將波形分為許多頻率區(qū)間，通過對各個區(qū)間波形的比較，定性的觀察諧波含量，由此可以判斷電動機故障程度。七、實驗總結(jié)本實驗為電機故障診斷綜合實驗，通過這次實驗的學習，我們初步了解了故障診斷的過程；初步掌握了對電機轉(zhuǎn)子斷條的傅里葉變換分析，得到了轉(zhuǎn)子斷條的波形圖和頻譜圖。也學會了使用小波分形和PARK矢量圖對電