变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，步骤如下：S1，对笼型异步电机转子的定子电流信号进行采样，并输入自适应滤波器中；S2，自适应滤波器对采样信号进行滤波处理；S3，对步骤S2中滤波后的输出误差进行FFT分析；S4，根据FFT分析结果对转子断条故障进行诊断判别。新型变步长算法充分考虑了自适应滤波器调节过程中复杂谐波对误差信号及步长的影响，通过根据调节过程调整原算法的系数，实现变步长算法在调整初期具有较大的步长，而在调整后期具有足够小的步长，可以获得较好的滤波效果，提高故障诊断的可靠性。

Method and device for dynamic diagnosis of rotor broken bar fault of frequency conversion speed regulating cage asynchronous motor

The invention discloses a variable speed squirrel cage asynchronous motor rotor fault diagnosis of dynamic method, the steps are as follows: S1, the stator current signal of squirrel cage asynchronous motor and input sampling, adaptive filter; S2 filtering of sampling signal adaptive filter; S3 FFT analysis of output error filtering after the step S2; S4, according to the results of FFT analysis for rotor broken bar fault diagnosis. A new variable step size adaptive filter algorithm is considered in the process of adjusting the effect of complex harmonic error signal and step, according to the coefficient adjustment process adjustment of the original algorithm, the variable step algorithm has a large step in the initial adjustment, and has a sufficiently small step in the adjustment period, can get better filtering effect, improve reliability fault diagnosis.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机故障检测
，具体涉及一种变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法及装置。
技术介绍
转子断条是笼型异步电动机常见故障之一。由于笼型异步电动机的转子无直接电气元件引出，所以直接对转子进行故障检测比较困难。随着故障诊断技术的发展，采用非侵入式故障诊断方法可以准确地诊断转子断条故障。该方法主要是通过对电机运行参数进行分析与处理，来实现对断条故障的准确诊断。从检测与分析参数的角度来看，基于定子电流分析的转子断条故障诊断方法最为常见。基于定子电流分析的转子断条故障诊断的基本原理如下：假定电动机采用工频电源直接供电，那么正常时电动机定子电流仅含有电源频率f0＝50Hz。但是，当转子出现断条故障时，定子电流中还会出现一个频率为f1＝(1±2s)f0的故障特征分量，其中转差率s＝(n0-n)/n0，n0为同步转速，n为电机转速。实际中，一般以f1＝(1-2s)f0作为故障特征进行诊断。这样，通过提取定子电流的f1分量，即可判断是否存在转子断条故障。然而，当转速n接近n0时，转差率s非常小，接近0，这时f1与f0十分接近。由于f1分量相对于f0分量非常小，所以若直接进行频谱分析，则f1分量会被f0分量所淹没，无法得到f1分量。为了准确提取定子电流的f1分量，常用的方法是先采用自适应滤波器对定子电流进行处理，尽可能地减少f0分量，然后再通过频谱分析，判断定子电流中是否存在f1分量，最后进行断条故障诊断。这样，可以提高断条故障诊断的准确率。在电动机采用工频电源直接供电情况下，定子电流频率分量简单，基于自适应滤波器的转子断条故障诊断方法较为成熟。然而，目前愈来愈多的笼型异步电动机采用变频器调速。在变频调速下，受变频器影响电动机定子电流的谐波成分复杂，不仅有变频器输出频率及其整数次谐波，而且还有间谐波及噪声干扰。由于自适应滤波器的滤波效果很大程度上取决于变步长算法，而目前常用的变步长算法主要是根据自适应滤波器的误差信号进行调整，调整过程中步长随着误差信号的减小而按照一定规律减小。这样，变频调速下的复杂谐波成分使得自适应滤波器趋于稳定时误差信号增大，导致步长较大，自适应滤波器的陷波带宽较大，从而影响自适应滤波器的滤波效果。所以，变频调速下的复杂谐波成分给基于自适应滤波器的转子断条故障诊断方法造成了十分不利的影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的是现有异步电机故障诊断时由于变频调速下的复杂谐波成分使得自适应滤波器趋于稳定时误差信号增大，导致步长较大，自适应滤波器的陷波带宽较大，从而影响自适应滤波器的滤波效果，降低了转子断条故障诊断的准确率的技术问题，从而提供一种滤波效果好，诊断准确率高的变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法及装置。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，步骤如下：S1，对笼型异步电机转子的定子电流信号进行采样，并输入自适应滤波器中；采样频率为fs，采样点数为M，且M＝k0+N；其中，k0表示FFT分析时舍弃的数据长度；N表示FFT分析时的数据长度；S2，自适应滤波器对采样信号进行滤波处理；采用变步长算法对采样信号进行处理；具体地，S2.1，计算自适应滤波器的输出误差ε(k)；ε(k)＝d(k)-y(k)(1)；其中，ε(k)表示自适应滤波器的输出误差；d(k)为原始输入信号d(t)在kT时刻的采样值，T为采样周期；y(k)为自适应滤波器输出值；S2.2，计算自适应滤波器的变步长μ(k)，具体公式如下：其中，μ(k)表示自适应滤波器的步长；α为正数，且0<α<50；m为正数，且0<m<5；k表示采样点序号；ε(k)表示自适应滤波器的输出误差；β(k)的计算公式如下：其中，β0为正数；k表示采样点序号；M1为正整数，且0.01N<M1<0.1N；M2为正整数，且0.1N<M2<0.3N；N表示自适应滤波器分析的数据长度；c1表示正数；c2表示正数，且0<c2<1，c2＝β(M2)；S2.3，对自适应滤波器的权值进行修正；具体修正过程如下：w1(k+1)＝w1(k)+2μ(k)ε(k)x1(k)(4)；w2(k+1)＝w2(k)+2μ(k)ε(k)x2(k)(5)；其中，w1(k)、w2(k)为权值采样值；μ(k)表示自适应滤波器的步长；ε(k)表示自适应滤波器的输出误差；x1(k)为参考输入信号在kT时刻的采样值，T为采样周期；x2(k)为参考输入信号90度移相后在kT时刻的采样值，T为采样周期；S2.4，重复步骤S2.1-S2.3，直至循次次数k等于采样点数M；S2.5，确定FFT分析时舍弃的数据长度k0；具体步骤如下：S2.5.1，计算采样信号的幅值谱密度值的极大值V1；S2.5.2，根据步骤S2.5.1得到的极大值V1计算极差V1s，标准差V1std和最大相对误差V1re；极差V1s的计算公式如下：V1s＝V1max-V1min(6)；其中，V1max为极大值V1的最大值；V1min为极大值V1的最小值；最大相对误差V1re的计算公式如下：V1re＝|max(V1-V1m)/V1m|×100(7)；其中，max表示求最大值；V1m为极大值V1的均值；S2.5.3，根据步骤S2.5.2的计算结果得出FFT分析时舍弃的数据长度k0；S3，对步骤S2中滤波后的输出误差ε(k)进行FFT分析；具体地，首先，舍弃自适应滤波器中输出误差ε(k)过渡过程信息的数据，舍弃的数据长度为k0；然后，对剩余长度的输出误差ε(k)进行FFT分析，FFT分析使用的数据长度为N，具体为ε(k0+1)～ε(k0+N)；S4，根据FFT分析结果对转子断条故障进行诊断判别；具体地，S4.1，根据笼型异步电机的转速计算断条故障特征频率f1；S4.2，计算FFT分析时的频率分辨率Δf；计算公式如下：Δf＝fs/N(8)；其中，fs为采样频率，N为FFT分析时的数据长度；S4.3，转子断条故障的诊断；具体地，S4.3.1，对输出误差ε(k)的幅值谱密度值进行归一化处理；幅值谱密度值最大值Vmax为1；S4.3.2，根据步骤S4.1中的断条故障特征频率f1和步骤S4.2中的频率分辨率Δf，确定故障诊断范围；所述故障诊断范围为(f1-2Δf,f1±2Δf)；S4.3.3，判断在故障诊断范围内，归一化后的幅值谱密度值是否存在极大值V1；S4.3.4，若不存在极大值V1，则不存在转子断条故障；若存在极大值V1则进行步骤S4.3.5；S4.3.5，判断极大值V1与阈值ε0的大小；若V1≥ε0，则存在转子断条故障；反之，不存在转子断条故障。一种变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断装置，包括数据采集卡、信号变送模块、电流互感器、计算机、显示屏和输入设备，电流互感器检测笼型异步电机的定子电流，并将检测信号传输至信号变送模块中，信号变送模块将接收到的检测信号传输至数据采集卡中，数据采集卡将接收到的检测信号进行模数转换，并将模数转换后的信号传输至计算机，计算机通过运行转子断条故障诊断程序实现故障判别。所述输入设备包括键盘和鼠标。本专利技术的新型变步长算法充分考虑了自适应滤波器调节过程中复杂谐波对误差信号ε(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，其特征在于，步骤如下：S1，对笼型异步电机转子的定子电流信号进行采样，并输入自适应滤波器中；S2，自适应滤波器对采样信号进行滤波处理；S3，对步骤S2中滤波后的输出误差ε(k)进行FFT分析；S4，根据FFT分析结果对转子断条故障进行诊断判别。

【技术特征摘要】
1.一种变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，其特征在于，步骤如下：S1，对笼型异步电机转子的定子电流信号进行采样，并输入自适应滤波器中；S2，自适应滤波器对采样信号进行滤波处理；S3，对步骤S2中滤波后的输出误差ε(k)进行FFT分析；S4，根据FFT分析结果对转子断条故障进行诊断判别。2.根据权利要求1所述的变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，其特征在于，在步骤S1中，采样频率为fs，采样点数为M，且M＝k0+N；其中，k0表示FFT分析时舍弃的数据长度；N表示FFT分析时的数据长度。3.根据权利要求1所述的变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，其特征在于，在步骤S2中，自适应滤波器采用变步长算法对采样信号进行滤波处理；具体地，S2.1，计算自适应滤波器的输出误差ε(k)；ε(k)＝d(k)-y(k)(1)；其中，ε(k)表示自适应滤波器的输出误差；d(k)为原始输入信号d(t)在kT时刻的采样值，T为采样周期；y(k)为自适应滤波器输出值；S2.2，计算自适应滤波器的变步长μ(k)，具体公式如下：其中，μ(k)表示自适应滤波器的步长；α为正数，且0<α<50；m为正数，且0<m<5；k表示采样点序号；ε(k)表示自适应滤波器的输出误差；β(k)的计算公式如下：其中，β0为正数；k表示采样点序号；M1为正整数，且0.01N<M1<0.1N；M2为正整数，且0.1N<M2<0.3N；N表示自适应滤波器分析的数据长度；c1表示正数；c2表示正数，且0<c2<1，c2＝β(M2)；S2.3，对自适应滤波器的权值进行修正；具体修正过程如下：w1(k+1)＝w1(k)+2μ(k)ε(k)x1(k)(4)；w2(k+1)＝w2(k)+2μ(k)ε(k)x2(k)(5)；其中，w1(k)、w2(k)为权值采样值；μ(k)表示自适应滤波器的步长；ε(k)表示自适应滤波器的输出误差；x1(k)为参考输入信号在kT时刻的采样值，T为采样周期；x2(k)为参考输入信号90度移相后在kT时刻的采样值，T为采样周期；S2.4，重复步骤S2.1-S2.3，直至循次次数k等于采样点数M；S2.5，确定FFT分析时舍弃的数据长度k0。4.根据权利要求3所述的变频调速笼型异步电机转子断条故障动态诊断方法，其特征在于：在步骤S2.5中，FFT分析时舍弃的数据长度k0的计算步骤如下：S2.5.1，计算采样信号的幅值谱密度值的极大值V1；S2.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新，王丹璐，徐永豪，蒋文昭，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41