一种三相异步电动机负荷波动检测方法技术

本发明专利技术公开了一种三相异步电动机负荷波动检测方法，所述方法首先利用三相异步电动机的三相定子电压、电流瞬时信号，计算出定子电压有效值、定子电流有效值以及瞬时有功功率，并滤除瞬时有功功率的直流分量；然后通过FFT频谱分析获得瞬时有功功率fL(fL为负荷波动频率)频率分量的幅值；最后根据推导出的三相异步电动机瞬时有功功率fL频率分量的幅值与定子电压有效值、定子电流有效值以及转子导条总数之间的数值对应关系而确定负荷波动的检测阈值。本发明专利技术解决了当前尚未解决的三相异步电动机负荷波动检测阈值的确定问题，这为及时发现和排除异常运行工况，确保电机高效、安全运行创造了有利条件，具备工程价值与应用前景。

Method for detecting load fluctuation of three-phase asynchronous motor

The invention discloses a three-phase asynchronous motor load fluctuation detection method, the method uses the three-phase asynchronous motor stator voltage, three-phase current instantaneous signal, calculate the effective value of the stator voltage, stator current value and instantaneous active power, and the DC component of the active power filter instantaneous; and then through the FFT to obtain the instantaneous spectrum analysis active power fL (fL is the load fluctuation frequency) amplitude frequency components; finally, according to the amplitude of the stator voltage derived instantaneous three-phase asynchronous motor active power fL frequency component of effective value, effective value of stator current and the rotor numerical relation between the total number and threshold determination load fluctuation. The invention solves the problem of determining the load fluctuation of three-phase asynchronous motor current detection threshold has not yet been solved, it is to discover and remove the abnormal operating conditions, to ensure safe and efficient operation of the motor and create favorable conditions, with engineering value and application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电动机诊断
，尤其涉及一种三相异步电动机负荷波动检测方法。
技术介绍
三相异步电动机广泛应用于工程实际，其工作目的即是拖动机械负荷旋转。一般而言，在正常运行工况下，负荷是平稳的。但是，异常运行工况(譬如，转子或轴承故障)将导致负荷波动，甚至剧烈波动。当然，负荷波动是不利于电机高效、安全运行的，因此必须对其进行检测。另一方面，在工程实际中，由于供电电源波动、随机干扰等因素，即使对于“平稳”性质的负荷，一定程度的负荷波动仍是必然存在的。因此，必须解决如下问题——究竟何种程度的负荷波动是可以忽略的(即负荷平稳)、究竟何种程度的负荷波动是需要告警的(即确认负荷波动)，这就是三相异步电动机负荷波动检测阈值的确定问题。就目前而言，有关技术人员尚未解决这一问题，亦即尚未提出三相异步电动机负荷波动检测阈值的确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术问题，提供一种三相异步电动机负荷波动检测阈值的确定方法，以及时发现和排除异常运行工况，确保电机高效、安全运行。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：一种三相异步电动机负荷波动检测方法，包括以下步骤：a.按设定采样频率采集三相异步电动机三相定子电压瞬时信号vm与三相定子电流瞬时信号im，其中，m表示相别，m＝1，2，3；b.计算m相定子电压vm的有效值其中vm(k)代表m相定子电压的第k个采样值，k＝1,2,…,n，n为采样点数；c.计算三相定子电压有效值的算术平均值并以之作为定子电压有效值VS；d.计算m相定子电流im的有效值其中im(k)代表m相定子电流的第k个采样值；e.计算三相定子电流有效值的算术平均值并以之作为定子电流有效值IS；f.计算瞬时有功功率p：g.滤除瞬时有功功率p中的直流分量，获得待分析信号M，M＝p-mean(p)，mean(p)表示p的平均值，亦即直流分量；h.对待分析信号M进行FFT频谱分析，获得其fL频率分量的幅值Ap；其中，fL表示负荷波动频率；i.根据下式确定负荷波动的检测阈值LOT：LOT＝3VsIs/N，其中，LOT为负荷波动的检测阈值；N为转子导条总数；j.若Ap>＝LOT，则判断负荷波动；否则，判断负荷平稳。较佳的，所述三相异步电动机的三相定子电压瞬时信号vm与三相定子电流瞬时信号im是同步采集的较佳的，电压瞬时信号和电流瞬时信号的采样频率为1000Hz，采样时长为10s，即采样点数为10000点。有益效果：本专利技术根据三相异步电动机定子电压有效值、定子电流有效值以及转子导条总数而确定负荷波动的检测阈值，并根据瞬时有功功率fL频率分量的幅值与该检测阈值的大小关系判断负荷波动存在与否，为及时发现和排除异常运行工况，确保电机高效、安全运行创造了有利条件。附图说明图1是本专利技术采集三相异步电动机定子电压、电流信号的电原理图。图2是一台Y100L-2型三相异步电动机(3kW、380V)在负荷平稳情况下的瞬时有功功率FFT频谱，该电机满载运行，平均电磁转矩约为10N·m。图3是一台Y100L-2型三相异步电动机(3kW、380V)在负荷波动情况下的瞬时有功功率FFT频谱，该电机满载运行，平均电磁转矩约为10N·m，负荷波动频率fL为3.6Hz、幅值TP约为0.3N·m。图4是一台Y100L-2型三相异步电动机(3kW、380V)在负荷波动情况下的瞬时有功功率FFT频谱，该电机满载运行，平均电磁转矩约为10N·m，负荷波动频率fL为3.6Hz、幅值TP约为0.6N·m。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。一种三相异步电动机负荷波动检测方法，所述方法首先利用三相异步电动机的三相定子电压、电流瞬时信号，计算出定子电压有效值、定子电流有效值以及瞬时有功功率，并滤除瞬时有功功率的直流分量；然后通过FFT频谱分析获得瞬时有功功率fL(fL为负荷波动频率)频率分量的幅值；最后根据推导出的三相异步电动机瞬时有功功率fL频率分量的幅值与定子电压有效值、定子电流有效值以及转子导条总数之间的数值对应关系确定负荷波动的检测阈值并判断负荷波动存在与否。文中所用各符号的意义：FFT、快速傅里叶变换；fL、负荷波动频率；vm、m相定子电压瞬时信号；im、m相定子电流瞬时信号；m、相别，m＝1，2，3；Vm、m相定子电压有效值；vm(k)、m相定子电压瞬时信号的第k个采样值；n、采样点数；VS、定子电压有效值；Im、m相定子电流有效值；im(k)、m相定子电流瞬时信号的第k个采样值；IS、定子电流有效值；p、瞬时有功功率；mean(p)、瞬时有功功率p的平均值，亦即直流分量；M、瞬时有功功率滤除直流分量后的待分析信号；Ap、瞬时有功功率fL频率分量的幅值；LOT、负荷波动的检测阈值；N、转子导条总数；ΔTLO、体现负荷波动的脉动转矩；TP、体现负荷波动的脉动转矩的幅值；t、时间；θ、体现负荷波动的脉动转矩的相位角；f1、供电频率；iL-LO、负荷波动所导致的定子电流(f1-fL)频率分量；iR-LO、负荷波动所导致的定子电流(f1+fL)频率分量；P、极对数；Ψ、基波磁通的有效值；J、转动惯量；ZS、定子阻抗的模值；e、自然常数；j、虚数单位；αS、定子阻抗角；αΨ、基波磁通的初相角；iS、定子电流复空间矢量；vS、定子电压复空间矢量；定子电压初相角；Re、实部；*、复共轭；s、转差率；i’L、转子故障直接导致的定子电流(1-2s)f1频率分量；I’L、转子故障直接导致的定子电流(1-2s)f1频率分量的有效值；αL、转子故障直接导致的定子电流(1-2s)f1频率分量的初相角；ΔT、转子故障所导致的脉动转矩；i”L、转矩脉动所导致的定子电流(1-2s)f1频率分量；iR、转矩脉动所导致的定子电流(1+2s)f1频率分量；q、瞬时无功功率；Im、虚部；γ、相位角；Aq、瞬时无功功率2sf1频率分量的幅值；Nb、转子断裂导条数目；PT、电压互感器；CT、电流互感器。本专利技术推导出了三相异步电动机瞬时有功功率fL频率分量的幅值与定子电压有效值、定子电流有效值以及转子导条总数之间的数值对应关系，并以此为基础提出了一种三相异步电动机负荷波动检测方法。众所周知，异步电动机负荷波动体现为一脉动转矩，如式(1)所示。ΔTLO＝-TPsin(2πfLt+θ)(1)其中，TP表示幅值；t表示时间；θ表示相位角。该脉动转矩将引发转子转速波动，并最终导致式(2)、式(3)所示的频率分量附加于异步电动机定子电流。其中，P表示极对数；Ψ表示基波磁通的有效值；J表示转动惯量；ZS表示定子阻抗的模值；e表示自然常数；j表示虚数单位；αS表示定子阻抗角；αΨ表示基波磁通的初相角。因此，在负荷波动情况下，定子电流的复空间矢量形式可以采用式(4)描述。其中，IS表示定子电流的有效值(准确而言，此处IS应为定子电流f1频率分量的有效值，但二者是近似相等的)。不失一般性，假定三相异步电动机定子电压的复空间矢量形式为：其中，VS表示定子电压有效值；表示定子电压初相角。于是，异步电动机的瞬时有功功率可以表示为：其中，Re表示实部；*表示复共轭。在负荷波动情况下，将式(4)、式(5)分别代入式(6)并推导可得瞬时有功功率的表达式，如式(7)所示。注意：对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相异步电动机负荷波动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：a.按设定采样频率采集三相异步电动机三相定子电压瞬时信号vm与三相定子电流瞬时信号im，其中，m表示相别，m＝1，2，3；b.计算m相定子电压vm的有效值其中vm(k)代表m相定子电压的第k个采样值，k＝1,2,…,n，n为采样点数；c.计算三相定子电压有效值的算术平均值并以之作为定子电压有效值VS；d.计算m相定子电流im的有效值其中im(k)代表m相定子电流的第k个采样值；e.计算三相定子电流有效值的算术平均值并以之作为定子电流有效值IS；f.计算瞬时有功功率p：g.滤除瞬时有功功率p中的直流分量，获得待分析信号M，M＝p‑mean(p)，mean(p)表示p的平均值，亦即直流分量；h.对待分析信号M进行FFT频谱分析，获得其fL频率分量的幅值Ap；其中，fL表示负荷波动频率；i.根据下式确定负荷波动的检测阈值LOT：LOT＝3VsIs/N，其中，LOT为负荷波动的检测阈值；N为转子导条总数；j.若Ap>＝LOT，则判断负荷波动；否则，判断负荷平稳。

【技术特征摘要】
1.一种三相异步电动机负荷波动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：a.按设定采样频率采集三相异步电动机三相定子电压瞬时信号vm与三相定子电流瞬时信号im，其中，m表示相别，m＝1，2，3；b.计算m相定子电压vm的有效值其中vm(k)代表m相定子电压的第k个采样值，k＝1,2,…,n，n为采样点数；c.计算三相定子电压有效值的算术平均值并以之作为定子电压有效值VS；d.计算m相定子电流im的有效值其中im(k)代表m相定子电流的第k个采样值；e.计算三相定子电流有效值的算术平均值并以之作为定子电流有效值IS；f.计算瞬时有功功率p：g.滤除瞬时有功功率p中的直流分量，获得待分析信号M，M＝p-mean(p)，mean(p)...

【专利技术属性】
技术研发人员：许伯强，回志澎，孙丽玲，刘云生，关涛，王艳武，寿海明，
申请(专利权)人：华北电力大学，中国人民解放军海军装备研究院舰船论证研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11