基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法技术

一种基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法，首先获取三相电流信号，通过矢量解调构造相移信号获取电流信号瞬时频率和瞬时幅值，计算其变异系数，对比分析三相不平衡下瞬时信息特征系数表现；实际实验分析不同转速下，对比分析正常电机和故障电机直接计算与VMD提取趋势项后的瞬时频率与瞬时幅值变异系数特点，可以发现经VMD提取趋势项后的瞬时频率变异系数可以明显区分出故障电机，本发明专利技术可以做为分析电机三相不平衡故障的有效手段，及时发现电机故障，以减少生产、时间的损失。时间的损失。时间的损失。

【技术实现步骤摘要】
基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法


[0001]本专利技术属于电机故障诊断
，特别涉及一种基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法。

技术介绍

[0002]工业中电机广泛使用，按电源种类可分为直流电机和交流电机。三相感应电动机主要应用于数控机床、医疗设备、计算机外部设备等领域中。对于电网系统，三相平衡主要指三相的电压向量大小相等，三相不平衡是指在电力系统中三相电流/电压幅值不一致、相位互差不为120
°
，差异值超过规定范围。三相不平衡是一种常见故障，引起三相不平衡的原因有多种，如断线故障、接地故障等。不平衡度过大会导致电气设备运行稳定性，产生非正常的转速、发热等故障，研究三相不平衡检测方法，对提高工业设备运行可靠性具有重要意义。
[0003]常用的电机三相不平衡分析方法有快速傅里叶变换(FFT)分析、对称分量分析等方法；FFT适合处理稳态、周期信号，对于非稳态、非周期信号，利用FFT分析则会产生频谱混叠及泄露。对称分量法是将三相电压/电流分解成对称的正序、负序和零序分量，通过矢量计算得到负序分量、零序分量计算不平衡，对称分量法根据叠加原理，只适用于线性参数的电路中。

技术实现思路

[0004]为克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法，能够及时发现电机故障，以减少生产、时间的损失。
[0005]为实现上述目标，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法，包括以下步骤：
[0007]1)通过Park矢量解调提取三相电流的瞬时频率及瞬时幅值；
[0008]2)通过VMD提取瞬时频率及瞬时幅值的趋势项；
[0009]3)计算瞬时频率及瞬时幅值的变异系数，对比分析正常电机和故障电机直接计算与VMD提取趋势项的瞬时频率与瞬时幅值变异系数特点，进行电机故障诊断。
[0010]所述的步骤1)Park矢量解调，三相异步电机转速计算方法如下式所示：
[0011][0012]式中n
r
为转速(r/min)，s为滑差率，p为极对数，f为转频；
[0013]通过使用Park变换，创建90
°
相移信号，以此完成信号解调，如下所示：
[0014][0015]式中I
α
和I
β
为定子坐标系电流，I
u
、I
v
和I
w
分别为电机U、V、W三相电流；
[0016]则三相电流表示为：
[0017][0018]式中f
M
为信号基频，a为信号幅值；联合式(2)和式(3)得：
[0019][0020]由I
α
和I
β
构造解析信号，如式(5)所示：
[0021]I
z
＝I
α
+I
β
·
i
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]式中I
z
为构造的复数信号；
[0023]计算构造的复数信号的模和幅角得瞬时幅值以及瞬时相位，对I
z
求模和幅角得：
[0024][0025]式中a(t)为瞬时幅值，为瞬时相位；
[0026]瞬时频率是瞬时相位的倒数，即：
[0027][0028]式中f(t)为瞬时频率；
[0029]瞬时幅值和瞬时频率是三相电流信号多传感器信息融合的瞬时信息，反映三相电流综合特性。
[0030]所述的步骤2)VMD方法获取模态带宽，步骤如下：
[0031]通过希尔伯特变换计算相关的分析信号，以获得单边频谱；
[0032]对于每种模式，通过与相应估计中心频率调谐的指数混合，将模式的频谱转移到“基带”；
[0033]通过梯度的h高斯平滑度估计带宽，由此产生的约束变分问题如下；
[0034][0035]式中，{u
k
}为k个本征模态函数的集合，{ω
k
}为k个中心频率的集合，δ(t)为冲击函数，H为原始信号，t为时标，j为虚数单位；
[0036]通过拉格朗日乘子与二次惩罚项，将具有约束性的目标函数转化为非约束性的目
标函数，得增广的拉格朗日函数，即：
[0037][0038]式中，α为平衡系数，λ为拉格朗日乘子，{u
k
}为k个本征模态函数的集合，{ω
k
}为k个中心频率的集合，δ(t)为冲击函数，H(t)为原始信号，t为时间，j为虚数单位；
[0039]通过VMD方法，提取多个特征频率的imf，通过计算均值最大一项，得到趋势项。
[0040]所述的步骤3)变异系数计算为：
[0041]变异系数是标准差与平均数的比值，用以反映各观测值变异程度，是无量纲统计量；
[0042]均值μ如下式所示：
[0043][0044]式中x
i
是第i个数据，n是数据长度；
[0045]样本标准差σ如下式所示：
[0046][0047]由变异系数定义，联立式(10)和式(11)，得变异系数c
v
；
[0048][0049]变异系数仅在平均值不为零时定义，在平均值大于零时使用；变异系数衡量整体数据的波动情况，通过计算瞬时频率、瞬时幅值的变异系数，分析其波动状态。
[0050]本专利技术的有益效果是：
[0051]由于本专利技术对三相信号进行转换获取瞬时信息特征，可较综合且直观分析不平衡情况。采用变异系数差异，表征正常电机与故障电机的三相不平衡程度，而且变异系数可以用来衡量整体数据的波动情况，通过计算瞬时频率、瞬时幅值的变异系数，可以分析其波动状态。
[0052]为了克服故障电机与正常电机瞬时频率的变异系数相近的问题，本专利技术经过VMD分解提取趋势项计算的变异系数，故障电机的特征值高于正常电机的特征值。相对未分解的信号，瞬时转速可以更明显的区分，本专利技术的瞬时频率变异系数考虑作为判断三相不平衡的特征系数，能够及时发现电机故障，以减少生产、时间的损失。
附图说明
[0053]图1是本专利技术的流程图。
[0054]图2是本专利技术实施例搭建的齿轮箱动力学综合实验台示意图，其中(a)为实验台构
成图，(b)为电流传感装夹实物图；(c)为齿轮箱齿轮齿数示意图。
[0055]图3是本专利技术实施例不同转频下故障电机1s时长三相电流信号图，其中(a)为5Hz转频下故障电机1s时长三相电流信号图，(b)10Hz转频下故障电机1s时长三相电流信号图；(c)为15Hz转频下故障电机1s时长三相电流信号图；(d)为20Hz转频下故障电机1s时长三相电流信号图。
[0056]图4是本专利技术实施例不同转频下正常电机1s时长三相电流信号图，其中(a)为5Hz转频下正常电机1s时长三相电流信号图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电流瞬时信息的电机三相不平衡分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过Park矢量解调提取三相电流的瞬时频率及瞬时幅值；2)通过VMD提取瞬时频率及瞬时幅值的趋势项；3)计算瞬时频率及瞬时幅值的变异系数，对比分析正常电机和故障电机直接计算与VMD提取趋势项的瞬时频率与瞬时幅值变异系数特点，进行电机故障诊断。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)Park矢量解调，三相异步电机转速计算方法如下式所示：式中n
r
为转速(r/min)，s为滑差率，p为极对数，f为转频；通过使用Park变换，创建90
°
相移信号，以此完成信号解调，如下所示：式中I
α
和I
β
为定子坐标系电流，I
u
、I
v
和I
w
分别为电机U、V、W三相电流；则三相电流表示为：式中f
M
为信号基频，a为信号幅值；联合式(2)和式(3)得：由I
α
和I
β
构造解析信号，如式(5)所示：I
z
＝I
α
+I
β
·
i
ꢀꢀꢀꢀ
(5)式中I
z
为构造的复数信号；计算构造的复数信号的模和幅角得瞬时幅值以及瞬时相位，对I
z
求模和幅角得：式中a(t)为瞬时幅值，为瞬时相位；瞬时频率是瞬时相位的倒数，即：
式中f(t)为瞬时频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐光华，张勋，李保玉，裴晋举，陈瑞泉，张四聪，吴庆强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：