[論文] 電機及系統(tǒng)故障診斷的研究精簡版

1、<p>　　一．研究電機及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的背景及意義</p><p><b>　　1.1 重要性</b></p><p>　　電機及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究及其設(shè)備的研制極其重要，不但可以保證電機及其所驅(qū)動負(fù)載及其電機控制系統(tǒng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運行；而且對電機系統(tǒng)的節(jié)能具有直接的作用。特別是在電機系統(tǒng)節(jié)能作為我國“十一五”乃至“十二五

2、”期間實施節(jié)能減排所重點關(guān)注的領(lǐng)域之一的背景下，可見電機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有廣闊的發(fā)展前景和市場經(jīng)濟(jì)推動價值，這方面的研究具有特別重要的意義。</p><p><b>　　1.2 必要性</b></p><p>　　隨著嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展成熟，對電機及系統(tǒng)的監(jiān)測與診斷提出更多功能的需求：隨時可以獲取設(shè)備運行的各種狀態(tài)信號，可對設(shè)備進(jìn)行連續(xù)的

3、監(jiān)測，能在早期階段發(fā)現(xiàn)故障，并嚴(yán)密監(jiān)視其發(fā)展情況。針對這種情況則需要研制開發(fā)電機及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷集成功能系統(tǒng)，這樣不但可靠性得到保證，而且能對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行更精確的檢測，具有很強的預(yù)判性。目前我國多功能綜合性的電機系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)還尚未開發(fā)，我中心作為電機行業(yè)推廣標(biāo)準(zhǔn)的歸口，對該系統(tǒng)的開發(fā)很有必要性和研究意義。</p><p><b>　　1.3 可行性</b></p

4、><p>　　標(biāo)準(zhǔn)和電機基礎(chǔ)理論的研究很深入，對系統(tǒng)的開發(fā)具有方法和理論支持。</p><p>　　1.4 對行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的作用及預(yù)期經(jīng)濟(jì)、社會效益</p><p>　　本技術(shù)及其系統(tǒng)的研究將能提高我國電機系統(tǒng)的運行可靠性，對電機設(shè)備狀態(tài)真正做到實時性監(jiān)測，可預(yù)知性判斷，將故障降到最低狀態(tài)。同時也將極大提高我國在研究開發(fā)電機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)方面的自主創(chuàng)新能力

5、，為推進(jìn)電機及系統(tǒng)行業(yè)的產(chǎn)品的自動化、信息化水平、提升我國電機及其驅(qū)動控制產(chǎn)品的國際競爭力起到巨大作用。</p><p>　　二．國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　2.1.1 技術(shù)發(fā)展趨勢</p><p>　　早期的對電機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與診斷往往局限在對于某一故障進(jìn)行的研究，沒有將涉及到基本故障問題整合到一個系統(tǒng)中，這就使得系統(tǒng)的功能單一，在應(yīng)用方面

6、變得實用性不強。隨著嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等的成熟，國內(nèi)外學(xué)者也對這些故障提出了不同的診斷方法，在技術(shù)和方法理論逐漸成熟下，一些集溫度、振動、轉(zhuǎn)速等功能于一體的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)出現(xiàn)。而隨著自動化智能理論的研究，將先進(jìn)的控制算法應(yīng)用到電機系統(tǒng)中是目前各國紛紛研究的主要現(xiàn)狀，因此配套的更為先進(jìn)的電機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的研究引起國內(nèi)外極大的關(guān)注，發(fā)達(dá)國家已不斷投入大量的人力物力進(jìn)行開發(fā)研究。</p><p

7、>　　2.1.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀與差距</p><p>　　國外經(jīng)過多年的發(fā)展研究，在交流電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用也已取得了長足的發(fā)展，一大批狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)相繼投入使用，其中PHILIPS公司研制的RMS700旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)、ENTEK與IRD公司研制的MPULSE機械狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)以及GE公司研制的MULTILIN多功能電動機檢測器最具代表性。我國科研工作者在這一領(lǐng)域也作了大量工作，

8、清華大學(xué)研制成功的籠型異步電動機轉(zhuǎn)子斷條在線檢測儀可視為標(biāo)志性成果。遺憾的是，我國國內(nèi)目前尚未開發(fā)出類似于MULTILIN的多功能綜合性的異步電動機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.3 目前故障監(jiān)測與診斷技術(shù)的不足和發(fā)展方向</p><p>　　盡管電機的故障監(jiān)測診斷技術(shù)目前己取得了長足的進(jìn)步，但仍存在相當(dāng)不足。主要表現(xiàn)在兩方面，即故障信號分析方法的滯后以及由此造成的故

9、障檢測準(zhǔn)確度的不足，使得真正能夠進(jìn)入實際應(yīng)用的檢測裝置比較少。有些能給出具有較高準(zhǔn)確度的定性的診斷，但要做到具有一定準(zhǔn)確度的定量診斷，卻會遇到很大的困難。</p><p>　　目前技術(shù)主要通過小波變換的研究，但僅僅依靠小波分析所獲得的故障特征量還難以滿足實際的故障檢測準(zhǔn)確度的要求，人工智能模式識別技術(shù)也應(yīng)用于電機故障的診斷。同時將Fourier變換、小波變換與人工智能模式識別技術(shù)結(jié)合起來，是電機系統(tǒng)故障診斷關(guān)鍵技

10、術(shù)與發(fā)展的方向。</p><p>　　2.2 技術(shù)市場需求分析</p><p>　　目前，我國國內(nèi)尚未開發(fā)多功能綜合性的電機系統(tǒng)的狀態(tài)測試與故障診斷系統(tǒng)，這主要局限于技術(shù)力量以及研究單位的實力，資金等等方面。該系統(tǒng)的開發(fā)需要對電機基本結(jié)構(gòu)、電機故障機理以及電機檢測方法等有非常深入的了解和測試基礎(chǔ)平臺，還同時需要控制技術(shù)、檢測技術(shù)、傳感技術(shù)和信息傳輸技術(shù)等領(lǐng)域的知識。雖然國外已經(jīng)出現(xiàn)一些監(jiān)測

11、系統(tǒng)，但是國外產(chǎn)品價格十分昂貴，且存在無技術(shù)而維護(hù)不便、缺少漢化而使用不便等問題，因此還難以普及。但是我國大型生產(chǎn)企業(yè)，比較迫切的需要能夠現(xiàn)場監(jiān)測和對故障進(jìn)行預(yù)處理的系統(tǒng)出現(xiàn)，因此具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟(jì)價值。</p><p>　　2.3 國內(nèi)同行單位的技術(shù)水平及實力比較</p><p>　　三、依托單位技術(shù)優(yōu)勢和現(xiàn)有的基礎(chǔ)條件</p><p>　　3.1 主要研究

12、成果及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)</p><p>　　* 旋轉(zhuǎn)電機軸電流電壓的檢測與標(biāo)準(zhǔn)的制定</p><p>　　* 電子電機保護(hù)器的專利</p><p>　　* 智能短信傳輸電機綜合保護(hù)裝置的專利</p><p>　　* 絕緣方面已經(jīng)擁有納米技術(shù)耐電暈漆包線漆、低壓大功率變頻加強絕緣結(jié)構(gòu)專利。</p><p>　　3.2 關(guān)鍵性

13、技術(shù)研究</p><p>　?、俨捎没赑ark矢量模平方函數(shù)的高分辨率頻譜算法，可以消除基波分量頻譜泄露，實現(xiàn)特征頻率的分離，降低電流波動可能性，有利于實時狀態(tài)檢測。</p><p>　　②采用基于定子電流小波分析和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饧夹g(shù)的電機軸承故障檢測，利用小波變換對沖擊奇異點的敏感性及自相關(guān)函數(shù)的特征，進(jìn)行頻率分段研究。</p><p>　　③基于MSCA技術(shù)的電

14、機轉(zhuǎn)子斷條故障診斷。</p><p>　?、苤绷麟妱訖C的監(jiān)測診斷技術(shù)問題，同時由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)推廣速度很快，如何在動態(tài)過程中提取故障特征的研究。</p><p>　?、莼贒eviceNet現(xiàn)場總線的具有網(wǎng)絡(luò)化功能的智能電動機保護(hù)器研制的技術(shù)。</p><p>　　⑥電機與保護(hù)，監(jiān)控部件一體化整合匹配的技術(shù)，并且系統(tǒng)采集傳輸?shù)饶K需要采用微處理器編寫程序，要注

15、意程序抗干擾性、可擴(kuò)展性。</p><p>　　四、“中心”的主要任務(wù)</p><p>　　4.1 主要研究開發(fā)內(nèi)容</p><p>　　4.1.1 監(jiān)測與診斷的主要故障與關(guān)鍵技術(shù)方法的研究</p><p>　　電機及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷涉及到包括軸承、電動機、發(fā)電機以及電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究。其典型故障主要包括軸承故障，定子繞組匝間短路

16、、過熱、絕緣故障，以及轉(zhuǎn)子氣隙偏心、斷條故障等，下面主要分析以上典型故障的監(jiān)測與診斷方法的研究。</p><p>　?。?）電機軸承的監(jiān)測與診斷</p><p>　　軸承故障的監(jiān)測與診斷方法可分為軸承振動信號分析法和定子電流信號分析。</p><p>　?。?）定子繞組的監(jiān)測與診斷</p><p>　　匝間短路故障監(jiān)測與診斷目前主要致力于基于

17、定子電流Park矢量分析的匝間短路診斷方法的研究，電機定子某相繞組發(fā)生匝間短路，則定子三相電流的平衡遭到破壞，定子電流派克矢量的末端軌跡將變成橢圓形，而且其橢圓率對應(yīng)故障嚴(yán)重程度，其傾斜方向則與故障相對應(yīng)。過熱故障監(jiān)測與診斷主要研究采用參數(shù)辨識技術(shù)的方法，絕緣故障監(jiān)測與診斷通過局部放電來評估。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)子的監(jiān)測與診斷</p><p>　　轉(zhuǎn)子故障主要包括氣隙偏心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)

18、條或端環(huán)斷裂故障。氣隙偏心監(jiān)測與診斷采用定子電流Park矢量的軌跡與模值監(jiān)測氣隙偏心，同時還可以對電機定子電流及機座振動信號同時進(jìn)行頻譜分析，可以診斷出氣隙偏心模式；轉(zhuǎn)子斷條故障的監(jiān)測與診斷中通過將希爾伯特變換與數(shù)字濾波技術(shù)結(jié)合在一起，能較理想的解決，而利用小波分析技術(shù)可以更進(jìn)一步的分析故障機理。</p><p>　　4.1.2基于DeviceNet現(xiàn)場總線的具有網(wǎng)絡(luò)化功能的智能電動機保護(hù)器研制</p>

19、;<p>　　網(wǎng)絡(luò)化智能電機保護(hù)器主要完成對各種電機運行參數(shù)的檢測、電機控制,以及通過網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)上傳或下達(dá),以便于上位機實時監(jiān)控。保護(hù)器主要由保護(hù)功能模塊和通信功能模塊組成。保護(hù)功能模塊對電機過壓、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等多種故障進(jìn)行檢測,并發(fā)出相應(yīng)的控制輸出指令,從而實現(xiàn)電機保護(hù)。在開發(fā)階段,在硬件方面需要采用高性能的Dsp數(shù)據(jù)處理器，AD轉(zhuǎn)換器件，在軟件上要對接口控制要求等編程；并且要針對電動機保護(hù)器的Devic

20、eNet設(shè)備描述,編寫設(shè)備的EDS文件,方便上位DeviceNet配置軟件對網(wǎng)絡(luò)的配置；在上述基礎(chǔ)上還須通過一致性測試。</p><p>　　4.1.3 電機系統(tǒng)的故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)及軟件的開發(fā)</p><p>　　針對電機系統(tǒng)的故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)主要分為硬件和軟件兩方面的內(nèi)容。硬件方面主要以先進(jìn)的具有高處理性能的工控機和數(shù)據(jù)采集模塊單元為核心，在軟件方面主要以Windows XP為操

21、作系統(tǒng)平臺，VISUAL C++作為應(yīng)用軟件開發(fā)工具。</p><p>　　主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)：（</p><p><b>　　1.工作電源 </b></p><p>　　220VAC (士20%)，50Hz </p><p>　　功耗:6.5 VA+工控機+顯示器+開關(guān)電源</p><p><

22、;b>　　2.輸入電壓</b></p><p>　　額定值：100VAC，允許25%超限</p><p>　　過電壓：2倍額定值(連續(xù))，2500VAC/秒(不循環(huán))</p><p>　　測量形式:True-Rms</p><p><b>　　3.輸入電流</b></p><p>

23、;　　額定值： 5A，允許25%超限</p><p>　　過電壓：2倍額定值(連續(xù))，2500VAC/秒(不循環(huán))</p><p>　　測量形式:True-Rms</p><p><b>　　4.輸入功率</b></p><p>　　范圍：40-100Hz</p><p><b>　　5

24、 輸入負(fù)荷</b></p><p>　　PT負(fù)荷：0.2VA</p><p>　　CT負(fù)荷：0.3VA</p><p><b>　　6 測量精度</b></p><p>　　電壓：±0.2%（F.S.）</p><p>　　電流：±0.2%（F.S.）</p&

25、gt;<p>　　功率：±0.5%（F.S.）</p><p>　　頻率：±0.2 Hz</p><p>　　轉(zhuǎn)速：±10 r/min</p><p><b>　　7 I/O絕緣</b></p><p>　　任意輸入輸出端子之間：25000VAC,50Hz</p>

26、<p><b>　　8 選用環(huán)境</b></p><p>　　工作溫度：-20℃- 70℃</p><p>　　相對濕度：5%-95%，不結(jié)露 ）</p><p><b>　　4.2開發(fā)服務(wù)</b></p><p><b>　　五、經(jīng)費需求</b></p>