籠型異步電動(dòng)機(jī)多故障仿真模型的建立及診斷方法研究.pdf

1、本課題來源于山西省重大專項(xiàng)“基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦重大生產(chǎn)裝備狀態(tài)監(jiān)測及全壽命周期管理系統(tǒng)開發(fā)”（20131101029）中的子課題“礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及全壽命周期管理系統(tǒng)開發(fā)”。本課題以礦井主通風(fēng)機(jī)中的電動(dòng)機(jī)故障診斷為主要研究內(nèi)容，旨在通過理論分析、仿真建模、智能診斷等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)籠型異步電動(dòng)機(jī)單一和復(fù)合故障的有效監(jiān)測和可靠診斷。
　　礦井主通風(fēng)機(jī)中的高壓電動(dòng)機(jī)為籠型異步電動(dòng)機(jī)，除用于礦井通風(fēng)，其在工農(nóng)業(yè)中也普遍應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)負(fù)載復(fù)雜多樣，

2、運(yùn)行條件惡劣多變，這致使籠型異步電動(dòng)機(jī)故障多發(fā)。轉(zhuǎn)子斷條故障占籠型異步電動(dòng)機(jī)故障的比例高達(dá)10％，絕大部分的機(jī)械故障都會(huì)引起氣隙偏心。由于裝配誤差和加工缺陷，即使全新的異步電動(dòng)機(jī)也會(huì)存在一定的靜態(tài)偏心。靜態(tài)偏心會(huì)產(chǎn)生不對稱的磁拉力，從而引起動(dòng)態(tài)偏心，而轉(zhuǎn)子斷條、軸承缺陷等故障也會(huì)直接引起動(dòng)態(tài)偏心，因此，常見的偏心故障類型為混合偏心。在轉(zhuǎn)子斷條故障發(fā)生時(shí)，輕則伴有靜態(tài)偏心故障，重則伴有混合偏心故障。并且轉(zhuǎn)子斷條和偏心故障在定子電流中產(chǎn)生的

3、低頻特征頻率十分接近，難以區(qū)分。對轉(zhuǎn)子斷條、氣隙偏心以及轉(zhuǎn)子斷條與偏心復(fù)合故障進(jìn)行研究和診斷，一方面能夠?qū)γ糠N單一故障進(jìn)行深入分析，明確區(qū)分故障類型，另一方面能夠?qū)?fù)合故障進(jìn)行機(jī)理分析，推導(dǎo)其故障特征頻率，以有效識別單一和復(fù)合故障。
　　轉(zhuǎn)子斷條和偏心故障直接導(dǎo)致氣隙磁場變化，引起定子電流波動(dòng)，在定子電流中會(huì)衍生出附加諧波頻率?；诖?，眾多前人學(xué)者經(jīng)過多年研究實(shí)驗(yàn)總結(jié)了轉(zhuǎn)子斷條和三種偏心故障在定子電流中的故障特征頻率公式。但轉(zhuǎn)子斷

4、條與靜態(tài)偏心復(fù)合故障、轉(zhuǎn)子斷條與混合偏心復(fù)合故障不僅僅是簡單的兩種單一故障特征頻率的疊加。兩種故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，氣隙磁場會(huì)形成一種新的平衡態(tài)，電機(jī)內(nèi)部的磁通分布情況也會(huì)相應(yīng)調(diào)整，畸變的磁場會(huì)在定子電流中感應(yīng)出諧波，復(fù)合故障下需要重新對此諧波進(jìn)行計(jì)算。按照這種思路，本文將籠型異步電動(dòng)機(jī)看作具有相互運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子和定子回路，按電路法則建立了籠型異步電動(dòng)機(jī)的多回路數(shù)學(xué)模型。多回路分析方法的難點(diǎn)是準(zhǔn)確計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電感參數(shù)。本文采用改進(jìn)的繞組函數(shù)法（M

5、odified Winding Function Method，MWFA）計(jì)算電感系數(shù)，結(jié)合多回路模型得到復(fù)合故障下的定子電流特征頻率公式。
　　為進(jìn)一步了解復(fù)合故障下電機(jī)內(nèi)部的磁場變化情況，并驗(yàn)證理論分析結(jié)果，本文基于 Ansoft/Mxawell有限元仿真軟件對籠型異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真建模，在電機(jī)模型本體的基礎(chǔ)上分別加入多種故障，得到電機(jī)在多種故障類型下的磁場變化情況，并獲得了相應(yīng)的仿真電流波形。通過分析仿真定子電流的頻譜，驗(yàn)

6、證了機(jī)理分析結(jié)果。結(jié)合理論推導(dǎo)和仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了籠型異步電動(dòng)機(jī)單一和多故障實(shí)驗(yàn)方法，制作了故障配件，對上述單一和復(fù)合故障進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了理論、仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　故障分析是手段，診斷才是目的。針對籠型異步電動(dòng)機(jī)的多故障診斷問題，本文提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）和離散隱馬爾科夫模型（Discrete Hidden Markov Model，DHMM）相結(jié)合的診斷

7、方法。首先對每種故障類型下的定子電流進(jìn)行EMD分解，選取有效的固有模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）組成特征向量，然后以每種故障類型下的特征向量訓(xùn)練相應(yīng)的 DHMM模型，計(jì)算測試數(shù)據(jù)在每個(gè)DHMM下的最大似然概率值，確定故障類型。
　　本文通過機(jī)理分析、仿真建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和故障診斷對籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條、靜態(tài)偏心、動(dòng)態(tài)偏心、混合偏心四種單一故障類型，轉(zhuǎn)子斷條與靜態(tài)偏心復(fù)合故障、轉(zhuǎn)子斷條與混合偏心