基于希尔伯特包络分析的船用三速锚机转子故障在线检测方法

秦 焱，彭 镇

(镇江船艇学院，江苏镇江 212003)

0 前言

电动机转子断条故障是指异步电动机转子导条断裂 (端环开裂)故障。异步电动机在拖动机械设备运行过程中，转子导条或绕组受到电磁力、离心力和机械轴上的阻力矩的作用。船舶三速锚机电动机采用鼠笼式异步电动机，锚机电动机工作环境恶劣，在起锚、抛锚过程中由于档位的转换，电动机转子导条和端环不断受到冲击电流和冲击转矩的作用，另外在锚机拔锚出土的过程中，锚机电动机可能堵转，电动机定、转子电流可达额定运行时电流的6～8倍，转子导条发热严重，导条可能断裂，端环可能脱焊。锚机电动机转子故障是电动锚机系统的常见故障之一。锚机电动机一般安装在锚机舱室内，采用传统的定期拆卸维修的方法比较麻烦，也不经济，采用电动机在线监测和故障诊断的方法可以在电动机转子故障早期发现故障，确定恰当的维修时间和维修方案，确保船舶的安全。

电动机常用的转子断条 (端环开裂)故障的检测方法有:电动机定子电流检测方法、电动机磁通检测方法和电动机机械信号 (特别是振动信号)检测方法。其中定子电流比较容易获得，因此基于电动机定子电流的检测方法称为电动机故障的典型检测方法之一。研究表明，异步电动机发生转子断条故障后，在定子电流中将出现 (1±2s)f1频率的附加电流分量 (s为电动机转差率，f1为供电电源频率)，该电流分量可以作为转子断条 (端环断裂)的故障特征分量。

锚机电动机实际运行状况很复杂，在起锚和抛锚过程中锚机电动机的机械负荷是变化的，且负载波动比较大，特别在拔锚出土的过程中，电动机承受冲击性负载的作用，电机定子电流的在线频谱图中除了含有基波f1频率分量之外，还包含以基波频率f1为中心频率的各种调制分量，在故障诊断中这些调制分量可能被错误看成 (1±2s)f1断条故障特征分量，从而造成误判，降低故障诊断的准确性，因此在线故障诊断中，必须考虑电动机负载波动的实际工作状况。

异步电动机转子断条在线检测中，还必须考虑电网的频率波动、电网谐波和由在线采集检测系统引入的“电磁噪声”对电机转子故障诊断的影响。供电电网中的频率波动、谐波和“电磁噪声”在定子电流频谱图中表现为基波的频谱泄漏和谱间干扰增加，基波分量有可能淹没了故障频率分量，严重影响了电机转子故障诊断的准确性。

本文提出了基于带通数字滤波和希尔伯特包络分析的船用锚机电动机转子断条在线检测方法。

1 带通数字滤波

滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过，同时抑制或极大地衰减其它频率成分 (又称此频带为阻带)。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻4种。滤波器传递函数的一般表达式为:

在电动机在线检测信号中，基波信号、故障特征信号、电网谐波信号和在线采集检测系统引入的“电磁噪声”的频率特征是不相同的，谐波信号和“电磁噪声”干扰信号的频率一般大于故障特征信号。故障特征信号的频率和基波信号很接近，以基波频率为中心频率，选择恰当的带宽，带通数字滤波器可以有效滤除电网谐波和“电磁噪声”干扰信号。

2 希尔伯特包络分析

定义希尔伯特模的平方为希尔伯特变换的模量，也称为信号x(t)的包络信号:

在希尔伯特包络频谱中，电流信号中的基波分量转变成直流分量，故障特征分量变成了2sf1、4sf1等分量，其中2sf1分量远大于4sf1分量，2sf1可作为电机转子故障特征量在Hilbert包络频谱中的表现形式，Hilbert包络频谱突出了故障特征分量，增加了电动机转子故障判别的灵敏度，而且，2sf1分量的幅值可以反映异步电动机转子断条故障的严重程度。

3 基于带通数字滤波和希尔伯特包络频谱的检测方法

锚机电动机实际工作的条件比较复杂，存在电网频率波动、负载波动、电网谐波和采集系统引入的“电磁噪声”的干扰，在这些因素的影响下，电动机故障的在线电流信号实际上是一个非平稳信号，电流的幅值、频率甚至相位都是波动的。因此，电动机故障在线检测必须考虑电动机实际运行环境和检测条件。

综合运用多种信号处理技术可以减少电网谐波、频率波动和电动机负载波动等对电动机故障在线检测的干扰，有效提取转子故障特征量。

电动机稳态运行时，电动机的转差率一般为0.5%～7%，电动机转子断条故障后，转差率的改变非常微小，电动机定子电流中转子断条故障特征分量的频率一般限定在40～60 Hz的频率范围内。在电动机的定子电流进行信号频谱分析前，先对电流信号进行带通数字信号滤波，可以有效地消除高次谐波对特征信号产生的干扰。本文采用巴特沃斯3阶带通滤波器，滤波器带通频率范围为40～60 Hz，滤波后，定子电流中的谐波分量和电磁噪声分量被有效地抑制。在实际故障检测中，还可以根据实际电动机的转差率变动范围，更加精确地确定带通滤波器的带宽，可获得更好的滤波效果。相对于FFT频谱分析，Hilbert包络频谱分析对于电流信号中的谐波干扰是鲁棒的，Hilbert包络频谱可以将基波信号转化成直流分量，在频谱图中将出现2sf1、4sf1故障特征分量，同时有效地抑制了谐波分量，使得故障特征分量在频谱图中得以凸显，在频谱图中获得较高的信噪比。

将滤波后的定子电流信号进行Hilbert包络频谱分析，可以从频谱图中识别转子断条故障的特征分量，并判断故障程度和供电电源频率波动的情况。

4 故障诊断实例

某船舶锚机系统采用三速电动机拖动，三速电动机的型号JZ2－H－41－4/8/16;额定电压，380 V;额定频率，50 Hz;额定功率，7.5/7.5/5 kW;额定电流，16.8/17.8/26 A;额定转速，1 400/665/300 r/min;接法，Y/YY/△;工作时间，10/30/5 min;绝缘等级，F级。

故障现象:起锚时，热继电器和过流继电器频繁动作，电动机起锚困难。

诊断方法:鉴于锚机舱空间狭窄且锚机电动机内部带电磁制动器的结构，直接拆卸维修有一定的风险，故采用故障在线诊断的方法。

诊断步骤:

1)排除控制箱可能出现的故障:检查锚机控制箱的线路和热继电器、过流继电器和互感器等元器件的工作状态，未发生异常。

2)排除锚机系统传动机械装置和电动机直流制动盘可能出现的故障:检查锚机系统各部的机械传动装置未发生异常，且锚机在负载较轻的阶段(收起卧于海底的锚链阶段)，锚机系统工作正常，工作电流在额定电流范围内，无明显异常。

3)检查电动机的绝缘:用兆欧表检查电动机各相之间绝缘电阻和各相对地的绝缘电阻，绝缘电阻均在5 MΩ以上。

4)根据上述检查的结果，初步判定是三速锚机电动机内部故障，用电桥精密检测电动机三相定子绕组的电阻，三相定子绕组阻值基本相同且与标准电阻值的误差在5%的范围内，排除电机定子绕组匝间短路、断路和相间短路的故障。

5)初步判定电动机转子存在故障。在线检测锚机电动机工作时的定子三相电流，对三相电流采用上述基于带通数字滤波和希尔伯特包络频谱的检测方法进行检测。由于三相电流基本对称，下面给出一相电流波形的分析结果。

电动机定子电流信号处理波形如图1所示。

图1 滤波前后定子电流的波形及其频谱

图2 电动机定子电流希尔伯特包络频谱图

电动机定子电流的波形表明:

1)三速锚机电动机内部存在转子断条故障。从频谱图中可以看出在4 Hz附近存在故障分量，此时转差率s=0.038。Hilbert包络频谱分析的检测方法中将转子断条故障特征量变为2sf1，频谱图中4 Hz的故障分量正好对应转子断条故障特征量。

2)频谱图中可以看出在4 Hz附近存在故障分量比较明显，说明电动机转子断条的故障比较严重，连续断条的根数在3根左右。

3)从滤波前后的定子电流的频谱图可以看出，采样电流信号的滤波前的频谱中很多谐波引起的小波峰，滤波后谐波在频谱图中的干扰被抑制，突出了基波分量附近的故障特征分量，表明带通数字信号滤波可以有效抑制定子电流中的谐波分量和电磁噪声分量。

4)Hilbert包络频谱中，故障特征量2sf1有两个明显的波峰，表明船舶电网存在频率波动的情况，两个波峰之间的距离反映了频率波动的大致范围，大致在±0.2 Hz左右。

根据在线诊断的结果，锚机电动机转子存在转子断条的故障，且故障比较严重，建议将电动机吊出锚机舱进行拆卸修理。锚机电动机拆卸后，其转子绕组确实存在转子断条的故障，转子断条的根数为4根，其中两根属于连续断条的情况，电动机拆卸修理的结果证明采用基于带通数字滤波和希尔伯特包络频谱分析的在线检测方法可以有效检测电动机转子故障。

5 结论

异步电动机转子断条在线检测中，电动机负载波动、电网的频率波动、谐波和“电磁噪声”等因素对电机转子故障诊断产生了较大的干扰和影响。本文利用数字信号滤波和希尔伯特变换两种信号处理技术的优点和长处，提出了基于数字信号滤波和希尔伯特包络频谱分析的故障诊断方法。仿真和实例表明，该方法不仅可以抑制干扰因素的影响，有效提取转子断条故障特征量并实现故障诊断，而且能够反映频率波动的范围。在船舶电机乃至电气设备的修理过程中，采用传统维修和状态检测相结合的方法，可以比较准确的判断故障性质和范围，降低维修费用，缩短维修时间，减少电动机拆卸维修的次数。

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