基于COM组件的电机转子绕组匝间短路故障诊断

韩 明,周国强,王震洲

(河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018)

基于COM组件的电机转子绕组匝间短路故障诊断

韩 明,周国强,王震洲

(河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018)

分析了探测线圈检测电机转子绕组匝间短路故障的机理,应用小波变换算法对所得信号进行特征提取。采用MA TLAB与VC++混合编程,将MA TLAB的M文件直接嵌入VC环境,完全脱离M A TLAB运行。以VC++图形界面作为前台,实现信号采集、系统框架的搭建和界面的绘制;利用COM Builder技术实现MA TLAB与VC++之间的通信;以MA TLAB为后台,进行数据分析和计算,实现电机转子绕组匝间短路故障判断。结果表明系统有良好的实际应用效果。

匝间短路;小波变换;COM组件;故障诊断

转子绕组匝间短路故障是电机的常见故障之一,严重的匝间短路故障将对机组的安全稳定运行构成威胁。笔者在微分探测线圈的基础上,利用小波变换对采集到的信号进行分析,提取电机转子绕组匝间短路故障的特征信号并对其进行分解。在软件上充分融合VC++和MA TLAB的优点,以VC++图形界面作为前台框架,以MA TLAB作为后台,进行数值运算和数据可视化,并最终利用组件对象模型(COM)技术实现电机转子绕组匝间短路故障的诊断。

1 电机转子绕组匝间短路故障检测原理

当转子绕组存在匝间短路时,会引起磁场的不对称,破坏气隙磁场的正常分布,同时故障所在槽漏磁动势谐波也会相应发生变化。利用探测线圈来检测电机转子绕组线圈是否发生匝间短路故障的原理是在定转子气隙中安装微分探测线圈,其电势波形反映了电机气隙磁通密度的变化,即磁通变化引起电机转子各槽之间槽漏磁通在感应线圈中感应的电动势发生变化,分析探测信号的突变点,得到故障位置[1]。

设气隙旋转磁场穿过探测线圈的有效面积为S,则磁通量Φ=B(t)S。当槽漏磁通通过探测线圈后转化为电动势信号,其大小可表示为

笔者以转子有2个极,每极16个槽的电机为研究对象。理想状态下,槽漏磁通在感应线圈中的感应电动势相等。假设不考虑噪声影响,正常运行时的模拟信号为主磁通在感应线圈中感应的电动势与槽漏磁通在感应线圈中感应的电动势之和。根据傅里叶级数可知主磁场和齿谐波基波分量均可表示为正弦,表达式为

正常运行情况下,认为32个槽的齿谐波幅值均相等。当发生匝间短路时,对应槽的安匝数减少使得磁通量减小,感应电动势e相应减小,发生匝间短路的槽的齿谐波幅值也相应减小。当某一个槽发生匝间短路时,槽漏磁通在感应线圈中感应的电动势减小的表达式为

则发生故障时的气隙磁动势表示为

令 A′=1,B′=1,a=0.1,即分解后故障槽所对应的齿谐波幅值减小为原来的90%[2]。

2 故障诊断的系统组成

电机转子绕组匝间短路故障诊断利用探测线圈采集气隙电动势信号,并对信号进行调理后送至信号采集和处理模块进行分析和处理。信号处理算法采用小波变换,通过MA TLAB与VC++混合编程构建算法的分析和计算平台,对信号进行3层小波分解,显示正常信号与故障信号的原始波形和处理之后的波形,通过对比正常信号与故障信号,判断故障点的位置。系统结构框图如图1所示。

图1 故障诊断系统结构框图Fig.1 Block diagram of fault diagnosis system

3 系统关键技术及实现

3.1 小波变换算法

小波变换是一种窗口大小固定但形状可变同时其时间窗和频率窗均可变的时频局部化分析方法。这一方法克服了傅里叶变换不能对信号进行局部化分析的严重缺点,具有很强的局部特征提取功能。小波分析在时域、频域都具有良好的局部化性质,尤其适用于分析奇异信号。

实验所采集的探测信号中的每个峰值表示电机转子的1个槽,对电机的每个槽进行编号,利用小波变换算法对采集的探测信号进行分解。利用小波高频分解系数的模极大值点方法定位故障槽。

图2 小波变换法定位电机转子绕组匝间短路故障算法流程图Fig.2 Wavelet transfo rm location w inding roto r fault algo rithm flow chart

式(6)中二进小波变换W f(s,x)表示信号 f(x)在尺度s下被θs(x)平滑后的一阶导数,则小波变换W f(s,x)的幅值极大点即为检测信号 f(x)的突变点[3]。从电势波形很难发现突变点,但对该电势信号进行小波变换之后很容易发现突变点,进而可以据此判断故障点的位置,算法流程图见图2。

3.2 M ATLAB与VC++混合编程

MA TLAB提供了大量数学函数,但是其程序运行效率低,不能脱离M A TLAB软件环境,程序的通用性和可移植性差。VC具有代码效率高,执行速度快等优点,但是其提供的数学函数相对较少,开发时间长,不适于复杂的数值运算。因此MA TLAB和VC++的混合编程可以充分融合二者的优点,开发出具有良好用户界面、强大数据处理能力的应用软件[4]。

3.2.1 MA TLAB与VC++混合编程方法

1)利用 M A TLAB引擎,以 VC++作为前台,调用MA TLAB引擎后台与MA TLAB服务器建立连接,实现命令和数据信息的传递。

2)利用MA TLAB自带的MCC编译器,在VC中编写程序界面并加载调用M A TLAB的DLL动态链接库,实现两者之间的连接。

3)使用M atcom编译器可以将MA TLAB源代码译成具有同等功能的VC++代码,既保持了MA TLAB的优良算法又提高了执行速度,它还支持一定的图形显示,生成的代码可读性好。

4)利用MATLAB COM Builder。COM Builder可以直接被其他支持COM的VC++语言所引用。

以上4种方法中,第1种方法虽然功能全面,应用程序整体性能好,但不能脱离MA TLAB环境;MCC方法和M atcom方法虽然可以脱离MA TLAB环境,但都不能调用MA TLAB工具箱中的函数;COM Builder可以生成不依赖于M A TLAB环境的独立程序,因此可获得最快的运行速度,不需进行代码转换。鉴于以上分析,笔者利用COM Builder技术实现MA TLAB与VC++的通信[5]。

3.2.2 M A TLAB与VC++通信

图3 MA TLAB与VC++通信框架Fig.3 Communication framework between MA TLAB and VC++

笔者主要介绍如何利用COM Builder技术实现MA TLAB与VC++之间的通信。首先对气隙电动势信号编写小波分解的M函数并将其编译成功;在VC++环境下编写Window s用户界面用以输入可变参数值,并调用COM组件,实现快速计算和参数输入以及波形显示等的可视化界面的功能,实现两者之间的无缝连接。MA TLAB与VC++通信框图见图3。

M A TLAB与VC++之间进行通信经过执行以下2步来完成。

1)在MA TLAB下做COM组件 首先编写系统的.M文件,主要实现匝间短路故障分析。.M文件的函数名称要与主函数名称一致,以保证MA TLAB编译器能够对M文件顺利进行编译并利用.M文件生成COM组件[6]。

2)VC++中调用COM组件 首先运行COM组件的EXE执行文件。将M A TLAB编译环境下的头文件等添加到系统环境变量中,再将组件中的.C和.h文件添加到VC++工程中,即可进行波形的显示及对比,通过对比即可对匝间短路是否发生故障进行判断以及对故障点进行定位。

4 故障波形分析

利用一维连续小波变换进行故障信号特征提取,再根据特征值进行故障的判别。选择Daubechies正交小波来进行故障突变点的分析,同时综合考虑信号分析精度和速度的要求选择3层分解[7],然后分别对高频、低频部分进行单支重构。图4表示的是转子绕组正常和故障时模拟信号的情况。图5和图6中是小波分解及单支重构处理的结果,其中d1,d2,d3是对高频部分进行单支重构的波形图,a3是对低频部分进行单支重构的波形图。利用上述方法对正常运行时的信号以及发生匝间短路故障时的信号进行对比实验,取得了较好的结果。实验结果见图 4、图 5、图 6。

图4 转子绕组正常和故障时的模拟信号Fig.4 Analog signal w hen roto r w indings are no rmal and fault

比较正常信号和故障信号的波形可以看出,其均为光滑的正弦波,故障波形为5号槽发生了匝间短路,但是仅从图4看不出任何故障信息。因此需要把信号在某一小波基上展开,然后分解到不同的频带上来实现。

由图5可以看出正常信号的各细节波形没有出现异常情况。在图6中可以看出d2,d1层出现了明显的极大值,此位置正对应出现故障的第5号槽。由上述分析可见,通过对信号进行小波分析,可以很好地实现对故障的检测和定位。

5 结 论

在分析电机转子绕组匝间短路时的气隙磁场特性以及探测线圈工作原理的基础上,将小波分析算法应用到电机转子绕组匝间短路故障诊断中[8]。通过MA TLAB与VC++混合编程,对算法进行处理和显示。实验结果表明此方法在匝间短路故障中的应用具有可行性和很高的应用价值。

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Fault detection of inter-turn short-circuit in roto r w indings based on COM component

HAN M ing,ZHOU Guo-qiang,WANG Zhen-zhou

(College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)

We analyzed the mechanism of detecting the inter-turn sho rt-circuit in rotor winding fault with detecting coil,and extracts the signal feature w ith wavelet transfo rm algorithm.Hybrid p rogramming of MATLAB and VC++is used,embedding ding M documentof MA TLAB into the VC and making them run normally w ithout MATLAB.The signal collecting,system frame constructing and interface draw ing can be carried out by adop ting VC++graphical interface as the front-stage,w hile using COM builder technology to implement communication between MA TLAB and VC++.With MA TLAB as the back-stage,the inter-turn short-circuit in rotor w indings fault can be judged through the data analysis and calculation.The results show that the system has a good effect in p ractical app lication.

inter-turn sho rt-circuit;wavelet transform;COM component;fault detection

TM 76

A

1008-1542(2011)01-0030-04

2010-09-13;责任编辑:李 穆

韩 明(1984-),男,河北行唐人,硕士研究生,主要从事计算机检测与控制方面的研究。

王震洲博士