基于数据综合采集系统的电机故障诊断实验平台设计与实现

曹海洋，徐兴华，朱启伟，王 亮

(1. 中国矿业大学信电学院，徐州 2210062；2. 江苏省工程实验中心，徐州 221008）

前言

异步电机因为具有较高的性价比及良好的环境适应性等特点，在现代工业领域得到了广泛的应用，异步电机的运行状况将会直接影响到工业生产的正常进行。由于异步电机运行工况复杂，影响因素众多，一旦电机发生严重故障，将导致整个工业生产的中断。对异步电机的常见故障进行分析及诊断可以有效地降低故障率，减少突发事故造成的损失和维修成本。因此，需要对异步电机进行状态监测及故障诊断。

目前的电机故障诊断过程中，往往只是对电机运行状态中的一种或几种数据进行多层次、多角度的分析和观察，从中提取有关电机行为的特征，而后通过这些行为特征来对电机的典型故障进行分类识别，这样，对电机故障的有效诊断带来了一定的局限性，例如：仅利用电机单相电流进行频谱分析的方法对电机故障进行诊断，在一定情况下能对电机故障进行诊断，但是当电机发生严重不对称故障，就不能对电机故障做出准确有效的判断，但如果能将电机定子电流信息综合起来考虑，借助计算机的分析功能，就能对电机定子铁心的状态做出更为准确的判断[1-2]。基于多数据综合采集系统的异步电动机故障诊断实验平台的建立，可以为电机故障的诊断提供有效帮助，并且有助于学生综合了解和分析电机的故障诊断。

1 综合实验平台设计

1.1 诊断基本原理

当三相电动机出现转子断条故障时，电流频谱中会出现特征分量 (1 ± 2ks)f1，通常k=1时的特征最为明显；当三相电动机出现定子匝间短路故障时，通过对三相定子电流运用Park矢量模平方函数进行变换，得

式（1）为电流派克矢量的模平方函数，对Park矢量的模进行频谱分析，电流中除了直流分量外还出现了两倍的基频分量2ω1；电机稳态运行时，转速相对稳定，故障特征频率也相对稳定。因此，可根据频谱分析结果判断电机有无对应故障[4-7]。

1.2 实验平台设计

异步电动机故障诊断实验平台主要包括电源控制系统、数据采集系统、PC主机等几个子系统。可以对在线运行异步电动机进行状态监测和故障诊断。其原理框图如图1所示。

图1 电机故障诊断实验平台原理图

1.2.1 电源和负载系统设计

电源进线为三相四线制，用万能开关控制进线电源。电动机、直流励磁全部采用继电器开关触点进行控制。为了防止电机受潮后引起绝缘下降造成电气事故，做一开关闭锁使风机通电延迟一定时间后才能启动异步电机[3]。模仿发电机发电过程，用故障电机作为原动机，拖动发电机发电，用两组相互并联的大功率白炽灯，作为发电机的可变负载，通过改变接通的白炽灯的组数，来改变电机的负载大小。

1.2.2 故障电机设计

模仿电机故障所用电机包括：一组状态良好的电机，一组气隙偏向心故障电机，一组2根断条故障电机和一组5根断条故障电机。通过更换不同的电机来模仿电机的不同故障。模仿绕组匝间短路故障时，通过控制开关，选择适当阻值的电阻，连接到状态良好的电机的两个绕组之间。

1.2.3 数据综合采集系统

对于异步电动机故障诊断系统来说，数据采集是至关重要的一个环节。数据采集系统的硬件主要包括传感器、数据采集卡和PC机。传感器用于获取信号，主要包括电压、电流传感器、转速传感器，利用多组传感器将各种采集到的信号采集输入到采集卡中。数据采集卡实现信号的传输，将传感器获得的信号传到PC机，本系统中数据采集卡采用USB2080型数据采集卡。

USB2080型数据采集卡是一种基于USB总线的数据采集卡，可直接和计算机的USB接口相连，构成数据采集、波形分析和处理系统。PC主机的主要作用包括两方面，一是为硬件电路提供驱动程序；二是接受和保存数据采集卡传送的传感器的信号数据并对其做相应的分析和处理。

2 综合实验设计

2.1 转子断条与气隙偏心故障

依据外界环境，调整时间继电器的整定值，设定合理的延时时间，调节励磁电压旋钮使励磁电压达到合理值，应使其不要超过要求的最大值。检查负载控制按钮，使之处于断开状态，然后依次按下启动发电机和电动机控制按钮，电动机自动运行，此时发电机便处于发电状态。在空载条件下和不同的负载情况下记录当前电机的转速，通过数据采集系统采集当前电流的波形并保存数据以便分析。按照先断开负载，其次依次断开电动机、励磁，最后是风机控制按钮的顺序停机。更换电动机转子重复上述过程。

2.2 定子绕组匝间短路故障

调节励磁电压控制按钮，调节电的励磁电压，检查负载控制按钮，使之处于断开状态，然后按下启动电动机控制按钮，再调节励磁电压旋钮，使发电机输出电压为额定电压。选择适当阻值的电阻模拟匝间短路故障，然后按下故障模拟控制按钮，使得模拟故障发生，采集在空载和不同负载下的电流波形并保存数据以便分析。按照上述停机顺序停机，改变电阻值，重复上述过程。

3 实验结果分析

以分析电机的断条故障为例，首先运用Park矢量变换的方法，对三相电流信号进行融合，然后对融合的电流信号进行小波分析，由于在Park矢量的融合电流信号中，原来的断条特征频率(1±2ks)f1被转化为2ksf1，距离基频f1比较远，这为基于“频带”的小波分析方法提供了可能[8-11]。

在图2、图3中，电机没有发生断条故障时，其低频带信号基本上是一条直线，而当电机发生断条故障时，即在图4和图5中，电机的低频带信号呈现出一定周期性的变化规律，这种呈周期性变化规律的低频带信号实际上就是断条故障特征频率的时域波形。从实验所得的结果可以看出，基于Park矢量变化的融合电流小波分析方法能比较准确地提取到断条故 障信号，另外该方法对于负载频繁变化的情况也具有良好的适用性，有效地克服了传统的基于单一因素诊断电机故障的缺点。

图2 良好电机空载运行时DB5小波分解结果

图3 良好电机满载运行时DB5小波分解结果

异步电动机故障诊断实验平台的设计系统中，采用了综合数据采集系统，实现了对异步电机各种数据的综合采集，利用计算机辅助分析功能，可以有效地对电机的故障做出分析，帮助有效地建立电机故障数据库，使得电机故障在线诊断和检测的实现成为可能。另外异步电动机故障诊断实验平台的建立，为本科学生综合分析电机故障提供了条件，提高了学生综合分析问题和独立解决问题的能力，为研究生开展课题研究提供了很好的实验平台。

图4 2根断条故障电机满载运行时DB5小波分解结果

图5 5根断条故障电机满载运行时DB5小波分解结果

图4 极化曲线测试后的点腐蚀扫描电镜照片

3 结论

通过在人工海水中水轮机常用金属材料的电化学测试结果和腐蚀形貌可以看出，常规的碳钢材料在海水介质中自腐蚀电位较低，且钝化区间很窄，耐腐蚀性不好，不应被用于水轮发电机组的海水过流部件。奥氏体不锈钢0Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti自腐蚀电位较高，钝化区间宽，钝化膜击破电位Epit较高，具有非常好的耐腐蚀性。而水轮机过流部件常用马氏体不锈钢ZG00Cr13Ni4Mo虽然具有明显的钝化区间，但是自腐蚀电位和钝化膜击穿电位较低，耐腐蚀性一般，在今后海洋能发电设备中的应用应慎重选择，并配合有效的防腐蚀措施。

[1]Wilson E M. Tidal power reviewed[J]. Water Power&Dam Consturcture, 1983, 35(9): 13.

[2]李书恒, 郭伟, 朱大奎. 潮汐发电技术的现状与前景[J]. 海洋科学, 2006, 30(12): 82-86.

[3]武全萍, 王桂娟. 世界海洋发电状况探析[J]. 浙江电力, 2002(5): 65-67.

[4]戴庆忠. 潮汐发电的发展和潮汐电站用水轮发电机组[J]. 东方电气评论, 2007, 21(4): 14-24.

[5]魏宝明. 金属腐蚀理论及其应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 1996:28.

[6]王淑霞, 贾伟, 王玉麟. 氮对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢机械性能的影响[J]. 特殊钢, 2011, 22(5),23-25.