基于定子逆序的电机同步速变换故障检测算法

方俊++周伟

摘 要 利用三相改进型相关算法提取定子三相电流的基波信息，结合电机先天不平衡因素对电机故障的影响，电机故障进行检测在噪声和大量谐波同时存在的情况下进行，依据直角坐标系合成矢量幅值，提出电机定子电流负序分量转化为直流分量算法，能得到准确的计算结果。实验结果表明，检测算法切实可行，工程应用时准确、简单可靠，便于硬件实现。

【关键词】定子逆序 故障检测 电机 同步速变换

电机的定子绕组匝间短路故障检测中，得到正交坐标系下的合成矢量，通过均值滤波法滤除基波分量中的正序分量，负序分量转换成直流分量，电流基波分量中正序分量转换成二倍频的交流分量采用逆序同步坐标变换实现，提取出定子电流信号的基波分量，改进相关算法来检测电机定子绕组匝间短路故障的思路，噪声严重影响了定子早期故障诊断结果，针对电流信号中存在大量谐波，采集电机的三相定子电流，利用三相改进型相关算法滤除噪声和高次谐波的影响。

1 异步电机定子匝间故障检测

1.1 三相改进型算法定子匝间故障检测

假设电机三相定子电流信号xA（t）、xB（t）和xC（t）分别为：

公式（1）、公式（2）和公式（3）中，被测三相定子电流信号中的高次谐波及其它噪声合成分量为NA（t）、NB（t）和NC（t），三相基波分量相位信息为φA、φB和φC，三相基波分量幅值信息为IAFM、IBFM和ICFM。

测异步电动机的额定电流IN作为参考信号的有效信息初步选定，基波分量同频的参考信号，构造与被测异步电动机定子电压信号，其具体参考信号为：

1.2 逆序同步速变换定子故障检测应用

直流数据量提取和滤除数字信号处理相对比较容易实现，为故障的检测提供了一种新的思路，提取电机故障时的故障特征分量，电机故障的检测和诊断中引入了逆序同步速坐标转换。有效的减少采用均值滤波算法时带来的误差，采用整周期采样，得到表征定子绕组匝间短路的故障特征分量。本设计算法主要用于检测异步笼型电机的定子绕组匝间短路故障，进行故障分析的数据采集，采用均值滤波方法滤除基波分量中的正序分量，得到变换到逆序坐标系下的特征表达式，提取的基波分量与逆序同步坐标变换矩阵相互运算，改进型相关算法从定子电流检测，同步坐标变换的矩阵表达式如下。

公式（5）中θ为绕组轴线的夹角，定子与直轴分量轴线同步坐标变换时产生。此时，θ=ωt+θ0，其中，供电电源角频率是ω，θ0为t=0时刻初始夹角。电机正常工作时，针对故障特征量的影响，克服了电机本身不对称时灵敏度因子为零的情况，计算得出合成矢量相同。电机匝间短路严重情况出现时，计算灵敏度因子也随着增加，负序电流故障程度增加呈上升趋势，定子电流负序分量所占的比重就越大。所以，故障检测算法能正确反应电机定子绕组的匝间短路严重程度。

2 定子绕组匝间故障诊断实验结果及分析

2.1 实验结果

针对电机正常、六匝短路故障两种情况下进行实验测试，实验测试电机主要参数设置为额定转速1400r/min，额定频率50Hz，额定功率1.1kW，额定电流2.8A，额定电压380V。三相电流无故障基波信号如图1所示，三相电流六匝短路故障基波信号如图2所示。

2.2 实验分析

采用逆序同步坐标变换提取基波信号，电机正常、六匝短路故障情况下，计算灵敏度因子、合成负序分量、交轴负序分量、直轴负序分量、相基波分量的相位和相基波分量的有效值结果如表1所示。

表1采用Matlab构造三相定子电流波形，准确反映出电机故障的那个两个关键数据采样参数，采样频率处于低位时值减少。针对这个问题，采样频率设定为3.2kHz，仿真参数的数据长度给出了故障检测算法解决思路。仿真实验原始数据三相定子电流，验证电机定子绕组发生六匝短路故障时的实验数据。

3 结论

通过仿真实验结果可知，验证均值滤波算法和逆序坐标变换的准确性，采用均值滤波法精确滤除正序分量计算数值，基波分量中的正序分量转化为两倍工频的交流分量，提取基波分量进行逆序同步坐标变换改进型相关算法，电机定子绕组匝间短路故障的严重程度得到了深刻的体现，选取的灵敏因子能够切实可行的实现负载相同情况下灵敏度因子呈上升趋势，定子绕组匝间短路故障程度检测算法可靠性增增加。

参考文献

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作者简介

方俊，男，河南省南阳市人。大学本科学历。初级工程师。现为六安市微特电机有限责任公司技术部副部长。研究方向为机械设计与制造（电动机结构设计、工艺工装、模具设计）。

作者单位

六安市微特电机有限责任公司技术部 安徽省六安市 237000