基于虚拟仪器和MCSA技术的电机转子断条故障诊断的研究

曹庆皎　王静爽　王奕卓

摘  要：本设计利用LabVIEW可视化技术，通过ARM芯片STM32103对霍尔传感器采集的数据进行处理，实现了对电机转子断条故障的诊断，开发利用电流频谱诊断分析技术（MCSA），测试电机负载运行时的电流信号，利用傅里叶快速变换分析电流时域信号转换的频谱，以判断电机运行过程中出现的转子断条故障。

关键词：电流频谱分析;故障诊断;虚拟仪器;定子电流

中图分类号：TM307        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）29-0005-03

Abstract： In this design， the data collected by Hall sensor is processed by ARM chip STM32103 by using LabVIEW visualization technology， the broken bar fault diagnosis of motor rotor is realized， and the motor current spectrum analysis （MCSA） is developed. The current signal of the motor load is tested， and the frequency spectrum of the current time domain signal conversion is analyzed by Fourier transform in order to judge the rotor bar breaking fault in the process of motor operation.

Keywords： current spectrum analysis; fault diagnosis; virtual instrument; stator current

交流电机故障监测和诊断的有效方法可以采用定子电流频谱分析法，此法能诊断出静态气隙偏心、交流电机中笼型绕组的断条、动态气隙偏心、机械不平衡等故障。通常交流电机的故障因其设计和运行特点所决定，具体是由于机械和电气两方面原因相互结合引起的。感应电动机由于内部空气间隙狭小，其对磁力不平衡以及磁动势不平衡很敏感。由于交流电机在直接起动时起动电流会较大，所以笼型绕组或阻尼绕组在短时启动过程中会承受较高的机械应力与热应力，进而极易导致笼条以及端环在很高应力作用下因疲劳而断裂。直接起动时的大电流与此同时还会在绕组末端产生大量电能，使绕组末端产生振动与变形，由此导致绝缘材料发生机械损坏与磨损，造成击穿故障。还有，直接起动时的大电流也会致使磁芯产生振动，而机械振动引起的气隙偏心现象会在气隙中产生磁场谐波，最终产生比较大的单边磁力等。通过气隙磁场，在定子电流中反映出笼条断裂、动静气隙偏心等故障症状。所以，在对这些故障进行诊断时，可以采用定子电流检测和频谱分析方法。因此本文主要介绍的内容是电机转子断条的诊断原理和方法。

虚拟仪器是一个基于PC机的硬件平台，用户根据设计要求定义虚拟面板，并编写相应的程序，实现虚拟仪器系统的相应测试功能。将虚拟仪器与电机转子断条故障诊断相结合，充分发挥了“軟件即仪器”的优点，通过在虚拟面板上简单地操作各种控制开关来实现对故障诊断的研究。

1 诊断转子断条的原理

异步电机定子电流频率在理想条件下是50Hz。由于电机结构的特点，转子电路在发生故障时，定子电流谱图中会有一个旁频带，是与电源频率f1相差2sf1。这一现象已被推断和证实。

对p对磁极的异步电动机，当电源频率是f1时，定子电流产生磁势M1，基波磁势为：

根据公式（11）可以观察到磁动势表达式的第一项包含3ωt和3θ两项，这两项将会在三相定子绕组中产生零序电势，但是对电源电流没有影响。第二磁动势分量包含低于电源角频率的分量2sω，即F2=（1-2s）F1的分量，该分量会在异步电机定子绕组中产生一个三相电流分量，而该三相电流分量会比电源电流角频率低，并且非常接近电源电流频率。因此分量调制作用，定子电流将按一定规律发生节拍性的变化。电流周期性脉动的情况会使定子电流表的指针进行摆动，电机的转矩随之发生波动，致使异步电动机的转子转速以两倍的滑差频率进行波动。转速的波动会造成异步电机的电流在以供电频率为中心，在-2sf1—+2sf1之间发生变化，由于电机定子三次谐波磁通调制的原因，电机转速与电机电流两者的波动将更加明显。所以异步电机转子断条的损伤程度会对边频电流幅值和基频电流幅值两者之间的差值大小产生直接影响。

若异步电机的笼型绕组发生断条故障，则在定子电流中产生（1±2s）f1的故障特征分量，即在定子电流基频附近出现频率为±2sf1的侧频。从边缘频率的幅值和边缘频率的幅度与基波电流的幅值之间的差值可推断出断裂笼条的估计数目。以上是诊断异步电动机转子断条故障的理论依据。

2 定子电流检测与诊断

2.1电流检测与诊断

对定子电流进行检测，系统是由传感器、数据采集器、微控制器和诊断软件组成。传感器在现场采集电流信号，经转换后送入微处理器，并在现场进行频谱分析，并记录频谱，通过通讯电路上传上位机，由上位机使用labVIEW软件对电动机进行频谱诊断。

传感器选用霍尔电流传感器，其输出信号是毫伏级的电压信号，需要适当调理后作下一环节的输入。微处理器采用STM32103作为控制器，系统断条诊断所依据的原理是：电机在提供动力的同时，将采集到的定子电流信号经过相应的调理电路处理后，通过光电隔离电路，经由A/D转换后转换为数字量，将得到的数字量送入芯片对信号进行处理，由通讯电路上传给上位机，利用快速FFT变换提取电机相应的电流信号频谱，通过分析电机的频谱来判断电机是否存在断条故障，最终将在人机交互界面上显示结果。

2.2 上位机监控界面的设计

本设计利用串口来进行数据传输，LabVIEW可以通过NI VISA函数来实现串口通信。NI VISA是NI提供的VISA I/O标准。LabVIEW的 VISA模块位于“仪器 I/O →串口”函数选板中[2]。

3 转子断条的频谱图变化

实验一台2对磁极转子51槽的异步电动机，额定转速1430r/min，同步转速为1500r/min，转差率s=0.058，在不同故障状态下，检测定子电流和做频谱分析，测出其基频电流分量和边频电流分量，并将它们之差值与故障程度进行分析比较，研究其变化规律。

电动机在正常满载时，不同状态下的电流频谱图如图1-图3所示。

图1电流谱图是电机满载运行，转子无断条情况下得出的，由此图可知，满载运行时，边频分量极小，它与基频分量的幅值之间电流级差值已高达64dB。图2是电机满载运行，绕组在断条一根时具有的电流频谱图，边缘频率分量增加到71dB，并且边缘频率分量和基频分量之间的差减小到44.5dB。图3是满载运行时两根断条时的电流谱图。边缘频率分量随断条数目的增加而增大，边缘频率分量达到78.5dB，边缘频率分量与基频分量之间的电流差减小到37dB。通过对不同故障条件下电流谱的分析，可知边缘頻率分量随故障程度的加重而增大，基频分量与边缘频率分量的差值随故障程度的加重而减小。根据此规律，可以对异步电动机的笼形绕组进行故障诊断，如正常、高阻、一条断条、两根断条或是多条断条等情况。

4 结束语

本文基于虚拟仪器和MCSA技术的电机转子断条故障诊断的设计，利用labVIEW图形化编程语言设计上位机界面，通过ARM芯片STM32103对霍尔传感器采集的数据进行处理，实现了对电机转子断条故障的诊断，整个系统实现了信号采集、放大、数据存储、通讯、图形显示几个功能，并通过实例验证了系统的正确性。

参考文献：

[1]王新，付子义，郑征.机电设备故障诊断技术及应用[M].煤炭工业出版社，2014.

[2]胡乾苗.LabVIEW虚拟仪器设计与应用[M].清华大学出版社，2016.

[3]武奇生，白璘，惠萌，等. 基于ARM的单片机应用及实践——STM32案例式教学[M].北京：机械工业出版社，2017.