电机故障诊断综合实验讲解

电机故障诊断综合实验
课程名称：电气设备故障诊断技术
实验组员；张笑庆（信电09-8）
丁慧慧（信电09-8）
王喜乐（信电09-8）
朱星奎（信电09-8）
目录
一、实验目的 (3)
二、实验内容 (3)
三、实验原理 (3)
四、实验步骤 (3)
五、数据采集与分析步骤 (4)
六、数据处理 (5)
1、傅里叶变换法 (5)
2、PARK 矢量法 (8)
3、小波变换法 (13)
七、实验总结 (15)
一、实验目的
1、初步了解故障诊断的过程；
2、了解并初步掌握电机转子断条和气隙偏心故障的定子电流频谱分析方法；
3、认识不同的数据处理与故障诊断方法在故障诊断的敏感性和准确性等方面的差异。

二、实验内容
分别采集状态良好的和存在转子断条，气隙偏心，匝间短路故障的三相异步电动机、在不同负载工况下的三相电流数据；然后运用已编制好软件或运用MATLAB自行编程，对测试数据进行频谱分析，根据相应的故障诊断特征频谱分量，判断电机的故障状态。

三、实验原理
当三相电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；当出现气隙偏心故障时，电流频谱中会出现特征分量=f1±mfr，其中fr为转子频率，m为正整数。

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，电流中除了直流分量外还出现了两倍的基频分量。

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。

四、实验步骤
转子断条故障
注意：严格按照实验步骤，同时在调节整定时间时注意安全！
（１）时间继电器的调整。

依据外界环境，调整时间继电器的整定值，环境潮湿：整定值可在１～２分钟范围内；干燥：整定值可调小些，顺时针方向时间整定值增大。

（２）励磁电压的调整。

调节励磁电压旋钮使励磁电压达到180V。

注意：不得高于200V。

（３）启动风机和电动机。

启动风机和电动机前，检查负载控制按钮，使之处于断开状态，然后依次按下启动风机和电动机启控制按钮；整定时间到，电动机自动运行，此时发电机便处于发电状态。

（４）负载控制及信号采集。

1）在空载状况下，记录当前电动机的转速，采集当前电流的波形并保存数据以便分析；
2）按下负载控制按钮Ⅰ，记录当前电动机的转速，采集当前电流的波形，并保存数据以便分析；
3）按下重载控制按钮Ⅱ，记录当前电动机的转速，采集当前电流的波形，并保存数据以便分析；
（５）停机。

停机控制顺序是断开负载，其次是电动机、励磁、最后是风机控制按钮。

（６）更换电动机转子重复上述过程。

五、数据采集与分析步骤
针对状态良好、转子一根断条和转子三根断条的三相异步电动机在满载时的电压信号进行采集和分析研究，实验产生的数据存为后缀为CSV的excel文件，需要用 matlab 软件处理之后，才能画出波形图、频谱图和PARK矢量图，并可以利用小波分形进行谐波含量的研究。

六、数据处理
1、傅里叶变换法
通过用 matlab 软件编程，将采集到的三相电压信号，画出其中一相电压波形图，然后通过傅里叶算法转换到频域上，画出其中一相电压的频谱图，并根据其频谱图中是否含有故障频率分量 fb =（1±2s）f1（其中f1 为电网频率，s 为转差率），通过比较故障特征频率的幅值和基波频率的幅值，来判断电动机故障情况。

【1】程序：
clc;%清空屏幕
clear;%清除工作空间变量
deltat=1/5000;%采样时间
N=20000;%傅里叶分析时的点数
c1=xlsread('haodianji.csv');%读入采样信号（正常状态三相电压）
c2=c1(:,1);%取采样信号的第一列（也就是a相的电压）
plot((1:N)/N,c2(1:N))%画出波形图
axis([0,0.05,-1.5,1.5]);%选定坐标范围
hold%保持窗口
F1=abs(fft(c2));%傅里叶变换
figure(2)%打开一个新窗口
plot((1:N)/(N*deltat),log10(F1(1:N)))%画出频谱图形
axis([0,100,0,5]); %选定坐标范围
【2】以下为得到的波形图和频谱图：
（1）正常状态三相异步电机的波形图
（2）转子一根断条三相异步电动机的波形图
（3）转子三根断条三相异步电动机的波形图
结论：正常状态、转子一根和转子三根断条状态下三相电压波形均为正弦波，几乎没有差别，无法通过其波形判断其故障状态。

（4）正常状态三相异步电机的频谱图
（5）转子一根断条三相异步电动机的频谱图
（6）转子三根断条三相异步电动机的频谱图
结论：通过对正常状态、转子一根和转子三根断条状态下三相电压频谱图的比较，判断在电网频率50Hz左右处是否存在频率特征分量，从而断定电动机是否为故障电机。

其中故障分量的大小和电动机的负载有关，负载越大，定子电流就越大，相应的故障分量就越大。

2、PARK 矢量法
若以 PARK 矢量的两个分量分别作横、纵坐标，随着时间 t 的变化，其轨迹为一个圆，圆心为坐标系原点。

在此理想情况下，PARK 矢量的模为常数（对应于常量或直流）。

实际上，由于制作、安装、材料等方面的原因，正常的异步电动机的 PARK 矢量轨迹也只能接近于圆。

当电动机发生故障时，理想条件被破坏，三相电流不再平衡，同时可能会出现一些谐波或变频分量。

这时Park矢量的轨迹不再是一个圆，可能是椭圆，也可能是不规则的闭合曲线。

具体形状，决定于故障性质及其
严重程度。

可以通过识别 PARK 矢量轨迹“椭圆”的形状，来判断定子绕组匝间短路故障；并且随着故障严重程度的增加，椭圆的“扁平程度”越来越大，而且椭圆主轴方向与故障相线有直接联系（发生同相匝间短路故障时，椭圆主轴方向趋于一致）。

【1】程序：
clc;%清空屏幕
clear;%清除工作空间变量
deltat=1/5000;%采样时间
N=1024;%傅里叶分析时的点数
c1=xlsread('haodianji.csv');%读入采样信号
s1=c1(:,1);%取采样信号的第一列（也就是a相的电流）
s2=c1(:,2);%取采样信号的第二列（也就是b相的电流）
s3=c1(:,3);%取采样信号的第三列（也就是c相的电流）
id=sqrt(6)/3*s1-sqrt(6)/6*s2-sqrt(6)/6*s3;
iq=sqrt(2)/2*s2-sqrt(2)/2*s3;
plot(id,iq)
hold
figure(2)
polar(id,iq)
【2】以下为得到的PARK矢量图：
（1）正常状态三相异步电机的PARK矢量图
极坐标形式
（2）转子一根断条三相异步电动机的PARK矢量图
极坐标形式
（3）转子三根断条三相异步电动机的PARK矢量图
极坐标形式
3、小波变换法
对于小波分析的理解：
有一个信号，它的频率是0-5000Hz，第一次小波分析，可以将信号分成低频段0-2500(5000/2)Hz，高频段2500-5000Hz ；第二次小波分析对第一次分解出的低频段0-2500(5000/2)Hz信号再分解，又可以分解成一个低频段0-1250（2500/2)Hz,还有一个高频段1250-2500Hz；同时第二次小波分析对高频段2500-5000Hz又可以分解成成一个低频段和一个高频段。

一直这么分解下去，最后就可以实现对所有的频率分量的分离，所以小波分析的缺陷是不能精确找出频率的数值，只能给出在哪个区间。

（1）正常状态三相异步电机的小波分析
（2）转子一根断条三相异步电动机的小波分析
（3）转子三根断条三相异步电动机的小波分析
使用小波分形，将波形分为许多频率区间，通过对各个区间波形的比较，定性的观察谐波含量，由此可以判断电动机故障程度。

七、实验总结
本实验为电机故障诊断综合实验，通过这次实验的学习，我们初步了解了故障诊断的过程；初步掌握了对电机转子断条的傅里叶变换分析，得到了转子断条的波形图和频谱图。

也学会了使用小波分形和PARK矢量图对电机故障进行分析，认识不同的数据处理与故障诊断方法在故障诊断的敏感性和准确性等方面的差异。

若已知电机转速为n，根据公式=（1±2ks）*f1，求出断条故障特征频率，可与实测谱线50Hz是的实验值做对比，并计算实验误差。

根据频谱图，可计算断条故障下的特征频率与基频的幅值比，通过比较可知，电机负载越大，断条数量越多，此比值越大。