[發明專利]一種基于小波包能量分析的電機故障檢測方法及系統

有效

• 申請號: 202110187640.8
• 申請日: 2021-02-18
• 公開（公告）號: CN113009334B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 楊凱;張雅暉;徐百川;鄭逸飛
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01R31/34
• 分類號: G01R31/34;G01R31/52;G01D21/02
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 張英

本發明公開了一種基于小波包能量分析的電機故障檢測方法及系統，其通過實時采集待識別診斷電機在預設時間間隔內的定子電流信號和振動信號，通過小波包能量分析方法對采集的定子電流信號、徑向電磁力信號和不平衡磁拉力信號進行小波包頻帶分解，獲得不同小波包頻帶節點下對應的能量分布，并與正常電機信號所對應的能量分布進行比較，利用各頻段信號能量的變化來診斷電機故障，根據正常信號與故障信號在不同頻段信號能量分布的不同，對能量相差懸殊的頻段，即可確定為故障特征信號所在的頻段位置，進一步對能量異常的信號頻率段進行小波包信號重構，通過傅里葉變換識別故障特征頻率，診斷電機故障是否發生。

技術領域

本發明屬于電機故障識別技術領域，更具體地，涉及一種基于小波包能量 分析的電機故障檢測方法及系統。

背景技術

異步電機是一種交流電機，也稱感應電機，主要作電動機使用。當異步電 機定子繞組通入三相對稱交流電源后，定子繞組中將流過三相對稱電流，氣隙 中將建立基波旋轉磁動勢，從而產生基波旋轉磁場。轉子繞組導體切割旋轉磁 場產生感應電勢，并在轉子繞組中產生相應的電流。轉子電流與氣隙中的旋轉 磁場相互作用產生電磁轉矩，從而驅動轉子旋轉。由電磁轉矩產生原理可知， 當異步電機作電動運行時，其轉速一定低于磁場的同步轉速。

異步電機具有結構簡單、運行可靠、制造容易、價格低廉、堅固耐用，具 有較高工作效率和較好工作特性等顯著優點，被廣泛應用于冶金、煤炭、礦山、 機械和油田等各個工業生產領域，其中，籠型異步電機的數量占整個異步電機 總量的85％左右。轉子斷條、氣隙偏心、定子匝間短路以及軸承故障是籠型異 步電機的常見故障，其中轉子斷條故障是由于轉子導條在電機負載過重或頻繁 啟動、制動時，承受機械應力、電磁應力、離心力、熱應力等交變應力的作用 過大，加之轉子自身存在一些固有缺陷，都有可能導致電機出現斷條和端環開 裂等故障。氣隙偏心故障是由于軸承疲勞、電機制造和安裝誤差以及其他機械 原因引起，在偏心故障中，定子軸、轉子軸以及電機旋轉軸的一致性受到破壞。 靜偏心故障主要是由定子鐵芯內徑的橢圓度偏差或電機裝配不正確造成的，其 偏心位置在空間上是固定的，轉子在旋轉過程中最大氣隙和最小氣隙與轉子位 置無關；動偏心故障主要是由軸承磨損、軸承彎曲、臨界轉速時機械共振以及 較大靜偏心引起的，動偏心的偏心位置與轉子位置有關；混合偏心故障中同時 存在靜偏心和動偏心故障，此時電機的旋轉中心既不在定子的幾何中心，也不 在轉子的幾何中心，而是在混合偏移矢量共同作用下的旋轉中心。定子匝間短 路故障往往是由于絕緣問題引起，繞組絕緣性是各類電機結構中較為薄弱的環節，發生故障的概率極高。雖然輕微的繞組絕緣破損在短期內不會對電機性能 造成較大影響，但繞組長期在較大匝間短路電流作用之下，會造成短路處局部 溫度升高，周圍絕緣被進一步破壞，引發更為嚴重的匝間短路故障。電機作為 系統的重要核心部件，其可靠性將影響整個系統的性能，一旦發生故障，容易 產生鏈式反應，導致整個系統癱瘓，因此對電機初期的故障診斷顯得尤為重要。

在現有的電機故障檢測方法中，電流信號頻譜分析由于獲取方便且含有豐 富的故障信息而被廣泛應用。但在傳統的電流頻譜分析中，故障識別信號單一， 易受基波頻譜泄露和負載波動的影響，故障特征分量不易提取，極易造成誤判， 因此采用多種信號對電機故障進行綜合診斷具有重要意義。此外傳統的信號頻 譜分析方法大多直接采用傅里葉變換，而傅里葉變換只能對某一特定時間段的 信號進行處理，對于時域區間上的非平穩信號、突變信號則無能為力，也不能 對信號在時域以及頻域上進行多個尺度的精細處理，會帶來頻譜能量泄露、柵 欄效應、譜間干擾等影響，顯然對于電機故障特征信號的處理并無優勢。

發明內容

針對現有技術的至少一個缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于小波包 能量分析的電機故障檢測方法及系統，其目的在于解決傅里葉變換不能對電機 故障特征信號同時進行時頻局部化分析的問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于小波包能量分 析的電機故障檢測方法，包括如下步驟：