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感应电机定子绕组匝间短路故障诊断方法研究

作　者: 刘烔
导　师: 黄进
学　校: 浙江大学
专　业: 电气工程
关键词: 感应电机定子绕组匝间短路故障诊断 Hilbert-Huang变换零序电压坐标变换特征阻抗
分类号: TM346
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 3次
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内容摘要

感应电机是工农业生产中广泛应用的驱动设备。随着现代工业系统的飞速发展，电机的单机容量不断增加，所驱动的负载也越来越复杂。电机故障不仅会损坏电机本身，严重时还会使电机突然停机、生产线崩溃，造成巨大的经济损失。统计数据表明，定子绕组匝间短路是感应电机最常见的故障，占其全部故障种类的15％左右。因此，研究定子故障诊断技术以在电机故障早期发现故障并及时进行维修，具有重大的理论意义和社会经济效益。通过理论分析和有限元仿真，对感应电机定子绕组匝间短路故障诊断方法进行了研究。基于零序电压、特征阻抗等对电机定子不对称十分敏感的故障特征量的分析，提出了几种有效的定子故障诊断方法。通过对感应电机断电时定子绕组上的残余电压的分析，指出由于避开了电源的影响，断电后的基波零序电压直接反映了电机定子的对称度，并由此提出了基于断电后基波零序电压的定子故障诊断方法。利用Hilbert-Huang变换分析非平稳信号的优势，对断电后的零序电压进行了经验模态分解(EMD)，提取出基波分量。针对EMD分解存在的端部效应，采用了对信号两端进行镜像延拓的方法，对其进行了有效的抑制。定义基波零序电压与相应的相电压之比为故障特征，有效的排除了断电前负载等级不同造成的影响，具有较高的诊断精度。研究了基于零序电压的定子故障在线诊断方法。对定子绕组匝间短路引起的磁动势的变化进行了分析，指出短路环电流产生的三次谐波磁动势，和正负序电流各自在三相不对称绕组里产生的三次谐波磁动势，是定子绕组里基波零序电压的主要来源。为了分析正负序分量对零序电压的影响，定义了等效电源电压，并利用Hilbert变换的特点，将等效电源电压进行了正负序分离。通过检测电机正常时正负序电压分别与零序电压的关系，以及负载对零序电压的影响，获得一个消除了负序和负载的影响、仅与故障有关的零序电压，并将它定义为故障特征。实现了感应电机定子故障的在线诊断。分析了坐标变换在电机故障诊断中的应用，用正序电压及其Hilbert变换替代同步速坐标变换矩阵里的元素，提出了改进的同步速变换方法。将电流进行坐标变换后可以准确的提取出正负序分量。以此为基础，将特征阻抗和负序电流应用到感应电机定子故障诊断中来。在电源不对称时，采用鲁棒性较强的特征阻抗检测电机故障，电源对称时则采用负序电流作为检测手段。测得正常电机的特征阻抗和负序电流并设定相应的阈值，然后根据实测值与阈值相比较来实现故障的诊断。本文提出的感应电机定子绕组匝间短路故障诊断方法均经过了实验验证，具有较高的工程实用价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-20
  1.1 课题研究的目的和意义  9-11
  1.2 感应电机故障诊断技术研究现状  11-18
    1.2.1 感应电机主要故障类型及原因  11-13
    1.2.2 感应电机定子故障诊断方法评述  13-18
  1.3 论文的主要工作  18-19
  1.4 论文约定  19-20
第二章感应电机定子故障仿真研究  20-36
  2.1 引言  20-21
  2.2 感应电机定子故障仿真分析  21-27
    2.2.1 有限元方法概述  21-22
    2.2.2 Ansoft仿真  22-24
    2.2.3 仿真结果分析  24-27
  2.3 感应电机电磁转矩的小波包分析  27-35
    2.3.1 定子故障在电磁转矩信号中的体现  27-28
    2.3.2 小波分析理论基础  28-31
    2.3.3 电磁转矩的小波包能量特征提取  31-33
    2.3.4 基于小波包能量特征向量的故障诊断算例  33-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章基于断电后残余电压的定子故障诊断方法  36-59
  3.1 引言  36-37
  3.2 断电后残余电压的分析  37-38
  3.3 HILBERT-HUANG变换方法  38-43
    3.3.1 Hilbert变换  38-40
    3.3.2 经验模态分解  40-42
    3.3.3 Hilbert谱  42-43
  3.4 断电后基波零序电压的提取  43-47
    3.4.1 EMD仿真分析  43-45
    3.4.2 抑制端部效应的镜像延拓法  45-47
  3.5 故障特征的定义  47-48
  3.6 诊断实例  48-58
    3.6.1 实验系统  48-50
    3.6.2 实验方法  50-51
    3.6.3 实验结果  51-58
  3.7 本章小结  58-59
第四章基于零序电压的感应电机定子故障在线诊断  59-84
  4.1 引言  59-60
  4.2 定子绕组匝间短路时零序电压的来源分析  60-67
    4.2.1 短路电流产生的零序电压  60-65
    4.2.2 三相不对称产生的零序电压  65-67
  4.3 等效电源电压  67-71
    4.3.1 等效电源电压的定义  67-69
    4.3.2 等效电源电压正负序分量的计算  69-71
  4.4 稳态运行时的定子故障特征  71-75
    4.4.1 故障特征的定义  71-72
    4.4.2 故障特征的求取  72-75
  4.5 诊断实例  75-83
    4.5.1 实验系统  75-76
    4.5.2 算法流程  76-78
    4.5.3 实验结果  78-83
  4.6 本章小结  83-84
第五章基于特征阻抗和负序电流的定子故障诊断  84-103
  5.1 引言  84-85
  5.2 坐标变换及其在电机故障诊断中的应用  85-91
    5.2.1 坐标变换原理  85-86
    5.2.2 Park’s矢量法  86-90
    5.2.3 同步速坐标变换方法  90-91
  5.3 改进的同步速坐标变换以及电压电流的正负序分离  91-93
  5.4 基于特征阻抗和负序电流的定子故障诊断方法  93-95
  5.5 诊断实例  95-102
    5.5.1 实验方法  95-99
    5.5.2 实验结果分析  99-102
  5.6 本章小结  102-103
第六章总结和展望  103-107
  6.1 全文总结  103-104
  6.2 进一步研究工作的展望  104-107
参考文献  107-119
攻读博士学位期间发表论文及获奖情况  119-121
致谢  121

感应电机定子绕组匝间短路故障诊断方法研究

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