一種用於識別電機中的故障的方法
2023-10-08 10:26:29
一種用於識別電機中的故障的方法
【專利摘要】為了識別電機中的故障，在定子30的多個徑向上測量振動。基于振動測量，確定振動頻率和該頻率處的振動的模態振型。振動在振動頻率和模態振型方面的特性用於識別電機的故障情況。
【專利說明】—種用於識別電機中的故障的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於識別電機中的故障的方法和系統。
【背景技術】
[0002]像任何科技設備那樣，電機可能遇到機械或電子性質的各種故障。由於電機具有轉子形式的移動元件，最通常的故障情況大多會導致機器的振動。已知的是，不同的故障情況導致不同類型的振動。因此，通過了解某些故障情況導致了哪種類型的振動，可以通過監測機器的振動特性來檢測故障。
[0003]振動監測傳統地用於檢測電機中的機械故障。該監測方法例如在檢測軸承故障時是成功的。然而，目前仍不能通過振動監測的方法滿意地檢測電子故障，即使已經對於此研究方向進行了嘗試。例如，來自Finley, W.R.et al.1999 (Dl)的會議論文「An analyticalapproach to solving motor vibration problems」公開了表格(表 I),其具有用於識別感應電機中的機械和電子故障的指標。主要故障指標是振動的頻率及其邊帶。其需要大量的經驗解釋來在Dl的幫助下確定振動的根本來源，並且不能滿意地區分不同的故障情況。
【發明內容】
[0004]本發明的ー個目標是提供能夠改進地識別電機中的故障的方法。
[0005]本發明的進ー步目標是提供能夠改進地識別電機中的故障的監測系統。
[0006]這些目標通過根據所附權利要求1的方法和根據所附權利要求12的設備來實現。
[0007]本發明基於特定頻率的振動的模態振型是許多故障情況的重要指標。在現有技術中，特定振動的模態振型還沒有被考慮作為故障指標。例如，利用Dl的圖15中公開的測量設置，甚至不能確定不同振動頻率的模態振型。
[0008]根據本發明的第一方面，提供ー種用於識別具有轉子和定子的電機中的故障的方法。該方法包括以下步驟:在定子的第一徑向上進行第一振動測量；在定子的第二徑向上進行第二振動測量；基於第一振動測量和第二振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率；基於第一振動測量和第二振動測量來確定第一振動頻率的振動的模態振型；以及使用第一振動頻率和模態振型的組合來識別電機的故障情況。
[0009]通過使用第一振動頻率和模態振型的組合作為故障指標，實現了對故障情況的更可靠的識別。
[0010]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:在定子的至少三個不同徑向上，諸如在定子的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上進行多次振動測量；基於多次振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率；以及基於多次振動測量來確定第一振動頻率的振動的模態振型。在定子的不同徑向上進行越多的測量，可以檢測的模態數越高，檢測的可靠性越好。
[0011]根據本發明的一個實施例，當在第一振動頻率處的振幅超過預定閾值時，識別故障情況。確定振幅的閾值是合理的，這是因為非常小的振幅的振動對機器沒有害處，並且由此可以避免錯誤的故障情況振動。
[0012]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:利用機器的第一負載和第二負載進行振動測量；在第一振動頻率處利用第一負載和第二負載來確定振幅的差異；以及使用第一振動頻率、模態振型和振幅的差異的組合來識別電機的故障情況。通過使用振幅的差異作為另外的故障指標，能夠進行進ー步的故障情況之間的區分，並且實現故障情況的更可靠的識別。
[0013]根據本發明的一個實施例，故障情況是以下中之一:斷裂的轉子條、動態偏心、靜態偏心、匝間短路、線圈間短路。本方法特別適用於識別所列出的故障情況，因為可以找到振動特性和故障情況之間的清楚關聯。
[0014]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基於第一振動頻率f?和模態振型m滿足以下條件中之一來確定轉子條斷裂:f=n ? fr或f=n ? f；±2 ? s ? fs和m=n,其中n=(l,3, 5,-), f；=電機的旋轉頻率，S=轉子轉差率，以及fs=電源頻率。已經發現所述條件是針對斷裂轉子條的可靠故障指標。
[0015]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基於第一振動頻率f?和模態振型m滿足以下條件中之一來確定轉子動態偏心:f=2 ? fr和m=2 ；f=2 ? fs-fr和m=2 ? p -1 ;f=2 ? fs+fr和m=2 ? p+1,其中，f=電機的旋轉頻率，fs=電源頻率，以及P=定子極對數。已經發現所述條件是針對轉子動態偏心的可靠故障指標。
[0016]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基於第一振動頻率f?和模態振型m滿足以下條件中之一來確定轉子靜態偏心:f=2 *fs和m=2 *p+l或m=2 *p -1,其中fs=電源頻率以及P=定子極對數。已經發現所述條件是針對轉子靜態偏心的可靠故障指標。
[0017]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:基於第一振動頻率f?和模態振型m滿足以下條件中之一來確定定子線圈具有匝間短路或線圈間短路:f=2 ? k ? fs和m= (2，4，6，…)，其中k=(l，2，3，…)，以及fs=電源頻率。已經發現所述條件是針對匝間短路或線圈間短路的可靠故障指標。
[0018]根據本發明的一個實施例，該方法包括以下步驟:利用機器的第一負載和第二負載進行振動測量，第一負載小於第二負載；在第一振動頻率處利用第一負載和第二負載來確定振幅的差異；以及基於以下來確定定子線圈具有匝間短路:振幅隨著負載增大而增大，以及振幅的増大超過預定閾值。已經發現振幅隨著負載增大而增大是用於區分匝間短路和線圈間短路的可靠故障指標。
[0019]根據本發明的一個實施例，電機是感應電機。本方法特別適用於識別感應電機中的故障情況，其中，可以找到振動特性和故障情況之間的清楚關聯。
[0020]根據本發明的第二方面，提供ー種用於識別具有轉子和定子的電機中的故障的監測系統。該監測系統包括:第一傳感器，被配置為在定子的第一徑向上測量振動；第二傳感器，被配置為在定子的第二徑向上測量振動。處理器接收來自第一傳感器和第二傳感器的測量信號。處理器包括第一算法，用於從測量信號檢測第一振動頻率和第一振動頻率的振動的模態振型。處理器還包括第二算法，用於從第一振動頻率和模態振型的組合識別電機的故障情況。利用能夠使用第一振動頻率和模態振型的組合作為故障指標的監測系統，實現了故障情況的更可靠的識別。
[0021]根據本發明的一個實施例，監測系統包括多個傳感器，該多個傳感器被配置為在定子的至少三個徑向上，諸如在定子的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上測量振動，以及處理器接收來自多個傳感器的測量信號。在定子的不同徑向處的多次測量允許以較好可靠性檢測高模態數。
[0022]根據本發明的一個實施例，傳感器是加速度計。加速度計是優選的振動傳感器，因為其尺寸小，價格低。
[0023]根據本發明的一個實施例，提供ー種包括根據上述的監測系統的感應電機。【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]將參考附圖更詳細地說明本發明，其中:
[0025]圖1示出根據本發明實施例的物理安裝，
[0026]圖2示出振動的第一四種模態振型，以及
[0027]圖3示出列出特定振動特性和特定故障情況之間的關聯的表。
【具體實施方式】
[0028]參考圖1，示出了用於測量電機中的振動的測量設備10。八個加速度計20均勻地圍繞定子30的圓周分布。大量的加速度計20能夠檢測高數量的模態，因而，加速度計20越多，測量設備10的故障識別能力越好。然而，由於我們主要對低數量的模態(I至4)感興趣，因而八個或甚至更少的加速度計20應該是足夠的。加速度計20通過測量電纜40連接至放大器50，並且進一步連接至A/D轉換器60。加速度計20給出時間空間上的振動信息，即作為時間函數的加速度。另外，每個加速度計20的角位置是已知的。測量結果最終以數字形式存儲在計算機存儲器70中來用於進一歩處理。
`[0029]處理器80接收並處理來自計算機存儲器70的測量結果。處理器80包括第一算法90，用於從測量信號檢測第一振動頻率和第一振動頻率的振動的模態振型。第一算法90包括以下更詳細描述的二維傅立葉變換。處理器80進ー步包括第二算法100，用於從第一振動頻率和模態振型的組合識別電機的故障情況。
[0030]關於(由傳感器位置限定的)位置和關於時間的二維傅立葉變換被應用至測量結
果，以得出振動的模態振型和頻率。傅立葉變換的等式可以被寫成:
[0031]
【權利要求】
1.ー種用於識別具有轉子和定子(30)的電機中的故障的方法，該方法包括以下步驟: -在所述定子(30)的第一徑向上進行第一振動測量； -在所述定子(30)的第二徑向上進行第二振動測量； -基於所述第一振動測量和所述第二振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率； -基於所述第一振動測量和所述第二振動測量來確定所述第一振動頻率的振動的模態振型；以及 -使用所述第一振動頻率和所述模態振型的組合來識別所述電機的故障情況。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步驟: -在所述定子(30)的至少三個不同徑向上，諸如在所述定子(30)的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上進行多次振動測量； -基於所述多次振動測量中至少之ー來確定第一振動頻率；以及 -基於所述多次振動測量來確定所述第一振動頻率的振動的模態振型。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，當在所述第一振動頻率處的振幅超過預定閾值時，識別故障情況。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -利用機器的 第一負載和第二負載進行振動測量； -在所述第一振動頻率處利用第一負載和第二負載來確定振幅的差異；以及-使用所述第一振動頻率、所述模態振型和所述振幅的差異的組合來識別電機的故障情況。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述故障情況是以下中之一:斷裂的轉子條、動態偏心、靜態偏心、匝間短路、線圈間短路。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基於所述第一振動頻率f和所述模態振型m滿足以下條件中之一來確定轉子條斷裂:f=n ? fr或f=n ? fr±2 ? s ? fs和m=n,其中n=(l, 3，5，…),fr=電機的旋轉頻率，S=轉子轉差率，以及fs=電源頻率。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基於所述第一振動頻率f和所述模態振型m滿足以下條件中之一來確定轉子動態偏心:f=2 ? fr 和 m=2 ば=2 ? fs-fr 和 m=2 ? p -1 ば=2 ? fs+fr 和 m=2 ? p+1，其中，fr=電機的旋轉頻率，fs=電源頻率，以及P=定子極對數。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基於所述第一振動頻率f和所述模態振型m滿足以下條件中之一來確定轉子靜態偏心:f=2 ? fs和m=2 ? p+1或m=2 ? p -1,其中fs=電源頻率以及P=定子極對數。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -基於所述第一振動頻率f和所述模態振型m滿足以下條件中之一來確定定子線圈具有匝間短路或線圈間短路:f=2 *k*fs和m=(2，4，6，…)，其中k=(l,2, 3，--?)，以及fs=電源頻率。
10.根據權利要求9所述的方法，其中該方法包括以下步驟: -利用機器的第一負載和第二負載進行振動測量，所述第一負載小於所述第二負載； -在所述第一振動頻率處利用所述第一負載和所述第二負載來確定振幅的差異；以及-基於以下來確定定子線圈具有匝間短路:振幅隨著負載增大而増大，以及振幅的增大超過預定閾值。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述電機是感應電機。
12.ー種用於識別具有轉子和定子(30)的電機中的故障的監測系統，該監測系統包括: 第一傳感器，被配置為在所述定子(30)的第一徑向上測量振動； 第二傳感器，被配置為在所述定子(30)的第二徑向上測量振動； 處理器(80)，接收來自所述第一傳感器和所述第二傳感器的測量信號，所述處理器(80)包括第一算法(90)，用於從所述測量信號檢測第一振動頻率和所述第一振動頻率的振動的模態振型，所述處理器(80)還包括第二算法(100)，用於從所述第一振動頻率和所述模態振型的組合識別電機的故障情況。
13.根據權利要求12所述的監測系統，其中所述監測系統包括多個傳感器，該多個傳感器被配置為在所述定子(30)的至少三個徑向上，諸如在所述定子(30)的至少四個、至少六個或至少八個不同徑向上測量振動，以及所述處理器(80)接收來自所述多個傳感器的測量信號。
14.根據權利要求12或13所述的監測系統，其中所述傳感器是加速度計(20)。
15.ー種包括根據權利要求12至14中任一項所述的監測系統的感應電機。
【文檔編號】G01H1/00GK103608652SQ201280030679
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月28日 優先權日:2011年6月29日
【發明者】P·羅德裡格斯 申請人:Abb研究公司