基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统的制作方法

本实用新型涉及电气设备监测诊断领域，尤其涉及一种基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统。

背景技术：

随着现代工业技术的发展和设备制造水平的提高，生产系统中采用的电机数量不断增加，单机容量也不断提高。鼠笼式异步电机作为设备的主要传动元件和执行元件，其正常运行对保证生产制造过程的安全、高效、优质及低耗运行意义十分重大，其故障不仅会损坏电机本身，而且会影响整个生产系统，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

对生产系统中重要的异步电机进行状态监测及诊断，可以有效地降低电机故障率，减少突发事故造成的停产损失，降低维修成本，防止对人员和设备的安全隐患，并为实现状态检修创造条件：也可为电机设计和制造者提供经验和数据积累，并提供改进电机性能及可靠性的重要信息。因此分析异步电机在故障情况下的行为特征并作出诊断，对保证生产系统安全可靠运行、有针对性地减少电机故障率都是十分必要的。

目前，大多异步电机的保护功能主要是由继电保护系统实现，其在电机控制回路接入CT和/或PT检测电机负载电压、电流值，通过4～20mA的模拟量信号接入PLC控制器等控制系统，控制系统对电机负载电压、电流的有效值进行趋势分析，该方式采集的信号为有效值信号，对于频谱分析而言不适用。因此往往当电机继电保护系统动作时故障已经发生，这是因为传统的电机保护没有预防故障和早期发现故障的功能。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统，本系统克服传统电机保护的缺陷，实时采集电机负载电压、电流、振动以及温度信号，通过频谱分析，实现电机典型电气、机械故障的趋势和定位诊断分析，并进行在线实时预警，有效减少电机故障率，确保生产系统的安全正常运行。

为解决上述技术问题，本实用新型基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统包括电机控制回路、电机控制器、连接电机控制回路的电压互感器和电流互感器，还包括振动传感器、温度传感器、电气信号采集模块、振动信号采集模块、温度信号采集模块和监测诊断分析模块，所述振动传感器设于电机轴承端并且输出信号传输至所述振动信号采集模块，所述温度传感器设于电机轴承端和绕组端并且输出信号传输至所述温度信号采集模块，所述电压互感器和电流互感器输出信号传输至所述电气信号采集模块，所述电气信号采集模块、振动信号采集模块、温度信号采集模块和电机控制器与监测诊断分析模块之间通过网络通讯连接。

进一步，本系统还包括移动智能终端，所述移动智能终端与监测诊断分析模块之间通过无线网络通讯连接。

进一步，所述振动信号采集模块内置高通滤波回路、带通滤波回路和振动阈值报警单元，所述振动传感器传输的信号经所述高通滤波回路和带通滤波回路传输至监测诊断分析模块，当所述振动传感器传输的信号大于振动阈值时，所述振动阈值报警单元输出报警信号。

进一步，所述温度传感器是PT100铂热电阻，所述电机控制器是可编程逻辑控制器。

进一步，所述监测诊断分析模块包括频谱分析单元，所述频谱分析单元对电流互感器采集的电流信号和振动传感器采集的振动信号进行傅里叶变换，提取电流信号和振动信号的基频和倍频信息，对故障频率特征进行搜索，作出电机故障识别。

由于本实用新型基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统采用了上述技术方案，即本系统包括电机控制回路、电机控制器、连接电机控制回路的电压互感器和电流互感器，振动传感器设于电机轴承端并且输出信号传输至振动信号采集模块，温度传感器设于电机轴承端和绕组端并且输出信号传输至温度信号采集模块，电压互感器和电流互感器输出信号传输至电气信号采集模块，电气信号采集模块、振动信号采集模块、温度信号采集模块和电机控制器与监测诊断分析模块之间通过网络通讯连接。本系统克服传统电机保护的缺陷，实时采集电机负载电压、电流、振动以及温度信号，通过频谱分析，实现电机典型电气、机械故障的趋势和定位诊断分析，并进行在线实时预警，有效减少电机故障率，确保生产系统的安全正常运行。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为本实用新型基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本实用新型基于频谱分析的交流异步电机在线监测诊断系统包括电机控制回路T、电机控制器U4、连接电机控制回路T的电压互感器PT和电流互感器CT，还包括振动传感器2、温度传感器3、电气信号采集模块U1、振动信号采集模块U2、温度信号采集模块U3和监测诊断分析模块U5，所述振动传感器2设于电机1轴承端并且输出信号传输至所述振动信号采集模块U2，所述温度传感器3设于电机1轴承端和绕组端并且输出信号传输至所述温度信号采集模块U3，所述电压互感器PT和电流互感器CT输出信号传输至所述电气信号采集模块U1，所述电气信号采集模块U1、振动信号采集模块U2、温度信号采集模块U3和电机控制器U4与监测诊断分析模块U5之间通过网络通讯连接。

优选的，本系统还包括移动智能终端U6，所述移动智能终端U6与监测诊断分析模块U5之间通过无线网络通讯连接。移动智能终端可以是智能手机、PAD等设备，利用移动互联技术，实现智能移动应用APP、完成设备点检、异常状态报警、诊断结果移动端显示和查阅等功能。

优选的，所述振动信号采集模块U2内置高通滤波回路、带通滤波回路和振动阈值报警单元，所述振动传感器2传输的信号经所述高通滤波回路和带通滤波回路传输至监测诊断分析模块U5，当所述振动传感器2传输的信号大于振动阈值时，所述振动阈值报警单元输出报警信号。

优选的，所述温度传感器3是PT100铂热电阻，所述电机控制器U4是可编程逻辑控制器。

优选的，所述监测诊断分析模块U5包括频谱分析单元，所述频谱分析单元对电流互感器CT采集的电流信号和振动传感器2采集的振动信号进行傅里叶变换，提取电流信号和振动信号的基频和倍频信息，对故障频率特征进行搜索，作出电机1故障识别。

本系统中电气信号采集模块具有0～5A的三相电流信号接口、电压信号接口、数字量输入和输出信号接口以及通信接口，鉴于辊道电机由于变工况运行时转速不稳定、负荷变化等状况而产生非平稳信号, 对于非平稳信号，难点在于用小波分析的方法进行特征的提取，对产生的信号进行监测和分析，并将分析后的结果进行传输，因此，电气信号采集模块要求响应快、稳定性好，其用于电机控制电压、三相电流等信号的采集，同时通过以太网实现与监测诊断分析模块的通讯连接，进行电机编码信号传输，将电压和电流信号波形与电机编码信号进行匹配，并对采集的信号进行处理、特征提取，将信息处理结果通过以太网实现与监测诊断分析系统间的信息传递；

振动信号采集模块具有0～5V振动信号接口、输出信号接口、4～20mA模拟量输出和通信接口，根据异步电机运行工况和振动主频点的不同，内置高通滤波回路和带通滤波回路，对采集的信号进行监测和分析，并将分析后的数据通过以太网进行传输，因此，该模块要求响应快、稳定性好，同时实现本地振动阈值的报警；

温度信号采集模块具有PT100铂热电阻信号输入接口以及通信接口，其主要用于电机轴承温度和绕组温度信号的采集，同时，通过以太网与监测诊断分析模块进行通讯连接，传输温度信号实时值；

电机控制器一般采用可编程逻辑控制器，根据工艺要求实现对电机的自动控制，主要有启、停逻辑和工艺量的控制，通过数据接口，将相关工艺量信息传输到监测诊断分析模块，用于采集数据的处理和设备状态的诊断分析；

监测诊断分析模块是基于频谱分析的状态诊断核心模块，其对电机电流信号、振动信号经过精确的傅里叶变换计算，提取基频和倍频信息，进行故障特征频率搜索，根据故障特征进行电机故障识别。

通过本系统对电机异常进行分析诊断：

1）绕组异常诊断

A．三次谐波电流的不对称

电机故障情况下绕组中形成的短路环导致三次谐波发生局部补偿，致使故障绕组中三次谐波减小，随着故障的发展，三相电流的不对称程度加剧，气隙中三次谐波的合成磁通量增加，导致非故障绕组中三次谐波电流增加，通过对电机电流的频谱分析，获得电机绕组的故障趋势和状态；

B．绕组温度异常

电机定子绕组温度客观反映电机运行状态，根据电机绝缘等级，确认电机绕组温升阈值，通过对电机绕组温度的采集进行诊断，连续超出温升阈值，提供报警；

2）三相不平衡诊断

式中：ΔI为电机三相电流偏差值，Imax为电机三相电流最大值，Imin为电机三相电流最小值，Iavg为电机三相电流平均值；

当电机三相电流偏差值超过阈值时，对电机三相电流不平衡异常进行报警；

3）电机鼠笼转子断条诊断

通过电流互感器采集电机定子电流信号, 电流信号经滤波后采用数字信号处理技术经傅里叶变换后作为特征信号，如果存在转子断条故障, 电机定子电流中将出现频率的附加分量(侧带波)，从而作出转子断条诊断；

4）电机负载异常/卡阻诊断

负载异常/卡阻故障属于机械类故障的晚期表现，具体可体现在轴承出现异常，转动困难；当出现润滑不良/卡阻堵转故障时，电机电流有效值会出现明显变化，同时频谱谐波也发生明显变化，据此作出负载异常/卡阻诊断；

5）松动/不对中故障诊断

松动/不对中故障会破坏电机相电流的对称性，影响定子绕组电压和并联支路电流分配的均匀性，并导致附加谐波的出现，而且谐波幅度相对于基波不均匀地增加，同时差动杂散感抗和输入阻抗增加，松动/不对中故障多体现为电机/负载不对中，当出现松动/不对中故障时，电流总谐波变大，且电流频谱中会出现转频相关的特征频率分量;

6）电机轴承振动异常诊断

正常状态下，轴承故障频率不存在于振动频谱中，当轴承出现故障时，才会出现该频率成分；轴承故障频率都是转速频率的非整数倍频，速度频谱中除了非整数倍频之外，有时还会出现其谐波成分；滚动轴承由内圈、外圈、保持架和滚动体四部分组成，当任何一个部件出现缺陷时，轴承座振动速度频谱都会表现出不同的信号特征；在已知滚动轴承的几何尺寸、滚动体数目和转速的基础上，可以计算出轴承的一系列故障频率，利用这些故障频率可以分别检测轴承内圈、外圈、保持架和滚动体本身的故障；

由局部缺陷引起的冲击振动间隔频率计算公式如下：

内圈故障频率 ： ；

外圈故障频率 ： ；

滚动体故障频率： ；

保持架与外圈摩擦故障频率 ：；

式中， 为电机轴的转速，为滚动体直径，为滚动体中心直径， 为接触角，该接触角指接触面中心与滚动体中心连线和轴承径向平面之间的夹角，为滚动体数。

通过对振动传感器采集的振动信号进行频谱分析，即可获得电机轴承的故障趋势。

本系统通过采集电机负载运行时的电流、电压、振动和温度信号，通过分析频谱、谐波、电气参数等特征，并与电机工艺参数结合，通过统一的工具和分析诊断平台，实现电机典型电气、机械故障等问题进行趋势和定位诊断分析，同时实现在线实时预警。

本系统特别适用于重要的高压异步电机以及现场高温、高湿等恶劣环境的场合，可有效把握异步电机设备状态，降低点检负荷，为预知性维修提供指导。

本系统应用范围广，特别适用于冶金行业，如炼铁、炼钢等区域的异步电机，电机负载相对稳定的工况条件以及现场高温、高湿等恶劣环境的场合。通过故障诊断有效减少电机故障率，确保生产系统的安全正常运行。