基于小波包分析的電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷研究

1.引言

      當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，在其定子電流中將會(huì)出現(xiàn) 和 頻率的附加電流分量（s為轉(zhuǎn)差率， 為供電頻率）。但是 分量的絕對(duì)幅值很小，若直接作傅里葉頻譜分析時(shí)，由于柵欄效應(yīng) 分量的泄漏有可能淹沒(méi) 頻率分量。自適應(yīng)濾波和希爾伯特變換法這兩種方法可以有效的解決檢測(cè) 頻率分量困難的問(wèn)題，是目前最具代表性的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線(xiàn)檢測(cè)方法。但是這兩種方法只適用于電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)平穩(wěn)負(fù)荷的運(yùn)行工況。當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)無(wú)法取得令人滿(mǎn)意的結(jié)果，對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。小波包分析不僅對(duì)信號(hào)的低頻部分進(jìn)行分解，同時(shí)也對(duì)高頻部分進(jìn)行分解，自適應(yīng)的確定信號(hào)在不同頻段的分辨率，在故障診斷中比小波分析更精細(xì)。本文嘗試用小波包分析研究電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷問(wèn)題。 

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

      下面針對(duì)正常、轉(zhuǎn)子斷條的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)電機(jī)的電流信號(hào)進(jìn)行采集和分析研究。三相異步鼠籠電動(dòng)機(jī)額定功率3KW，額定轉(zhuǎn)速1430轉(zhuǎn)/分。

      在轉(zhuǎn)差率s=5.6%，采樣頻率為 =1000Hz，采樣點(diǎn)數(shù) 的情況下采用虛擬儀器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集。圖1為異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)定子電流信號(hào)及其頻譜，圖2為異步電動(dòng)機(jī)鼠籠斷條一根的情況下定子電流信號(hào)及頻譜圖。

      從圖1、2中可知，在相同負(fù)載情況下，很難從頻譜圖上判斷電機(jī)斷條故障特征，僅僅能看見(jiàn)微小的變化。

      從表1中可以看出，故障狀態(tài)和正常狀態(tài)下，數(shù)值沒(méi)有明顯的變化，因此，很難從這些特征參數(shù)提取故障信息。

3.實(shí)驗(yàn)分析

      下面采用小波包變換對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行分析，并在最優(yōu)小波包基下提取各節(jié)點(diǎn)的小波包分解系數(shù)。分析對(duì)比各節(jié)點(diǎn)小波包分解系數(shù)的變化。

      根據(jù)小波包分解頻帶劃分特性，根據(jù)轉(zhuǎn)子故障特征頻率（44.4HZ，55.6HZ）,可將電流信號(hào)進(jìn)行5層小波包分解，小波基函數(shù)選擇sym4。

      在圖3所示的最優(yōu)小波包基下每個(gè)節(jié)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一個(gè)小波包分解系數(shù)，而適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)的小波包分解系數(shù)可以體現(xiàn)信號(hào)的特征。由圖4和圖5可知在不考慮邊緣效應(yīng)的影響下正常信號(hào)和故障信號(hào)的節(jié)點(diǎn)（5,4）、（5,5）及（5,6）的小波包分解系數(shù)存在明顯的差異。據(jù)此可以得出以下結(jié)論：

      （1） 可以根據(jù)小波包分解系數(shù)來(lái)對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單判別。

      （2） 電機(jī)正常時(shí)，節(jié)點(diǎn)（5,4）、（5,5）及（5,6）等小波包分解系數(shù)近似為零，且平穩(wěn)。

      （3） 電機(jī)斷條時(shí)，節(jié)點(diǎn)（5,4）、（5,5）及（5,6）等小波包分解系數(shù)存在著一定的幅度振蕩。
下面對(duì)最優(yōu)小波包基下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，然后根據(jù)重構(gòu)后信號(hào)的波形分析一下正常和故障情況下的區(qū)別。

      從圖6和圖7可知，重構(gòu)信號(hào)在近似部分區(qū)別很小，而在細(xì)節(jié)部分存在著明顯的區(qū)別，特別是在節(jié)點(diǎn)（5,4），（5,6）處的差別最大。從而可以得出一個(gè)結(jié)論：從小波包分解系數(shù)和重構(gòu)波形可以簡(jiǎn)單判斷出電機(jī)是否發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條。

4.結(jié)論

      本文通過(guò)對(duì)電機(jī)正常時(shí)和轉(zhuǎn)子斷條時(shí)的電流信號(hào)的小波包分解，并提取和重構(gòu)各節(jié)點(diǎn)小波包分解系數(shù)，從小波包系數(shù)的變化可以判斷出電機(jī)是否發(fā)生故障。