基于電機(jī)的電流特征分析的轉(zhuǎn)子斷條檢測的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于電機(jī)的電流特征分析的轉(zhuǎn)子斷條檢測。具體而言，提供了一種用于檢測電機(jī)中的轉(zhuǎn)子條故障的方法。該方法包括從電機(jī)獲取表示機(jī)器的操作狀態(tài)的電信號(hào)。來自電信號(hào)的對(duì)稱分量通過對(duì)來自該電信號(hào)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值求平方且對(duì)平方值求和來消除。該方法還包括通過應(yīng)用窗函數(shù)來計(jì)算平方值的加權(quán)表示以消除電信號(hào)中的不連續(xù)的步驟。此外，該方法包括使加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化來獲得頻譜信息的步驟。轉(zhuǎn)子條中的故障通過分析在標(biāo)準(zhǔn)化之后獲得的頻譜信息來檢測。
【專利說明】基于電機(jī)的電流特征分析的轉(zhuǎn)子斷條檢測

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及監(jiān)測電機(jī)領(lǐng)域，并且更具體而言，涉及基于電流特征分析 (current signature analysis)的電機(jī)中的轉(zhuǎn)子斷條（broken rotor bar)檢測。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)電系統(tǒng)廣泛地用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，諸如發(fā)電系統(tǒng)、制造單元、工廠、電子器具、石 油鉆塔等。機(jī)電系統(tǒng)可經(jīng)歷多種故障，諸如驅(qū)動(dòng)系失效、軸承故障、轉(zhuǎn)子斷條等。最重要的 是檢測電機(jī)中的故障來確保由此類故障引起的損失最大程度地最小化。目前使用的用于故 障檢測的不同技術(shù)包括但不限于振動(dòng)和噪聲分析、電磁場監(jiān)測和軸向流測量、溫度測量、紅 外識(shí)別和機(jī)器中電流的頻譜分析。
[0003] 通常，電機(jī)中的故障監(jiān)測已經(jīng)主要使用振動(dòng)信號(hào)來執(zhí)行。已經(jīng)觀察到，轉(zhuǎn)子條中的 機(jī)械故障在徑向轉(zhuǎn)子移動(dòng)中產(chǎn)生振動(dòng)，這又產(chǎn)生轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率下的轉(zhuǎn)矩振蕩。轉(zhuǎn)子機(jī) 械旋轉(zhuǎn)頻率的監(jiān)測和研究可導(dǎo)致檢測與轉(zhuǎn)子條相關(guān)聯(lián)的機(jī)械故障。然而，使用振動(dòng)信號(hào)的 狀態(tài)監(jiān)測具有許多缺點(diǎn)，諸如因外部激勵(lì)運(yùn)動(dòng)而引起的背景噪聲、對(duì)安裝位置的敏感度、測 量設(shè)備的侵入性質(zhì)、和故障操作頻率與機(jī)電機(jī)器操作頻率的接近。
[0004] 其它狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)基于如下觀察結(jié)果，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩振蕩引起待調(diào)相的定子電流， 由此分析定子電流特征，以檢測因故障而引起的機(jī)械擾動(dòng)。此類電流監(jiān)測技術(shù)由于提供顯 著的經(jīng)濟(jì)節(jié)省和簡單的實(shí)施方案而在電機(jī)的機(jī)械故障的檢測中得到了增加的注意。然而， 某些故障電流特性（諸如對(duì)于斷條故障觀察到的特性）通常比采樣定子電流中的主要分量 (諸如，電源基諧波、偏心諧波和槽諧波）更細(xì)微（subtle)。不同于振動(dòng)監(jiān)測（對(duì)于振動(dòng)監(jiān) 測，已根據(jù)長時(shí)間的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)發(fā)展了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），定子電流監(jiān)測中的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)是有限的，且 存在顯著的困難。例如，假如定子電流中的故障特征已經(jīng)很細(xì)微，則故障特征的大小在不同 的應(yīng)用中可變化。此外，在斷條故障檢測的情況下，斷條電流特征的頻率很接近電機(jī)的基本 頻率。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子條有故障時(shí)，前述技術(shù)不一定能夠區(qū)分正常操作特征和故障特征。
[0005] 因此，需要一種用于使用電流特征分析來監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)子條的狀態(tài)的改進(jìn)的方法 和系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于檢測電機(jī)中的斷條故障的方法。該方法包括獲 取表示電機(jī)的操作狀態(tài)的電信號(hào)。該方法還包括通過對(duì)來自電信號(hào)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值 求平方且對(duì)平方值求和來從電信號(hào)消除對(duì)稱分量。電信號(hào)中的不連續(xù)通過將窗函數(shù)應(yīng)用于 平方值來進(jìn)一步消除。窗函數(shù)應(yīng)用于形成電信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以獲得電信號(hào)的加權(quán)表示。此 夕卜，該方法包括使電信號(hào)的加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化來獲得頻譜信息。電機(jī)中的斷條故障通過分析 從電信號(hào)的加權(quán)表示獲得的頻譜信息來檢測。
[0007] 在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于檢測電機(jī)中的斷條故障的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 一個(gè)或更多個(gè)傳感器，傳感器構(gòu)造成用于從電機(jī)獲取電信號(hào)。從電機(jī)獲得的電信號(hào)表不機(jī) 器的操作狀態(tài)。此外，系統(tǒng)包括控制器，控制器包括處理子系統(tǒng)。處理子系統(tǒng)構(gòu)造成通過對(duì) 來自電信號(hào)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值求平方且對(duì)平方值求和來從電信號(hào)消除對(duì)稱分量。處理 子系統(tǒng)還構(gòu)造成通過將窗函數(shù)應(yīng)用于平方值來確定電信號(hào)的加權(quán)表示，以從電信號(hào)消除不 連續(xù)。處理子系統(tǒng)進(jìn)一步使電信號(hào)的加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化，以確定加權(quán)表示中的頻譜信息。處 理子系統(tǒng)還構(gòu)造成基于頻譜信息的分析來檢測電機(jī)中的斷條故障。
[0008] -種用于檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子條中的故障的方法，方法包括：獲取表示電機(jī)的操作狀 態(tài)的電信號(hào)；通過對(duì)來自電信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值求平方且對(duì)平方值求和來從電信號(hào)消除 對(duì)稱分量；通過將窗函數(shù)應(yīng)用于平方值來獲得電信號(hào)的加權(quán)表示，以消除電信號(hào)中的不連 續(xù)；使加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化來獲得頻譜信息；并且分析頻譜信息來檢測轉(zhuǎn)子條中的故障。
[0009] 優(yōu)選地，獲取電信號(hào)包括獲取電機(jī)的各相的電信號(hào)。
[0010] 優(yōu)選地，電信號(hào)包括電流信號(hào)或電壓信號(hào)，或電流和電壓信號(hào)的組合。
[0011] 優(yōu)選地，標(biāo)準(zhǔn)化包括利用快速傅里葉變換、時(shí)間頻率分析和多模式分辨率分析中 的至少一者。
[0012] 優(yōu)選地，消除電機(jī)的電信號(hào)中的不連續(xù)包括通過使各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與窗函數(shù)相乘來計(jì) 算電信號(hào)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的加權(quán)結(jié)果。
[0013] 優(yōu)選地，該方法還包括基于與電機(jī)中的轉(zhuǎn)子條的故障有關(guān)的頻率和與電機(jī)的正常 操作有關(guān)的頻率在電信號(hào)中的接近來選擇窗函數(shù)。
[0014] 優(yōu)選地，窗函數(shù)包括矩形窗、漢寧窗、漢明窗和博曼窗中的至少一者。
[0015] 優(yōu)選地，使加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化來提取頻譜信息還包括提取出現(xiàn)在加權(quán)結(jié)果中的非對(duì) 稱分量。
[0016] 優(yōu)選地，該方法還包括：獲取表示電機(jī)的非故障操作狀態(tài)的第二組電信號(hào)；并且 基于第二組電信號(hào)的振幅平均值來確定電機(jī)的斷條故障操作的閾值。
[0017] 優(yōu)選地，該方法還包括將表不電機(jī)的故障操作的電信號(hào)與閾值比較，以確定電機(jī) 的轉(zhuǎn)子條中的故障。
[0018] 一種用于檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子條中的故障的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：一個(gè)或更多個(gè)傳感器，其 用于獲取表示電機(jī)的操作狀態(tài)的電信號(hào)；控制器，其包括：處理子系統(tǒng)，其構(gòu)造成：通過對(duì) 來自電信號(hào)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值求平方且對(duì)平方值求和來從電信號(hào)消除對(duì)稱分量；通過 將窗函數(shù)應(yīng)用于電信號(hào)上的平方值來消除電信號(hào)中的不連續(xù)，以獲得加權(quán)結(jié)果；使電信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)化來提取頻譜信息；并且基于所提取的頻譜信息的分析來檢測轉(zhuǎn)子條中的一個(gè)或更多 個(gè)故障。
[0019] 優(yōu)選地，一個(gè)或更多個(gè)傳感器構(gòu)造成用于獲取電機(jī)的各相的電信號(hào)。
[0020] 優(yōu)選地，處理子系統(tǒng)進(jìn)一步構(gòu)造成提取在異常操作狀態(tài)期間出現(xiàn)在加權(quán)結(jié)果中的 非對(duì)稱分量。
[0021] 優(yōu)選地，處理子系統(tǒng)進(jìn)一步構(gòu)造成在從電機(jī)上獲得的電信號(hào)上執(zhí)行快速傅里葉變 換、時(shí)間頻率分析和多模式分辨率分析中的至少一者。
[0022] 優(yōu)選地，處理子系統(tǒng)構(gòu)造成將矩形窗、漢寧窗和漢明窗中的至少一者應(yīng)用于從機(jī) 器獲得的電信號(hào)上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 根據(jù)結(jié)合附圖作出的優(yōu)選實(shí)施例的以下更詳細(xì)的描述，本公開的其它特征和優(yōu)點(diǎn) 將是清楚的，附圖作為實(shí)例示出本公開的某些方面的原理。
[0024] 圖1不出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的機(jī)電機(jī)器（EMM); 圖2為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于檢測圖1中所示的EMM中的轉(zhuǎn)子條故障的系統(tǒng)的框圖； 圖3為根據(jù)實(shí)施例的頻域中的從圖1中的EMM獲得的電信號(hào)的示范波形的簡圖；并且 圖4為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的表示在檢測圖1中的EMM中的轉(zhuǎn)子條故障的示范方法中涉及 的步驟的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 現(xiàn)在將在下文中詳細(xì)參照本發(fā)明的示范實(shí)施例，其實(shí)例在附圖中示出。在可能的 任何地方，遍及附圖使用的相同參考標(biāo)號(hào)表示相同或相似部分。
[0026] 在本文中描述了用于機(jī)電機(jī)器（EMM)中的轉(zhuǎn)子斷條故障的高靈敏度檢測的基于 頻譜分析的技術(shù)。該技術(shù)提供以用于基于從EMM接收的電氣特征大小中的可能細(xì)微的變化 來將故障EMM轉(zhuǎn)子條的狀態(tài)與正常或可接受狀態(tài)區(qū)分開。從典型機(jī)電機(jī)器接收到的電信號(hào) 中的主要分量為電源基波和諧波、偏心諧波、槽諧波、飽和諧波、和來自于未知源（包括環(huán) 境噪聲）的其它分量。由于此類主要分量在轉(zhuǎn)子條故障的存在之前和之后存在，故它們攜 帶的信息中的大部分與轉(zhuǎn)子條故障無關(guān)。在此意義上，它們對(duì)于EMM故障檢測問題而言基 本上為"噪聲"。
[0027] 主要分量的頻率通?？蓮碾娫搭l率、轉(zhuǎn)子速度和機(jī)器結(jié)構(gòu)來確定。如果轉(zhuǎn)子條故 障特征被認(rèn)作是信號(hào)且那些主要分量被認(rèn)作是噪聲，則轉(zhuǎn)子條故障檢測問題基本上是低信 噪比問題。此外，由于信號(hào)的頻率不可預(yù)知，故信號(hào)和噪聲趨于具有幾乎相同的頻率。因此， 重要的是除去噪聲分量來發(fā)現(xiàn)故障特征。因此，噪聲分量和正常操作狀態(tài)特征彼此分離，且 然后正常操作狀態(tài)特征由它們的實(shí)時(shí)方式的評(píng)估來取消。通過這樣做，其余分量與轉(zhuǎn)子條 故障更相關(guān)。
[0028] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供以用于系統(tǒng)地且動(dòng)態(tài)地消除多相系統(tǒng)的電信號(hào)的對(duì)稱 或有用分量（諸如，電流、電壓或功率）的影響。此類消除允許由轉(zhuǎn)子斷條或其它轉(zhuǎn)子相關(guān) 故障引起的電信號(hào)的"失真（distortion)"在AC頻譜中突出，且因此使得它們的檢測容易 得多。更具體而言，該方法涉及通過對(duì)多相中的各相的電信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)求平方且對(duì)它們求 和來從電信號(hào)消除對(duì)稱分量。電信號(hào)的瞬時(shí)值的求平方將全部對(duì)稱分量影響"加倍（fold) " 或增加成等同的DC信號(hào)。此外，通過使電信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)與窗函數(shù)相乘來除去來自電信號(hào)的 所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)組的不連續(xù)。然后通過使用分析模式（諸如快速傅里葉變換（FFT))來在頻 域中分析電信號(hào)的所得的加權(quán)表示。因此，通過全部對(duì)稱項(xiàng)的此類消除，異常效果（例如， 轉(zhuǎn)子斷條的存在）在AC頻譜中突現(xiàn)，因?yàn)樗鼈儾槐嘏c有用或?qū)ΨQ的分量競爭。因此，以高 得多的靈敏度水平來分析可僅歸因于異常狀態(tài)的所得的AC頻譜。
[0029] 參看圖1，現(xiàn)有技術(shù)機(jī)電機(jī)器（EMM)。根據(jù)所示的實(shí)施例，EMM 100為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 EMM 100包括轉(zhuǎn)子組件102、定子組件104、主軸106和主軸承108。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器（圖1未示出）可用于響應(yīng)于各種輸入來監(jiān)測和控 制EMM 100的操作。例如，與EMM 100聯(lián)接的控制器可構(gòu)造成基于從傳感器接收的輸入來控 制機(jī)器的操作，傳感器構(gòu)造成獲取與EMM 100的操作狀態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)。根據(jù)某些實(shí)施例，電 信號(hào)傳感器可為用于獲取與EMM 100有關(guān)的電流和電壓數(shù)據(jù)的電流和電壓傳感器。例如， 電流傳感器感測來自EMM的多個(gè)相中的一個(gè)或更多個(gè)的電流數(shù)據(jù)。更具體而言，在EMM包 括3相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的情況下，電流和電壓傳感器感測來自3相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的三個(gè)相的電流 和電壓數(shù)據(jù)。盡管將參照多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來描述本發(fā)明的某些實(shí)施例，但本發(fā)明的其它實(shí) 施例可應(yīng)用于其它多相機(jī)電機(jī)器。
[0031] 本發(fā)明的實(shí)施例描述了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測機(jī)電機(jī)器（諸如EMM 100)中的 斷條故障。構(gòu)造成用于檢測的控制器包括處理子系統(tǒng)，處理子系統(tǒng)用于檢測EMM組件內(nèi)的 各種構(gòu)件（包括轉(zhuǎn)子條）的故障狀態(tài)的存在。與處理子系統(tǒng)可通信地聯(lián)接的控制器將參照 圖2來更詳細(xì)地說明。當(dāng)需要在EMM 100上執(zhí)行斷條分析時(shí)，測量轉(zhuǎn)子斷條對(duì)EMM 100中 流動(dòng)的電流的影響是有用的。EMM 100中斷條的存在導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的減小，因此導(dǎo)致對(duì)EMM 100的其它轉(zhuǎn)子條的依賴增大以提供期望的電流。對(duì)其它轉(zhuǎn)子條的依賴增大導(dǎo)致其它轉(zhuǎn)子 條的退化速率增大，且因此導(dǎo)致對(duì)EMM 100的性能的總體影響。
[0032] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電流和電壓傳感器分別檢測來自EMM 100的定子組件 104的定子電流數(shù)據(jù)。從傳感器獲取的電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)傳遞至控制器，以用于進(jìn)一步的 處理和分析。分析包括執(zhí)行電流特征分析（CSA)來檢測EMM 100內(nèi)的故障。根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例，控制器的處理子系統(tǒng)構(gòu)造成消除電信號(hào)的對(duì)稱或有用的分量的影響，以便僅信號(hào) 中的與故障有關(guān)的不平衡分量將示為AC頻譜中的AC量。具體而言，處理子系統(tǒng)編程為通 過對(duì)用于多個(gè)相中的各個(gè)的電流數(shù)據(jù)瞬時(shí)值求平方且對(duì)平方值求和來除去此類非故障相 關(guān)的對(duì)稱或有用分量。結(jié)果，非故障相關(guān)的對(duì)稱分量轉(zhuǎn)變成DC量，而電流信號(hào)的故障相關(guān) 的非對(duì)稱分量以頻率的兩倍顯示在AC頻譜中。
[0033] 現(xiàn)在參看圖2,示出控制器的詳細(xì)框圖。如參照?qǐng)D1所述，控制器200包括處理子 系統(tǒng)202。處理子系統(tǒng)202連接于傳感器組204,且接收電機(jī)110的各相的電流和電壓數(shù)據(jù)。
[0034] 處理子系統(tǒng)202作用為分離系統(tǒng)，其構(gòu)造成消除從傳感器組204接收的電信號(hào)的 不連續(xù)，且進(jìn)一步系統(tǒng)地且動(dòng)態(tài)地消除多相系統(tǒng)的電信號(hào)的對(duì)稱或有用分量（如電流或電 壓或功率）的影響。此類消除允許由機(jī)器100不對(duì)稱和/或故障引起的電信號(hào)的"失真" 在AC頻譜中突出。換言之，處理子系統(tǒng)202構(gòu)造成將基本頻率分量作為噪聲來處理，且將 其余的頻率分量作為故障相關(guān)的分量來處理。從連續(xù)地獲取的定子電流分量動(dòng)態(tài)地消除噪 聲分量僅產(chǎn)生了故障相關(guān)的分量，該分量是通過機(jī)電故障注入到定子電流中的。例如，處理 子系統(tǒng)202可編程為除去基本頻率周圍的不連續(xù)，且從測得的定子電流數(shù)據(jù)進(jìn)一步除去低 頻諧波（尤其是基本頻率分量）。從測得的定子電流數(shù)據(jù)除去低頻諧波可極大地改善模擬 到數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率和SNR，因?yàn)?0Hz基本頻率在電流信號(hào)的頻譜中具有較大大小。
[0035] 為了提供定子電流中的準(zhǔn)確的噪聲消除，處理子系統(tǒng)202構(gòu)造成動(dòng)態(tài)地消除非故 障相關(guān)的平衡分量，即，定子電流中的噪聲分量。處理子系統(tǒng)202構(gòu)造成根據(jù)等式（1)和 ⑵計(jì)算多個(gè)相中的各個(gè)的電信號(hào)（電流、電壓、功率等）上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值的平方和平 方瞬時(shí)值的和，以便對(duì)稱或平衡（且通常有用的）分量轉(zhuǎn)變成等同的DC量，且任何不平衡 的故障相關(guān)的分量以頻率的兩倍出現(xiàn)在AC頻譜中。
[0036] 1= Ia2+ Ib2+...+ In2 ----(1) V= Va2+ Vb2+…+ Vn2 --(2) 為了動(dòng)態(tài)地進(jìn)一步消除定子電流頻譜中的噪聲分量，處理子系統(tǒng)202構(gòu)造成計(jì)算平方 值的加權(quán)表示。定子電流的加權(quán)表示通過將各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與窗函數(shù)相乘來計(jì)算。
[0037] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，窗函數(shù)作用為濾波器，該濾波器從電信號(hào)過濾與特定頻率有關(guān) 的值。在轉(zhuǎn)子斷條的情況下，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，為了檢測故障，分析接近基本頻率（如， 60Hz)的頻率下的振幅。因此，窗函數(shù)選擇成使得基本頻率附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)得到保持且用于 分析。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，窗函數(shù)為漢寧（Hanning)窗或漢明（Hamming)窗或矩形窗或博曼 (Bohman)窗中的至少一者。在一個(gè)實(shí)施例中，矩形窗用于獲得電信號(hào)的加權(quán)表不。矩形窗 提供以用于低動(dòng)態(tài)范圍，該低動(dòng)態(tài)范圍允許消除從EMM 100獲取的電信號(hào)中的不連續(xù)。
[0038] 處理子系統(tǒng)202進(jìn)一步構(gòu)造成通過根據(jù)等式（3)和（4)在加權(quán)表示上執(zhí)行快速傅 里葉變換（FFT)或時(shí)間頻率分析或多模式分辨率（multimodal resolution analysis)分 析來使電信號(hào)的加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化，以便將電信號(hào)中的非故障相關(guān)分量分解成等同的DC量， 同時(shí)使AC頻譜中的故障相關(guān)分量為頻域內(nèi)的頻率的"X"倍。
[0039] FFT (I) = χ*Π --(3) FFT (V) = x*fV --(4) 其中，x為確定電流和電壓電信號(hào)的頻譜的分布范圍的倍數(shù)。
[0040] 根據(jù)等式3和4達(dá)到的頻譜用于通過處理子系統(tǒng)200來分析EMM 100的健康。根 據(jù)一個(gè)實(shí)施例，除表示電機(jī)組件100的操作的基本頻率的電信號(hào)外的接收器（bin)中的電 信號(hào)的存在被認(rèn)作是EMM 100中的故障的標(biāo)記。
[0041] 在檢測轉(zhuǎn)子條故障時(shí)，處理子系統(tǒng)202還將從傳感器組204獲得的電信號(hào)與對(duì)EMM 100的異常/故障操作限定的閾值比較。具體而言，可計(jì)算閾值，使得落在閾值外的測量頻 率指出退化/異常的轉(zhuǎn)子條狀態(tài)。計(jì)算閾值的一個(gè)途徑可為找出正常狀態(tài)期間電信號(hào)中的 故障測量結(jié)果的最高水平，且將該值設(shè)置為閾值。在另一個(gè)實(shí)施例中，為了確定閾值，由傳 感器獲取EMM 100的基線數(shù)據(jù)?；€數(shù)據(jù)表示沒有機(jī)械故障的EMM 100正常操作。與健康 轉(zhuǎn)子條狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的基線電流數(shù)據(jù)可包括在EMM 100的安裝之后不久獲取的用于多相中 的各個(gè)的一組定子電流數(shù)據(jù)。在實(shí)例中，基線定子電信號(hào)在EMM組件100的初始操作期間 獲取，g卩，EMM組件100在EMM組件100安裝之后第一次運(yùn)行。由此獲取的定子電流數(shù)據(jù)確 保在獲取的電流數(shù)據(jù)中不包括轉(zhuǎn)子斷條相關(guān)的波動(dòng)。處理子系統(tǒng)202從傳感器接收電流和 電壓數(shù)據(jù)，且根據(jù)以下等式（5)和（6)計(jì)算電流和電壓的基線測量結(jié)果， I基線=la-基線2+ lb-基線2+…+ In-基線2 --(5) V基線=Va-基線2+ Vb-基線2+…+Vn-基線2 --(6) 其中，I基線為健康機(jī)器狀態(tài)期間測得的基線定子電流數(shù)據(jù)；la-基線為第一相的基線 定子電流數(shù)據(jù)；lb-基線為第二相的基線定子電流數(shù)據(jù)；In-基線為第η相的基線定子電流 數(shù)據(jù)；V基線為在健康機(jī)器狀態(tài)期間測得的基線定子電壓數(shù)據(jù)；Va-基線為第一相的基線定 子電壓數(shù)據(jù)；Vb-基線為第二相的基線定子電壓數(shù)據(jù)；并且Vn-基線為第η相的基線定子電 壓數(shù)據(jù)。
[0042] 因此，基線電流（I)和電壓（V)數(shù)據(jù)為多個(gè)相中的各個(gè)的電流和電壓信號(hào)的瞬時(shí) 值的平方的和。處理子系統(tǒng)202進(jìn)一步構(gòu)造成根據(jù)等式（3)和（4)在基線定子電流和電壓 值上執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT)，以便將電流信號(hào)（I)中的非故障相關(guān)分量分解成等同的 DC量，同時(shí)使AC頻譜中的故障相關(guān)分量為頻域內(nèi)的頻率的"X"倍。由于在健康狀態(tài)下定子 電流中的全部分量都是噪聲，故在基線測量期間沒有故障信息嵌入AC頻譜中。因此，當(dāng)故 障產(chǎn)生時(shí)，僅噪聲分量以頻率的X倍顯示在AC頻譜中。
[0043] 在理想情形中，假定EMM 100在沒有機(jī)械故障的情況下正常操作，則所得的定子 電流和電壓數(shù)據(jù)將使非故障相關(guān)分量（即，平衡分量）消除，且AC頻譜中沒有故障相關(guān)分 量。所得的定子電流和電壓數(shù)據(jù)將在故障檢測期間形成基線數(shù)據(jù)。處理子系統(tǒng)202可將基 線測量結(jié)果儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，以用于在轉(zhuǎn)子102故障分析和檢測期間使用。
[0044] 在利用組件100檢測故障期間，處理子系統(tǒng)202從傳感器204接收電流和電壓數(shù) 據(jù)。處理子系統(tǒng)202構(gòu)造成通過生成電信號(hào)的加權(quán)表示來消除獲取的數(shù)據(jù)中的不連續(xù)。加 權(quán)表示通過將窗函數(shù)應(yīng)用于獲取的信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來獲得。處理子系統(tǒng)202進(jìn)一步構(gòu)造成根 據(jù)等式（3)和（4)在電信號(hào)的加權(quán)表示上執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT)，以便將加權(quán)電流信 號(hào)（I)中的非故障相關(guān)分量分解成等同的DC量，同時(shí)使AC頻譜中的故障相關(guān)分量為頻域 內(nèi)的頻率的"X"倍。
[0045] 然后，處理子系統(tǒng)202可將電壓和電流的加權(quán)AC量的大小和相與電壓和電流的基 線測量結(jié)果比較?；诒容^，加權(quán)量的與基線測量結(jié)果的任何偏差都可指出EMM組件100 的轉(zhuǎn)子構(gòu)件（諸如轉(zhuǎn)子條）中的故障。比較的結(jié)果可儲(chǔ)存在與處理子系統(tǒng)202相關(guān)聯(lián)的存 儲(chǔ)器中，以用于進(jìn)一步分析，諸如，故障頻率、故障出現(xiàn)時(shí)間、轉(zhuǎn)子條失效頻率等。
[0046] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，定子電流測量結(jié)果的閾值可通過使用等式7從基線數(shù)據(jù)獲得： 閾值=平均值（基線數(shù)據(jù)）+ k*標(biāo)準(zhǔn)偏差（基線數(shù)據(jù)）--（7) 其中，k為基于從EMM 100獲取的電信號(hào)的采樣率而計(jì)算的常數(shù)。
[0047] 頻域中的樣本定子輸出電流的波形在圖3中示出。X軸線302代表以Hz計(jì)的頻 率，且y軸線304代表以dB計(jì)的增益。曲線306代表正常狀態(tài)下的電信號(hào)；而曲線308代 表組件100的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子條已斷裂的故障狀態(tài)下的電信號(hào)。此外，線310指出為了確定 故障狀態(tài)而限定的閾值。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，閾值基于等式11確定。例如，閾值通過基于限 定電信號(hào)的多個(gè)樣本輸入等式11中的k的不同值，直到沿曲線308的特定位置來確定。
[0048] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于雙饋（doubly fed)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其中轉(zhuǎn)子條中的 故障可導(dǎo)致定子電流和電壓中的變化。圖4示出用于確定雙饋感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中的故障 的方法。在402處，方法包括使用一個(gè)或更多個(gè)傳感器獲取電信號(hào)，例如，定子輸出電流信 號(hào)。一個(gè)或更多個(gè)傳感器可為基于狀態(tài)的監(jiān)測（CBM: condition based monitoring)傳感 器。在實(shí)例中，電信號(hào)為與馬達(dá)的操作狀態(tài)（諸如故障操作狀態(tài)）對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)。在步 驟404處，方法還包括通過對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值求平方且然后對(duì)平方值求和來消除電信號(hào)中 的對(duì)稱分量。此外，在步驟406中，通過生成平方值的加權(quán)表示來從電信號(hào)消除不連續(xù)。加 權(quán)表示通過對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)使用窗函數(shù)來生成。根據(jù)一些實(shí)施例，窗函數(shù)可為矩形窗、漢明 窗、漢寧窗或博曼窗中的至少一者。此外，在步驟408處，電信號(hào)的加權(quán)表示基于快速傅里 葉變換、時(shí)間頻率分析或多模式分辨率分析或它們的組合來處理，以提供電信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化 頻譜。在步驟410中，標(biāo)準(zhǔn)化的頻譜信息提供至處理子系統(tǒng)，以用于特征提取和用于執(zhí)行基 于頻譜加強(qiáng)的推定。在步驟410中，當(dāng)電流特征偏離確定的閾值時(shí)，檢測到與轉(zhuǎn)子條相關(guān)的 故障。
[0049] 某些實(shí)施例構(gòu)想出實(shí)施上述功能的任何機(jī)器可讀介質(zhì)上的方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程 序產(chǎn)品。例如，某些實(shí)施例可使用現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)處理器來實(shí)施，或通過出于該目的或另一目 的而并入的專用計(jì)算機(jī)處理器或通過硬連線系統(tǒng)和/或固件系統(tǒng)來實(shí)施。某些實(shí)施例包括 計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)用于攜帶或具有儲(chǔ)存在其上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令或數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)。此類計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可為任何可用的介質(zhì)，其可由通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)或具 有處理器的其它機(jī)器訪問。作為實(shí)例，此類計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可包括RAM、ROM、PROM、EPROM、 EEPROM、閃速存儲(chǔ)器、CD-ROM或其它光盤儲(chǔ)存器、磁盤儲(chǔ)存器或其它磁儲(chǔ)存裝置，或任何其 它介質(zhì)，其可用于攜帶或儲(chǔ)存為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的期望程序代碼，且其 可由通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)或具有處理器的其它機(jī)器來訪問。以上的組合也包括在計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令例如包括可導(dǎo)致通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ?處理機(jī)器執(zhí)行某函數(shù)或函數(shù)群的指令和數(shù)據(jù)。在其它實(shí)施例中，聯(lián)網(wǎng)環(huán)境可用于利用聯(lián)網(wǎng) 計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。這里作為實(shí)例而非限制提出的邏輯連接（諸如局域網(wǎng)（LAN)和廣域網(wǎng) (WAN))可用于建立聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。本公開的實(shí)施例還可在分布式計(jì)算環(huán)境中實(shí)施，其中任務(wù)由 本地處理裝置或通過通信網(wǎng)絡(luò)（通過硬接線鏈接、無線鏈接或通過硬接線鏈接或無線鏈接 的組合）而鏈接的遠(yuǎn)程處理裝置來執(zhí)行。在分布式計(jì)算環(huán)境中，程序模塊可位于本地和遠(yuǎn) 程存儲(chǔ)器儲(chǔ)存裝置中。
[0050] 應(yīng)理解的是，上述說明意圖為示例性而非限制性的。例如，上述實(shí)施例（和/或其 方面）可彼此組合使用。此外，可作出許多改型，以使特定的情形或材料適于本發(fā)明的教導(dǎo) 內(nèi)容，而不脫離其范圍。盡管在本文中所述的尺寸和材料類型意圖限定本發(fā)明的參數(shù)，但它 們決不限制，且為示范實(shí)施例。在回顧以上描述時(shí)，許多其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言將是清楚的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)參照所附權(quán)利要求，連同上述權(quán)利要求享有權(quán)利的 等同物的完整范圍來確定。
[0051] 在所附權(quán)利要求中，用語"包括（including) "和"其中（in which) "用作相應(yīng)的用 語"包括（comprising) "和"其中（wherein) "的普通英語等同詞。此夕卜，在以下權(quán)利要求中， 用語"第一"、"第二"和"第三"等僅用作標(biāo)記，且不意圖在它們的對(duì)象上加以數(shù)字或位置要 求。此外，以下權(quán)利要求的限制未以裝置加功能的格式寫出，且不意圖基于35 U.S.C. §112 第六段來解釋，除非且直到此種權(quán)利要求限制明確地使用短語"裝置"后接沒有更多結(jié)構(gòu)的 功能陳述。
[0052] 如在本文中使用的，以單數(shù)形式敘述且冠有詞語"一個(gè)"或"一種"的元件或步驟應(yīng) 被理解為不排除多個(gè)所述元件或步驟，除非明確地陳述此類排除。此外，提及本發(fā)明的"一 個(gè)實(shí)施例"不意圖解釋為排除也包括所敘述特征的另外的實(shí)施例的存在。此外，除非明確地 相反陳述，則實(shí)施例"包括"、"包含"或"具有"帶特定性質(zhì)的元件或多個(gè)元件可包括不具有 該性質(zhì)的另外的此類元件。
[0053] 由于在用于基于電機(jī)的電流特征分析的轉(zhuǎn)子斷條檢測的上述系統(tǒng)中進(jìn)行而某些 變化，而不脫離在本文中涉及的發(fā)明精神和范圍，故意圖以上描述或在附圖中示出的全部 主題應(yīng)當(dāng)僅解釋為例示本文中的發(fā)明構(gòu)想的實(shí)例，而不應(yīng)被看作是限制本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子條中的故障的方法，所述方法包括： 獲取表示所述電機(jī)的操作狀態(tài)的電信號(hào)； 通過對(duì)來自所述電信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)值求平方且對(duì)平方值求和來從所述電信號(hào)消 除對(duì)稱分量； 通過將窗函數(shù)應(yīng)用于平方值來獲得所述電信號(hào)的加權(quán)表示，以消除所述電信號(hào)中的不 連續(xù)； 使所述加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化來獲得頻譜信息；并且 分析所述頻譜信息來檢測所述轉(zhuǎn)子條中的故障。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獲取所述電信號(hào)包括獲取所述電機(jī)的各 相的電信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電信號(hào)包括電流信號(hào)或電壓信號(hào)，或 電流和電壓信號(hào)的組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，標(biāo)準(zhǔn)化包括利用快速傅里葉變換、時(shí)間頻 率分析和多模式分辨率分析中的至少一者。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，消除所述電機(jī)的電信號(hào)中的不連續(xù)包括 通過使各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與所述窗函數(shù)相乘來計(jì)算所述電信號(hào)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的加權(quán)結(jié)果。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括基于與所述電機(jī)中的所述轉(zhuǎn)子條 的故障有關(guān)的頻率和與所述電機(jī)的正常操作有關(guān)的頻率在所述電信號(hào)中的接近來選擇所 述窗函數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述窗函數(shù)包括矩形窗、漢寧窗、漢明窗 和博曼窗中的至少一者。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使所述加權(quán)表示標(biāo)準(zhǔn)化來提取頻譜信息 還包括提取出現(xiàn)在加權(quán)結(jié)果中的非對(duì)稱分量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括： 獲取表示所述電機(jī)的非故障操作狀態(tài)的第二組電信號(hào)；并且 基于所述第二組電信號(hào)的振幅平均值來確定所述電機(jī)的斷條故障操作的閾值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括將表示所述電機(jī)的故障操作的電 信號(hào)與所述閾值比較，以確定所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子條中的故障。
【文檔編號(hào)】G01R31/34GK104101833SQ201410137562
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月8日
【發(fā)明者】P.內(nèi)蒂, S.格魯比奇, 張品佳 申請(qǐng)人:通用電氣能源能量變換技術(shù)有限公司