本發(fā)明涉及一種電鏟中電氣系統(tǒng)故障診斷，特別是一種基于電網(wǎng)諧波特征的電鏟電氣系統(tǒng)故障診斷方法。
背景技術(shù)：
：礦山電鏟的故障類型主要分為電氣故障和機(jī)械故障，其中電氣系統(tǒng)主要設(shè)備就是異步交流電機(jī)，交流電機(jī)因?yàn)樵谑褂蒙戏浅７奖愣冶阌诰S護(hù)而被廣泛使用，但是由于在運(yùn)行中頻繁啟動(dòng)、受力過(guò)大、溫度過(guò)高或者處于潮濕環(huán)境下等因素的影響，電機(jī)會(huì)漸漸衰弱，丟失原有的功能和性質(zhì)，于是在運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生故障。故障檢測(cè)就是利用檢測(cè)方法，檢測(cè)出能代表故障隱患和起向的數(shù)據(jù)，從中得到預(yù)示信息。通過(guò)分析出現(xiàn)的預(yù)示信息，準(zhǔn)確的判斷出電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障的原因，然后修護(hù)故障部位，繼續(xù)進(jìn)行工藝作業(yè)。否則，當(dāng)出現(xiàn)故障之后如果不能及時(shí)的進(jìn)行檢修時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線癱瘓，造成大量的損失。然而現(xiàn)有的檢測(cè)故障技術(shù)只能檢測(cè)到各種參數(shù)，有時(shí)候這些檢測(cè)出來(lái)的參數(shù)并不能直接地反應(yīng)故障的一次參數(shù)，而是反應(yīng)故障的二次參數(shù)。所以應(yīng)該準(zhǔn)確的了解各種故障形式，積累經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，就能找出有可能的故障原因，然后進(jìn)行排除。電網(wǎng)諧波是電網(wǎng)中存在的除基波電壓、電流以外的高次諧波分量。諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的倍數(shù)。諧波的次數(shù)n就是存在的諧波與基波頻率的比值。電網(wǎng)中諧波的產(chǎn)生就是當(dāng)非線性負(fù)載通過(guò)電流時(shí)，產(chǎn)生的電壓與電阻呈非線性關(guān)系。在故障診斷中諧波特征提取是基礎(chǔ)，諧波特征提取就是提取故障下諧波的個(gè)性特點(diǎn)。諧波特征的提取分為兩個(gè)階段，一是為了區(qū)分故障原因，提取不同故障情形下諧波特征；二是為了找出故障相，提取故障相與非故障相的諧波特征。目前，存在很多基于小波包分析的故障診斷方面的研究成果報(bào)告，詳見(jiàn)下列文獻(xiàn)：[1]王麗娟.基于小波變換及SVM的電機(jī)故障診斷[J].重慶三峽水利電力學(xué)校，2014,49(4)；[2]何建軍.小波變換及其在電機(jī)故障信號(hào)檢測(cè)和分析中的應(yīng)用研究：[博士學(xué)位論文].重慶：重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，1999；[3]田慕玲，王曉玲.電機(jī)故障診斷中的小波分析方法和小波基的選取.煤礦機(jī)械2007,28(5)：176-179；這些文獻(xiàn)都在不同程度上提高了交流電機(jī)故障診斷的可靠性，這些方法的主要思想是利用電機(jī)故障相與非故障相能量比的特點(diǎn)，通過(guò)小波包分解到不同的子頻帶中，然后計(jì)算子頻帶與總頻帶能量比。但是在研究中發(fā)現(xiàn)，這些研究存在以下幾方面問(wèn)題：?jiǎn)栴}一：不能給出出現(xiàn)的故障原因，只能檢測(cè)出此時(shí)存在故障，并不能提示我們出現(xiàn)的故障原因；問(wèn)題二：當(dāng)故障很小或者出現(xiàn)的故障不明顯時(shí)，不能有效地識(shí)別故障特征；問(wèn)題三：過(guò)程復(fù)雜，需要利用小波包分解數(shù)據(jù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種能夠提示出現(xiàn)的故障原因、識(shí)別小范圍的故障、過(guò)程更加方便準(zhǔn)確、針對(duì)大型電鏟電氣系統(tǒng)故障的電氣系統(tǒng)故障診斷的方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于電網(wǎng)諧波特征的電鏟電氣系統(tǒng)故障檢測(cè)方法，首先分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后找出電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障原因：定子相間短路故障、電機(jī)機(jī)體接地對(duì)地短路故障及轉(zhuǎn)子斷條故障；利用Simulink軟件模擬不同的故障，提取諧波特征值，不同的故障具有不同的諧波特征；主要包括以下步驟:A：建立交流異步電機(jī)仿真模型，模擬三種故障，對(duì)三種故障進(jìn)行仿真，根據(jù)FFT分析模塊分析定子電流；B：提取三種故障各自的諧波特征；C：針對(duì)于其中一種故障，分析三相電路中故障相與非故障相的諧波特征，主要步驟如下：C1：定子相間短路故障，在定子兩相之間連接一個(gè)非常小的電阻，阻值應(yīng)低于0.5，此時(shí)，故障相有2個(gè)，分別利用FFT分析模塊檢測(cè)三相電路的諧波含量，找出2個(gè)故障相與非故障相的區(qū)別；C2：電機(jī)接地短路故障，將定子三相中其中一相連接到地中，此時(shí)故障相只有1個(gè)，找出故障相與非故障相的區(qū)別；D：根據(jù)得到的諧波特征，找出判定故障的界限及在不同故障下的取值范圍。上述技術(shù)方案中，步驟A按以下兩步進(jìn)行：A1、分別模擬三種故障進(jìn)行仿真，與正常情況下相比較；A2、驗(yàn)證每一種故障的諧波特征是否正確；對(duì)故障原因的各種表達(dá)形式進(jìn)行仿真，進(jìn)行諧波分析，判斷上述得到的諧波特征是否具有代表性，從而建立故障種類判斷原則。上述技術(shù)方案中，步驟A1中立故障種類判斷原則如下：在電機(jī)正常時(shí)，諧波中只含有5、7次諧波；定子相間短路時(shí)存在3、5次諧波；電機(jī)機(jī)體接地對(duì)地短路故障時(shí)存在3、5、7次諧波；轉(zhuǎn)子斷條時(shí)存在0、3、5、7次諧波；當(dāng)諧波中存在3次諧波時(shí)即可判斷系統(tǒng)出現(xiàn)的故障種類；步驟A2諧波特征的正確性判斷如下：相間短路時(shí)3次諧波與基波的比值大于等于14％；電機(jī)對(duì)地短路時(shí)3次諧波與基波的比值大于等于4％且小于14％；轉(zhuǎn)子斷條時(shí)3次諧波與基波的比值大于0.5％且小于4％，同時(shí)還要滿足0次諧波與基波的比值大于等于1％。上述技術(shù)方案中，B步驟具體如下：找到故障原因后，為了判斷故障相，分別在三相電路中加上電流計(jì)元件，測(cè)得三相的電流，然后進(jìn)行諧波分析。上述技術(shù)方案中，B步驟判斷故障相的原則如下：B1：定子相間短路時(shí)：當(dāng)A、B兩相間短路時(shí)，A、B兩相3次諧波含量很大，幾乎是C相的一倍多；同樣地，當(dāng)A、C相間短路與B、C相間短路時(shí)，也是故障相的3次諧波含量最大；B2：電機(jī)對(duì)地短路故障時(shí)，由3種電機(jī)對(duì)地短路故障時(shí)的諧波特征矩陣，可以看出故障相的3次諧波含量最大。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明是根據(jù)故障找諧波特征，反過(guò)來(lái)，利用諧波特征去判斷故障原因，提高了故障特征的準(zhǔn)確性和有效性。2、本發(fā)明仿真任何條件下的故障，不管出現(xiàn)故障小或者大，都在同一個(gè)諧波特征的取值范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)找不到故障原因的情況。具體原因如下：(1)利用故障最小的情況下諧波特征值作為下限，故障最大的情況下諧波特征值作為上限；(2)檢測(cè)每一種故障原因的三種情形下是否諧波特征都在該取值范圍內(nèi)；(3)檢查是否其他的故障原因出現(xiàn)時(shí)，諧波特征同時(shí)存在該取值范圍內(nèi)。3、找出諧波特征值之后，存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，一旦出現(xiàn)故障，與之進(jìn)行比較就能找到故障原因及故障相。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明基于電網(wǎng)諧波特征的電鏟電氣系統(tǒng)的故障診斷方法的原理圖。圖2是本發(fā)明基于電網(wǎng)諧波特征的電鏟電氣系統(tǒng)的故障診斷方法的流程圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明方法建立的交流異步電機(jī)仿真模型示意圖。圖4是正常設(shè)備下定子電流諧波分析圖。圖5是定子相間短路故障時(shí)定子電流諧波分析圖。圖6是電機(jī)接地故障時(shí)定子電流諧波分析圖。圖7是轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)定子電流諧波分析圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。本發(fā)明基于電網(wǎng)諧波特征的電鏟電氣系統(tǒng)的故障診斷方法，如圖1所示，首先分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，找出電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障原因。電機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，所以電機(jī)中主要故障為定子相間短路故障、電機(jī)機(jī)體接地對(duì)地短路故障及轉(zhuǎn)子斷條故障。不同的故障具有不同的諧波特征，因此，諧波特征可以作為進(jìn)行故障診斷的主要依據(jù)。具體包括如圖2所示的步驟：首先，按圖3所示建立交流異步電機(jī)仿真模型，電源的三個(gè)端口分別接入電橋的三個(gè)端口，經(jīng)過(guò)變頻的作用之后連接二極管，對(duì)電路起到延時(shí)的作用，然后再接入電橋逆變，將電源輸入到異步電機(jī)定子端口中，鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子三個(gè)端口用導(dǎo)線相連，此時(shí)，電機(jī)輸出的參數(shù)選擇定子電流，連接到示波器。通過(guò)模塊powergui中FFT功能，對(duì)定子電流進(jìn)行諧波分析。本實(shí)施例采用的是鼠籠式異步電機(jī)，主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。三相異步電動(dòng)機(jī)的電路部分是由定子繞組組成，定子中包含三相繞組，當(dāng)對(duì)稱的三相電流流經(jīng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。三相繞組之間彼此獨(dú)立又相互連接在一起。一個(gè)繞組即為一相，繞組相位相差120。定子繞組內(nèi)部的連接方式有兩種，一種是星形，另一種是三角形。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組以及轉(zhuǎn)軸組成。供電系統(tǒng)采用三相交流電源，三相交流電源中電壓為400v，在電橋模塊中選擇IGBT/Diodes二極管。交流電機(jī)前一部分電路為變頻器，然后經(jīng)過(guò)二極管起到延時(shí)的作用，IGBT起到逆變的作用。異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)電壓380V，頻率50HZ，定子繞組電阻0.68Ω，漏感0.0042H，轉(zhuǎn)子繞組電阻0.45Ω。在PWM調(diào)制模塊中設(shè)調(diào)制度m為0.95，正弦波頻率為50HZ，載波頻率為1080HZ，取模型算法為ode23t。A1、分別模擬三種故障進(jìn)行仿真，與正常情況下相比較。對(duì)4種情況進(jìn)行諧波分析，得到圖4-7情況的不同顯示。正常時(shí)，諧波中只含有5、7次諧波；相間短路時(shí)存在3、5次諧波；電機(jī)接地故障時(shí)存在3、5、7次諧波；轉(zhuǎn)子斷條時(shí)存在0、3、5、7次諧波。可以得到，當(dāng)諧波中存在3次諧波時(shí)就能判斷系統(tǒng)出現(xiàn)故障了。表1：諧波特征矩陣電機(jī)設(shè)備0次基波3次5次7次正常無(wú)20無(wú)2.15281.0300定子相間短路無(wú)202.95182.5718無(wú)電機(jī)對(duì)地短路無(wú)200.96612.29641.2140轉(zhuǎn)子故障0.4832200.22972.35640.9190表1是4種情況下的諧波特征矩陣表。表1中只給出了每一種故障下的一種故障形式的數(shù)據(jù)，例如，相間短路時(shí)只舉出了A、B兩相短路時(shí)諧波特征。A2、驗(yàn)證每一種故障的諧波特征是否正確。對(duì)故障原因的各種表達(dá)形式進(jìn)行仿真，進(jìn)行諧波分析，判斷上述得到的諧波特征是否具有代表性。表2：對(duì)比諧波特征矩陣故障原因0次基波3次5次7次B,C相間短路無(wú)202.83852.5769無(wú)A,C相間短路無(wú)202.91852.5866無(wú)A相對(duì)地短路無(wú)201.53502.83001.2671B相對(duì)地短路無(wú)202.65241.65211.2475轉(zhuǎn)子b相故障0.2700200.43632.17601.0386轉(zhuǎn)子C相故障0.2150200.61972.54690.9437表2中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了諧波特征的正確性，相間短路時(shí)3次諧波與基波的比值大于等于14％；電機(jī)對(duì)地短路時(shí)3次諧波與基波的比值大于等于4％且小于14％；轉(zhuǎn)子斷條時(shí)3次諧波與基波的比值大于0.5％且小于4％，同時(shí)還要滿足0次諧波與基波的比值大于等于1％。B、找到故障原因后，為了判斷故障相，分別在三相電路中加上電流計(jì)元件，測(cè)得三相的電流，然后進(jìn)行諧波分析。B1、定子相間短路時(shí)，存在3種情況。表3：A、B相間短路三相電流諧波特征矩陣定子電流A相的電流B相的電流C相的電流基波202020203次2.95035.42995.49192.93485次2.57061.87321.36112.6066表4：A、C相間短路三相電流諧波特征矩陣定子電流A相的電流B相的電流C相的電流基波202020203次2.91856.03172.88846.02365次2.58661.24062.56261.7680表5：B、C相間短路三相電流諧波特征定子電流A相的電流B相的電流C相的電流基波202020203次2.83852.83846.05306.06645次2.57692.58172.30201.7491表3-5是定子相間短路三種故障形式的諧波特征矩陣，可以看出，當(dāng)A、B兩相相間短路時(shí)，A相和B相3次諧波含量很大，幾乎是C相的一倍多。同樣地，當(dāng)A、C相間短路或者B、C相間短路時(shí)，也是出現(xiàn)故障的線路3次諧波含量最大。B2、電機(jī)機(jī)體接地對(duì)地短路故障時(shí)，也存在3種情況。表6：A相對(duì)地短路三相電流諧波特征定子電流A相的電流B相的電流C相的電流基波202020203次1.53504.18430.97102.60995次2.83002.78492.34371.67987次1.26711.17951.18451.2514表7:B相對(duì)地短路三相電流諧波特征定子電流A相的電流B相的電流C相的電流基波202020203次2.65242.65244.17801.00895次1.65211.65212.82862.28147次1.24751.24751.16371.2522表8：C相對(duì)地短路三相電流諧波特征定子電流A相的電流B相的電流C相的電流基波202020203次0.96610.96612.61014.14845次2.296402.296401.67462.80067次1.21391.21391.21791.2008表6-8中是3種電機(jī)對(duì)地短路故障時(shí)的諧波特征矩陣，可以看出故障相的3次諧波含量最大。因此，我們能夠得出結(jié)論，出現(xiàn)電機(jī)對(duì)地短路故障時(shí)，3次諧波含量大的就是故障相。當(dāng)我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析之后就可以利用圖2的流程框圖設(shè)計(jì)程序進(jìn)行判斷故障。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明是根據(jù)故障找諧波特征，反過(guò)來(lái)，利用諧波特征去判斷故障原因，提高了故障特征的準(zhǔn)確性和有效性。2、本發(fā)明仿真任何條件下的故障，不管出現(xiàn)故障小或者大，都在同一個(gè)諧波特征的取值范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)找不到故障原因的情況。具體分析如下：(1)利用故障最小的情況下諧波特征值作為下限，故障最大的情況下諧波特征值作為上限；(2)檢測(cè)每一種故障原因的三種情形下是否諧波特征都在該取值范圍內(nèi)；(3)檢查是否其他的故障原因出現(xiàn)時(shí)，諧波特征同時(shí)存在該取值范圍內(nèi)。3、找出諧波特征值之后，存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，一旦出現(xiàn)故障，與之進(jìn)行比較就能找到故障原因及故障相。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3