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融合TKEO和Goerztel算法的感应电机转子断条故障诊断

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admin 发表于 2024-12-14 03:20 | 查看全部 阅读模式

文档名:融合TKEO和Goerztel算法的感应电机转子断条故障诊断
摘要:针对电机电流信号特征分析进行转子断条故障诊断时,在低负载工况或早期,转子断条故障存在故障特征微弱以及难以分离等问题,同时需借助速度传感器获取转速信息,增加了硬件成本,该文提出了融合Teager-Kaiser能量算子(TKEO)和Goertzel算法的感应电机转子断条故障诊断方法.首先,采用Teager-Kaiser能量算子对定子电流进行解调处理,将基频分量转化为直流分量并去除,实现边带故障特征分量到转子断条故障特征分量以及固有偏心谐波分量到转子速度谐波分量的转变,抑制基频频谱泄露对故障诊断和转速估计造成的干扰;其次,利用Goertzel算法对归一化解调信号进行频谱分析,完成转子断条故障特征分量和转子速度谐波分量的快速提取,进而实现不同负载和不同严重程度工况下转子断条的故障诊断.此外,与归一化频域能量算子进行比较,分析其计算效率和稳定性.实验结果表明,所提方法在不同负载和不同严重程度工况下均能够有效地识别转子断条故障特征分量,并且计算量少、可靠性高、实时性强以及硬件成本低.

Abstract:Asanimportantenergyconversiondevice,inductionmotors(IM)arewidelyusedinelectricvehicles,industrialmachinery,andaerospaceappliances.Althoughbrokenrotorbar(BRB)faultsonlyaccountforabout10%oftotalIMfailures,fault-relatedfeaturesareoftensubmergedwithstrongbackgroundnoise,whichmakesitdifficulttodetectatanearlystage.ComparedtoothersignalsthatindicatetheconditionoftheIM,suchasvoltage,vibration,airgapflux,andacousticemission,thecurrentsignalislow-cost,non-invasive,andsimpletoacquire.However,extractingfaultcomponentsatlow-loadoperatingconditionsischallengingforBRBdetectionusingmotorcurrentsignatureanalysis(MCSA).Furthermore,conventionalapproachesofMCSAfailtoestimatetherotorspeedandcomputeasmallnumberofselectedfrequencycomponents.ThispaperproposesaBRBfaultdiagnosismethodforanIMbasedonTeager-KaiserEnergyOperator(TKEO)demodulationandtheGoertzelalgorithm.Firstly,basedonthesidebandfrequencycomponentscausedbytheBRBfaultandtheinherenteccentricharmoniccomponentinthecurrentsignal,thedemodulationperformanceofTKEOandfrequencydomainenergyoperator(FDEO)areanalyzed.Withthetwodemodulationmethods,thesupplyfrequencycomponentisconvertedintoaDCcomponentandremoved.Meanwhile,themodulationsidebandcomponentsandtheinherenteccentricharmoniccomponentsaretransformedintotheBRBfaultcharacteristicandtherotorspeedharmoniccomponents.Therefore,theinterferencecausedbythespectrumleakageofsupplyfrequencycomponentstothefaultdiagnosisandthespeedestimationissuppressed.Then,toreducethecomputationalcomplexity,theGoertzelalgorithmisusedtocomputeasmallnumberofselectedfrequencycomponentsofthenormalizeddemodulatedsignal.ThefastextractionoftheBRBfaultcharacteristiccomponentandrotorspeedharmoniccomponentisrealized.Finally,thetheoreticalvalueoftheBRBfaultcharacteristiccomponentiscalculatedusingtheestimatedrotorspeedharmoniccomponent.BycomparingthefrequenciesandamplitudesofthedetectionandtheoreticalBRBfaultcharacteristiccomponents,theconclusioncanbedeterminedwhethertheBRBfaultoccurs.TheeffectivenessofthetheoreticalanalysisandtheproposedmethodisvalidatedontheexperimentaldatabaseofWesternParanaStateUniversity.EveniftheseverityoftheBRBfaultisrelativelyhigh,duetothespectrumleakageofthesupplyfrequencycomponent,themotorcurrentsignalcannotdetecttheBRBfaultcharacteristiccomponentunderlightloadconditions.TheperformanceoftheproposedmethodandtheFDEOunderdifferentloadsandseverityconditionsarepresentedintermsoftheirefficiencyandstability.Althoughbothmethodscansuppressthespectrumleakage,comparativeexperimentsdemonstratethattheFDEOmethodcanonlyidentifytheBRBfaultcharacteristiccomponentsunderseveralloadcases,whichissusceptibletonoiseinterference.TheproposedmethodcaneffectivelyrecognizetheBRBfaultcharacteristiccomponentsunderdifferentloadsandseverityconditionswithlesscalculation,highreliability,solidreal-timeperformance,andlowhardwarecost.

作者:王照伟   郭雯君   宋向金   赵文祥 Author:WangZhaowei   GuoWenjun   SongXiangjin   ZhaoWenxiang
作者单位:江苏大学电气信息工程学院镇江212013江苏大学电气信息工程学院镇江212013;南京工程学院电力工程学院南京211167
刊名:电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(12)
分类号:TM307
关键词:转子断条  Goertzel算法  固有偏心  Teager-Kaiser能量算子  归一化频域能量算子  
Keywords:Brokenrotorbar  Goertzelalgorithm  inherenteccentricity  Teager-Kaiserenergyoperator  frequencydomainenergyoperator  
机标分类号:TN911.72TM411+.4TM343
在线出版日期:2024年7月19日
基金项目:国家自然科学基金,国家自然科学基金,江苏省双创博士计划资助项目融合TKEO和Goerztel算法的感应电机转子断条故障诊断[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(12)王照伟  郭雯君  宋向金  赵文祥针对电机电流信号特征分析进行转子断条故障诊断时,在低负载工况或早期,转子断条故障存在故障特征微弱以及难以分离等问题,同时需借助速度传感器获取转速信息,增加了硬件成本,该文提出了融合Teager-Kaiser能量算子(TKEO...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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