论文总字数：28075字

摘 要

16011526 欧阳宇宏

指导教师： 张建忠

异步电机因其结构简单、价格低廉等特点在工业生产中得到了广泛的应用，是工业系统中极其重要的环节之一。异步电机一旦发生故障，不仅会损坏电机的本体，还会给电力生产带来负面影响，严重时甚至会导致人员伤亡和财产损失，引发重大安全事故。因此，保障异步电机的安全运行，及早地对电机故障进行监测与诊断就显得十分必要。

转子断条故障，是异步电机故障当中比较常见的故障类型。目前为止，对异步电机转子断条的研究主要针对工频供电条件下，对变频器控制下的异步电机转子断条研究还有所欠缺。本文将兼顾以上两种情况，利用SIMULINK平台分别建立工频电源供电下以及变频器控制下的异步电机转子断条故障模型。

本文以异步电机定子电流作为转子断条故障信号，基于傅里叶变换和基于希尔伯特变换这两种信号分析方法，通过MATLAB/SIMULINK平台进行仿真，并从故障信号中提取出故障分量，从而对两种模型下的异步电机转子断条故障进行诊断。最后通过分析对比，验证方法在不同情况之下的适用性与优越性。

关键词：异步电机；转子断条；变频器；傅里叶变换；希尔伯特变换

Abstract

As one of the essential parts of the industrial system, induction motor has been widely used in industrial production, due to its simple structure and low price. However, the induction motor failure can not only damage the body of the motor, but also have a negative impact on electricity production, even lead to casualties and property losses caused by major accidents. For the sake of the safety and stability of asynchronous motors, it is of great importance to monitor and diagnose the induction motor failure as early as possible.

As we know, broken rotor bar fault is a common type of fault among a series of asynchronous motor failure. So far, the study of induction motor broken rotor bars mainly consists of those under power frequency supply, while there are few studies of the induction motor rotor bars breaking under inverter control. So this article will take the both two cases into account, and use SIMULINK platform to establish the model of broken bars failure in induction motor under both power frequency supply and inverter control.

The asynchronous motor stator current is used as the signal of a broken rotor bar fault in the paper, which is based on two signal analysis method including the Fourier transform and Hilbert transform. Under the simulation by MATLAB / SIMULINK platform, the fault component will be extracted from the fault signal. Then the induction motor broken bar fault can be diagnosed with the base of the two models, so that we can draw a conclusion of which method is better and more appropriate under different situation.

Key words: Induction motor；Broken rotor bar；Inverter；Fourier transform；Hilbert transform

目 录

第1章 绪论 1

1.1异步电机转子断条的背景及意义 1

1.2异步电机主要故障类型 1

1.3断条故障检测的研究现状 2

1.4异步电机转子故障诊断方法存在的问题 3

1.5论文的主要工作及内容安排 4

第2章 异步电机转子断条的故障原因及机理分析 5

2.1异步电机转子断条故障原因分析 5

2.2异步电机转子断条故障特征机理分析 5

第3章 故障信号处理方法的研究 8

3.1傅里叶变换 8

3.1.1傅里叶变换的定义及故障诊断原理 8

3.1.2傅里叶变换的MATLAB实现 8

3.2Hilbert变换 9

3.2.1Hilbert变换的定义及故障诊断原理 9

3.2.2Hilbert变换的MATLAB实现 10

第4章 异步电机转子断条故障的仿真研究 12

4.1工频电源供电下异步电机转子断条仿真模型的建立 12

4.2基于工频电源供电下转子断条模型定子电流信号分析方法的仿真验证 13

4.2.1基于傅里叶变换的信号分析方法在工频电源供电下转子断条模型的仿真验证 13

4.2.2 基于Hilbert变换的信号分析方法在工频电源供电下转子断条模型的仿真验证 16

4.3非理想电源供电下异步电机转子断条故障仿真 17

4.4恒压频比变频调速系统控制下异步电机转子断条仿真模型的建立 20

4.4.1恒压频比控制方式的原理 20

4.4.2恒压频比控制下异步电机转子断条的建模过程 20

4.5基于恒压频比控制下转子断条模型定子电流信号分析方法的仿真验证 24

4.5.1 基于傅里叶变换的信号分析方法在恒压频比控制下转子断条模型的仿真验证 24

4.5.2 基于Hilbert变换的信号分析方法在恒压频比控制下转子断条模型的仿真验证 27

第5章 结论与展望 30

5.1 总结 30

5.2展望 30

致谢 31

参考文献 32

第1章 绪论

1.1异步电机转子断条的背景及意义

随着工业的不断发展，异步电机在许多领域得到了广泛的使用，不仅因为异步电机结构简单且坚固耐用、价格相对较低、使用较为简单，还因为它能够较好地适应环境。伴随着科学技术的不断发展以及工业化程度的提高，各个生产部门中电机数量以及单机容量也在不断增加。其中在电力系统发电厂中，除了少数几套同步发电机外，其余的动力装置大多是由异步电动机组成的。在各个工业的生产中，比如化工、采矿以及新兴电子产业中，大约有90%的动力来源是由异步电动机提供的^[1]。

因此，我们不难看出，异步电机的正常运行对于保证生产系统工程中高效、安全和低耗都有着十分重大的意义。当异步电机发生故障时，轻微时会损坏电机本身，严重时还会带来人员伤亡和财产损失等附加伤害。因此对异步电机故障检测的要求也在不断地提高。因为人们可以通过检测并分析电机常见的故障，尽早发现故障的存在并能根据故障的情况采取进一步措施，从而有效防止故障的进一步恶化，减少经济损失。不仅如此，检测电机故障还能为电机的检修创造出良好的条件，并为产品的设计者提供了经验，从而对电机性能以及可靠性的改进起到促进的作用。正因如此，确定异步电机发生故障的位置并做出相应的补救措施是非常重要的。值得注意的，异步电机故障中转子断条的比例比较大，大约占所有故障的10%^[2,3]。因此，异步电机转子断条故障的检测长期以来一直是电机各种故障检测的主要内容之一。

1.2异步电机主要故障类型

异步电机是由定子、转子、气隙以及轴承等组成的。大体上看，其结构十分简单，但是却有复杂的物理演变历程。电动机由于受到供电电源、运转机制、负载性质和安装环境等因素的影响，很容易出现某处或某些部件的性能恶化，其中较为常见的主要由定子绕组匝间短路、转子导条和端环断裂以及气隙偏心等等^[4,5]。

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