LabVIEW开发感应电机在线匝间短路故障诊断系统

LabVIEW开发感应电机在线匝间短路故障诊断系统

工业中使用的超过85%的电动机是三相感应电动机。它们因其可靠性、设计便利性、高性能和过载能力而被广泛用于不同的应用，例如制造、加工、电力系统、运输等。无论它们的能力如何，它们都被认为是现代工业学科中的关键推动者，在这些工业学科中，不间断的功能依赖于这些原动机的条件。然而，通常在恶劣的机械和电气操作条件下工作，这使得它们容易受到许多定子和/或转子故障的影响。

电机故障的最常见原因是定子绕组的故障发生。事实上，这种类型的故障占感应电机故障的20%至40%。对于高压电机，该比率可以达到66%。定子故障的主要原因之一是发生具有关键和危险影响的匝间短路故障。通常，匝间短路故障始于两匝之间不明显的电接触，这是由于热，电气，机械和环境应力的组合导致绝缘的局部退化。这会在受伤的匝数中引起高电流，导致该区域（热点）的温度显着升高，从而迅速产生额外的绝缘故障，从而导致定子绕组完全失效。匝间短路故障的演变与不同的参数有关，从几秒钟到几天不等。如果不在适当的时间采取措施，这种故障可能会对电机本身以及相关设备造成严重损坏。这可能导致工业过程意外关闭，造成相当大的经济损失。为避免此类问题，应采用可靠的状态监测方法。通常，状态监测功能包括强大的故障检测算法，允许在完全故障之前快速检测系统性能的所有缺陷或任何不良变化。

检测匝间短路故障是一项非常艰巨的任务，因为检测此类故障仅在其发生的最初阶段才有意义。此外，当一相中只有很少的匝数短路时，电气保护系统无法做出反应，因为相电流只发生很小的变化。

由于其相对较高的成本和/或复杂性，现有技术在工业环境中的应用并未得到推广，而不会忽视其部署需要高技术能力的事实。对于匝间短路故障诊断，在线监测系统需要达到非常高的灵敏度，因为必须在开发的初期阶段检测到故障

项目提出了一种兼具简单性和有效性的方法，用于在USV和负载变化下运行的IM中在线匝间短路故障诊断。以IM定子电压测量值为输入，利用短时最小二乘普罗尼（STLSP）方法，估计基频幅度及其相关相位角。同时，通过应用Fortescue变换计算出相应的电压对称分量。然后，将计算和跟踪所提出的指标，称为零电压因数（ZVF）。借助LabVIEW软件，所有这些步骤都可以实时执行，从而对ZVF进行在线监测。为了证明所提方法的有效性，进行了几次实验测试。目的是研究ZVF在发生轻微和严重匝间短路故障，负载变化和/或发生具有类似症状的其他故障（例如USV）时的行为。

结果表明，所提方法的简单性和非侵入性，以及实时实现能力，以及即使在USV条件下也能检测少量短路转弯的可靠性，是最重要的优势。此外，STLSP方法作为一种复杂的信号处理技术，也可以被视为进一步的新颖性和贡献。

匝间短路故障的发生会导致受伤相的电阻成比例地降低，伴随着该相电流的轻微上升，此外还有高幅度的电流流过短路支路，导致温度危险升高，很可能导致绝缘和绕组破坏

状态指示器是系统数据的一项功能，随着系统降级或以不同的操作模式运行，其行为以可预测的方式发生变化。条件指示器可以是任何有助于区分正常操作和错误操作的功能;它包括从简单分析或更复杂的信号分析得出的数量。

由于匝间短路故障的存在会产生定子电压和电流的不平衡，因此，电压对称分量的分析可能在匝间短路故障检测和判别中起着至关重要的作用。事实上，国际电工委员会（IEC）将电压不平衡系数（VUF）定义为负电压对称分量和正电压对称分量之间的比率，已被广泛用于检测和分析供电网络领域的电压不平衡。

通过最小二乘Prony算法永久采集和分析三相线到中性线电压的非常短的时间窗口，以估计所需的数量。STLSP提供具有高频分辨率和可调时间分辨率的线性时间幅度表示，从而可以考虑问题的非平稳方面。

匝间短路故障可能会配置不同的严重性级别。因此，指标反应的稳定性及其对连续和不同故障水平的明确响应是至关重要的测试，必须提交拟议的指标。进行这项实验研究所遵循的策略是在空载下在健康条件下启动IM。几秒钟后，将引入严重性不断增加的匝间短路故障。这是通过在阶段a中短路三匝和六匝定子来完成的。通过依次降低故障严重性直到恢复正常状态来完成测试。通过这些顺序测试，可以实时计算和监控ZVF。  

新的匝间短路故障诊断实时方案，仅基于三相输入电压测量并应用Fortescue变换，所提出的策略使用STLSP方法来计算和跟踪称为ZVF的合适指示器，该指示器可以快速可靠地检测三相IM中的早期匝间短路故障。对处于健康状态和匝间短路故障的IM进行了分析研究，从而得出了ZVF在健康和故障条件下的数学表达式。对所提出的指标的行为进行了实验研究。所提出的算法在LabVIEW环境下使用STLSP方法成功实现。只需要终端电压传感器，价格便宜且始终可用。有效地展示了ZVF的在线计算和连续显示功能。

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