LabVIEW開發(fā)感應(yīng)電機在線匝間短路故障診斷系統(tǒng)

工業(yè)中使用的超過85%的電動機是三相感應(yīng)電動機。它們因其可靠性、設(shè)計便利性、高性能和過載能力而被廣泛用于不同的應(yīng)用，例如制造、加工、電力系統(tǒng)、運輸?shù)?。無論它們的能力如何，它們都被認為是現(xiàn)代工業(yè)學科中的關(guān)鍵推動者，在這些工業(yè)學科中，不間斷的功能依賴于這些原動機的條件。然而，通常在惡劣的機械和電氣操作條件下工作，這使得它們?nèi)菀资艿皆S多定子和/或轉(zhuǎn)子故障的影響。

電機故障的最常見原因是定子繞組的故障發(fā)生。事實上，這種類型的故障占感應(yīng)電機故障的20%至40%。對于高壓電機，該比率可以達到66%。定子故障的主要原因之一是發(fā)生具有關(guān)鍵和危險影響的匝間短路故障。通常，匝間短路故障始于兩匝之間不明顯的電接觸，這是由于熱，電氣，機械和環(huán)境應(yīng)力的組合導致絕緣的局部退化。這會在受傷的匝數(shù)中引起高電流，導致該區(qū)域（熱點）的溫度顯著升高，從而迅速產(chǎn)生額外的絕緣故障，從而導致定子繞組完全失效。匝間短路故障的演變與不同的參數(shù)有關(guān)，從幾秒鐘到幾天不等。如果不在適當?shù)臅r間采取措施，這種故障可能會對電機本身以及相關(guān)設(shè)備造成嚴重損壞。這可能導致工業(yè)過程意外關(guān)閉，造成相當大的經(jīng)濟損失。為避免此類問題，應(yīng)采用可靠的狀態(tài)監(jiān)測方法。通常，狀態(tài)監(jiān)測功能包括強大的故障檢測算法，允許在完全故障之前快速檢測系統(tǒng)性能的所有缺陷或任何不良變化。

檢測匝間短路故障是一項非常艱巨的任務(wù)，因為檢測此類故障僅在其發(fā)生的最初階段才有意義。此外，當一相中只有很少的匝數(shù)短路時，電氣保護系統(tǒng)無法做出反應(yīng)，因為相電流只發(fā)生很小的變化。

由于其相對較高的成本和/或復雜性，現(xiàn)有技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用并未得到推廣，而不會忽視其部署需要高技術(shù)能力的事實。對于匝間短路故障診斷，在線監(jiān)測系統(tǒng)需要達到非常高的靈敏度，因為必須在開發(fā)的初期階段檢測到故障

項目提出了一種兼具簡單性和有效性的方法，用于在USV和負載變化下運行的IM中在線匝間短路故障診斷。以IM定子電壓測量值為輸入，利用短時最小二乘普羅尼（STLSP）方法，估計基頻幅度及其相關(guān)相位角。同時，通過應(yīng)用Fortescue變換計算出相應(yīng)的電壓對稱分量。然后，將計算和跟蹤所提出的指標，稱為零電壓因數(shù)（ZVF）。借助LabVIEW軟件，所有這些步驟都可以實時執(zhí)行，從而對ZVF進行在線監(jiān)測。為了證明所提方法的有效性，進行了幾次實驗測試。目的是研究ZVF在發(fā)生輕微和嚴重匝間短路故障，負載變化和/或發(fā)生具有類似癥狀的其他故障（例如USV）時的行為。

結(jié)果表明，所提方法的簡單性和非侵入性，以及實時實現(xiàn)能力，以及即使在USV條件下也能檢測少量短路轉(zhuǎn)彎的可靠性，是最重要的優(yōu)勢。此外，STLSP方法作為一種復雜的信號處理技術(shù)，也可以被視為進一步的新穎性和貢獻。

匝間短路故障的發(fā)生會導致受傷相的電阻成比例地降低，伴隨著該相電流的輕微上升，此外還有高幅度的電流流過短路支路，導致溫度危險升高，很可能導致絕緣和繞組破壞

狀態(tài)指示器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一項功能，隨著系統(tǒng)降級或以不同的操作模式運行，其行為以可預測的方式發(fā)生變化。條件指示器可以是任何有助于區(qū)分正常操作和錯誤操作的功能;它包括從簡單分析或更復雜的信號分析得出的數(shù)量。

由于匝間短路故障的存在會產(chǎn)生定子電壓和電流的不平衡，因此，電壓對稱分量的分析可能在匝間短路故障檢測和判別中起著至關(guān)重要的作用。事實上，國際電工委員會（IEC）將電壓不平衡系數(shù)（VUF）定義為負電壓對稱分量和正電壓對稱分量之間的比率，已被廣泛用于檢測和分析供電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的電壓不平衡。

通過最小二乘Prony算法永久采集和分析三相線到中性線電壓的非常短的時間窗口，以估計所需的數(shù)量。STLSP提供具有高頻分辨率和可調(diào)時間分辨率的線性時間幅度表示，從而可以考慮問題的非平穩(wěn)方面。

匝間短路故障可能會配置不同的嚴重性級別。因此，指標反應(yīng)的穩(wěn)定性及其對連續(xù)和不同故障水平的明確響應(yīng)是至關(guān)重要的測試，必須提交擬議的指標。進行這項實驗研究所遵循的策略是在空載下在健康條件下啟動IM。幾秒鐘后，將引入嚴重性不斷增加的匝間短路故障。這是通過在階段a中短路三匝和六匝定子來完成的。通過依次降低故障嚴重性直到恢復正常狀態(tài)來完成測試。通過這些順序測試，可以實時計算和監(jiān)控ZVF。??

新的匝間短路故障診斷實時方案，僅基于三相輸入電壓測量并應(yīng)用Fortescue變換，所提出的策略使用STLSP方法來計算和跟蹤稱為ZVF的合適指示器，該指示器可以快速可靠地檢測三相IM中的早期匝間短路故障。對處于健康狀態(tài)和匝間短路故障的IM進行了分析研究，從而得出了ZVF在健康和故障條件下的數(shù)學表達式。對所提出的指標的行為進行了實驗研究。所提出的算法在LabVIEW環(huán)境下使用STLSP方法成功實現(xiàn)。只需要終端電壓傳感器，價格便宜且始終可用。有效地展示了ZVF的在線計算和連續(xù)顯示功能。

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