王紅強(qiáng)

摘 要：結(jié)合異步電機(jī)的概念和特點(diǎn)，對(duì)其運(yùn)行的安全性和可靠性進(jìn)行了分析，以定子電流分析方法為理論基礎(chǔ)，采取同時(shí)采集異步電機(jī)定子電流和電壓信號(hào)的電機(jī)電器信號(hào)分析方法，對(duì)異步電機(jī)的電氣和機(jī)械故障進(jìn)行分析，然后結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)雜的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行故障模式的識(shí)別，通過模擬實(shí)驗(yàn)的形式，對(duì)異步電機(jī)的故障進(jìn)行判別，可以有效提升故障判別的準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)和漏報(bào)的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī) 定子電流 電壓信號(hào) 電機(jī)電氣信號(hào)

中圖分類號(hào)：TM307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0105-02

異步電機(jī)，也稱感應(yīng)電機(jī)，是一種利用氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流的相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而將機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電機(jī)的種類是多種多樣的，同時(shí)具有小型輕量化、轉(zhuǎn)速高、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、制造成本低、控制裝置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，作為現(xiàn)代設(shè)備的主要?jiǎng)恿ρb置，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行智能化診斷，提升電機(jī)運(yùn)行的可靠性，成為相關(guān)技術(shù)人員重點(diǎn)研究的課題。

1 電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)

從目前的技術(shù)發(fā)展情況看，針對(duì)電機(jī)的測(cè)試手段，主要包括動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試兩種。其中動(dòng)態(tài)測(cè)試是通過對(duì)定子電流信號(hào)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)故障的判斷，即MCSA電機(jī)電流信號(hào)分析技術(shù)，靜態(tài)測(cè)試則是結(jié)合相關(guān)參數(shù)的對(duì)稱性，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行判斷，由于必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，會(huì)影響生產(chǎn)效率，因此并不經(jīng)常使用。而這里提到的電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，則是同時(shí)對(duì)電機(jī)的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，結(jié)合電流與電壓同步頻譜，可以對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行細(xì)化，分為電氣故障、機(jī)械故障以及供電故障，相比于MCSA更加全面，更加可靠。

由歐姆定律可知，電壓和阻抗是導(dǎo)致電機(jī)電流信號(hào)變化的主要因素。若在電壓固定的情況下，電流出現(xiàn)較大的變化，則說明阻抗變化較大，可能原因是機(jī)械松動(dòng)、繞組松動(dòng)、氣隙偏心等機(jī)械故障；而如果阻抗固定，電流出現(xiàn)變壓，則電壓變化大，說明電機(jī)存在電氣故障，如短路、絕緣等問題。因此，電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)的基本規(guī)則為：

（1）峰值出現(xiàn)在電流譜，揭示電機(jī)機(jī)械故障；（2）峰值同時(shí)出現(xiàn)在電流譜和電壓譜，揭示電機(jī)電氣故障；（3）供電頻率的轉(zhuǎn)差頻率、邊頻，揭示轉(zhuǎn)子狀態(tài)；（4）對(duì)于軸承故障，峰值僅出現(xiàn)在電流譜，且存在線頻的非整數(shù)倍與轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍的頻率。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)故障樣本進(jìn)行訓(xùn)練，可以確定網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值，當(dāng)再次輸入故障信號(hào)時(shí)，就可以自動(dòng)識(shí)別。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于運(yùn)算量的需求較小，運(yùn)算速度也相對(duì)較快。憑借自身良好的非線性映射能力、并行處理能力以及聯(lián)想記憶能力等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)十分適用于對(duì)復(fù)雜電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷工作。通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)故障的智能化診斷，同時(shí)可以有效降低故障的錯(cuò)報(bào)和漏報(bào)。

這里選擇當(dāng)前理論最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的反向傳播網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。反向傳播網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱BP網(wǎng)絡(luò)，其學(xué)習(xí)規(guī)則是利用BP，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值進(jìn)行調(diào)整，從而使得網(wǎng)絡(luò)誤差的平方和最小。BP神經(jīng)元與其他的神經(jīng)元存在很大的相似性，不同之處則是其傳輸層為非線性函數(shù)，部分輸出層采用線性函數(shù)，其輸出為：

BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程如圖1所示：

3 異步電機(jī)的故障識(shí)別

首先，要建立相應(yīng)的故障庫(kù)，對(duì)故障樣本進(jìn)行存儲(chǔ)，方便故障的識(shí)別。相關(guān)研究表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)，在線頻f兩側(cè)，會(huì)出現(xiàn)邊頻2sf，即：

出現(xiàn)定子繞組匝間短路時(shí)，在繞組的中心頻率兩側(cè)，會(huì)出現(xiàn)f以及其邊頻RS，結(jié)合相應(yīng)的公式，對(duì)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行整理，可以得出電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)子斷條以及繞組匝間短路電流信號(hào)的故障庫(kù)。

其次，要構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。這里采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為輸入層、輸出層和隱含層。其中，在輸入層中輸入電流與電壓信號(hào)的16個(gè)特征頻率值，采用16個(gè)神經(jīng)元，而輸出層采用線性函數(shù)，含有3個(gè)輸出，因此采用3個(gè)神經(jīng)元。隱含層神經(jīng)元的確定可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，如下：

其中，M代表輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，N代表輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，表示1～10之間的常數(shù)，可以對(duì)隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行確定，為5～14。

需要注意的是，學(xué)習(xí)的速率過大或者過小都會(huì)對(duì)訓(xùn)練的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，一般為0.01～0.8。

然后，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本和標(biāo)準(zhǔn)輸出進(jìn)行多次訓(xùn)練，可以確定隱含層的神經(jīng)元為11，學(xué)習(xí)速率0.25。經(jīng)多次訓(xùn)練后，系統(tǒng)誤差約為10-5，能夠滿足故障識(shí)別精度的要求。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

一臺(tái)定子槽數(shù)48，轉(zhuǎn)子條數(shù)40，轉(zhuǎn)差為0.097的異步電機(jī)，在繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條和正常情況下運(yùn)行，電機(jī)載荷超過1/4，使用ATPROL電機(jī)信號(hào)采集器，對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，并將采集到的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過FFT變換后，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其故障模式進(jìn)行判別，然后對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行整理和分析。信號(hào)采集與處理裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。

（1）傳感器為非嵌入式，可以方便地對(duì)電機(jī)的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，便于進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。（2）針對(duì)不同的故障，電壓信號(hào)和電流信號(hào)均有著相應(yīng)的反應(yīng)，利用電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，可以對(duì)電機(jī)中存在的電氣故障和機(jī)械故障進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分，同時(shí)能夠通過兩者的相互驗(yàn)證，減少誤判的機(jī)率，確保電機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性。（3）雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練階段的運(yùn)算量相對(duì)較大，但是在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，所需要的運(yùn)算量相比于傳統(tǒng)的診斷方法更小，而且運(yùn)算速度更快，更適合現(xiàn)代診斷技術(shù)發(fā)展的客觀要求。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，同時(shí)采集異步電機(jī)定子電流與電壓信號(hào)的電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，可以有效提升故障診斷的速度和準(zhǔn)確性，應(yīng)該得到推廣和普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳長(zhǎng)征，王胤龍，李明輝，等.基于電氣信號(hào)的異步電機(jī)故障識(shí)別[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：241-244，265.

[2] 任志斌，曾德墻.基于極坐標(biāo)的異步電機(jī)新型參數(shù)辨識(shí)方法[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（3）：218-223，229.

[3] 馮碩，郭素娜，薛倩毓，等.基于DSP的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究[J].電氣開關(guān)，2009，47（6）：44-46.

[4] 鐘昱煒，劉仁棟，曹陽.基于stm32的異步電機(jī)反嵌繞組檢測(cè)方法[J].電子世界，2013（16）：62.endprint

摘 要：結(jié)合異步電機(jī)的概念和特點(diǎn)，對(duì)其運(yùn)行的安全性和可靠性進(jìn)行了分析，以定子電流分析方法為理論基礎(chǔ)，采取同時(shí)采集異步電機(jī)定子電流和電壓信號(hào)的電機(jī)電器信號(hào)分析方法，對(duì)異步電機(jī)的電氣和機(jī)械故障進(jìn)行分析，然后結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)雜的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行故障模式的識(shí)別，通過模擬實(shí)驗(yàn)的形式，對(duì)異步電機(jī)的故障進(jìn)行判別，可以有效提升故障判別的準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)和漏報(bào)的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī) 定子電流 電壓信號(hào) 電機(jī)電氣信號(hào)

中圖分類號(hào)：TM307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0105-02

異步電機(jī)，也稱感應(yīng)電機(jī)，是一種利用氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流的相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而將機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電機(jī)的種類是多種多樣的，同時(shí)具有小型輕量化、轉(zhuǎn)速高、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、制造成本低、控制裝置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，作為現(xiàn)代設(shè)備的主要?jiǎng)恿ρb置，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行智能化診斷，提升電機(jī)運(yùn)行的可靠性，成為相關(guān)技術(shù)人員重點(diǎn)研究的課題。

1 電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)

從目前的技術(shù)發(fā)展情況看，針對(duì)電機(jī)的測(cè)試手段，主要包括動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試兩種。其中動(dòng)態(tài)測(cè)試是通過對(duì)定子電流信號(hào)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)故障的判斷，即MCSA電機(jī)電流信號(hào)分析技術(shù)，靜態(tài)測(cè)試則是結(jié)合相關(guān)參數(shù)的對(duì)稱性，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行判斷，由于必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，會(huì)影響生產(chǎn)效率，因此并不經(jīng)常使用。而這里提到的電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，則是同時(shí)對(duì)電機(jī)的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，結(jié)合電流與電壓同步頻譜，可以對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行細(xì)化，分為電氣故障、機(jī)械故障以及供電故障，相比于MCSA更加全面，更加可靠。

由歐姆定律可知，電壓和阻抗是導(dǎo)致電機(jī)電流信號(hào)變化的主要因素。若在電壓固定的情況下，電流出現(xiàn)較大的變化，則說明阻抗變化較大，可能原因是機(jī)械松動(dòng)、繞組松動(dòng)、氣隙偏心等機(jī)械故障；而如果阻抗固定，電流出現(xiàn)變壓，則電壓變化大，說明電機(jī)存在電氣故障，如短路、絕緣等問題。因此，電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)的基本規(guī)則為：

（1）峰值出現(xiàn)在電流譜，揭示電機(jī)機(jī)械故障；（2）峰值同時(shí)出現(xiàn)在電流譜和電壓譜，揭示電機(jī)電氣故障；（3）供電頻率的轉(zhuǎn)差頻率、邊頻，揭示轉(zhuǎn)子狀態(tài)；（4）對(duì)于軸承故障，峰值僅出現(xiàn)在電流譜，且存在線頻的非整數(shù)倍與轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍的頻率。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)故障樣本進(jìn)行訓(xùn)練，可以確定網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值，當(dāng)再次輸入故障信號(hào)時(shí)，就可以自動(dòng)識(shí)別。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于運(yùn)算量的需求較小，運(yùn)算速度也相對(duì)較快。憑借自身良好的非線性映射能力、并行處理能力以及聯(lián)想記憶能力等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)十分適用于對(duì)復(fù)雜電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷工作。通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)故障的智能化診斷，同時(shí)可以有效降低故障的錯(cuò)報(bào)和漏報(bào)。

這里選擇當(dāng)前理論最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的反向傳播網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。反向傳播網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱BP網(wǎng)絡(luò)，其學(xué)習(xí)規(guī)則是利用BP，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值進(jìn)行調(diào)整，從而使得網(wǎng)絡(luò)誤差的平方和最小。BP神經(jīng)元與其他的神經(jīng)元存在很大的相似性，不同之處則是其傳輸層為非線性函數(shù)，部分輸出層采用線性函數(shù)，其輸出為：

BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程如圖1所示：

3 異步電機(jī)的故障識(shí)別

首先，要建立相應(yīng)的故障庫(kù)，對(duì)故障樣本進(jìn)行存儲(chǔ)，方便故障的識(shí)別。相關(guān)研究表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)，在線頻f兩側(cè)，會(huì)出現(xiàn)邊頻2sf，即：

出現(xiàn)定子繞組匝間短路時(shí)，在繞組的中心頻率兩側(cè)，會(huì)出現(xiàn)f以及其邊頻RS，結(jié)合相應(yīng)的公式，對(duì)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行整理，可以得出電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)子斷條以及繞組匝間短路電流信號(hào)的故障庫(kù)。

其次，要構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。這里采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為輸入層、輸出層和隱含層。其中，在輸入層中輸入電流與電壓信號(hào)的16個(gè)特征頻率值，采用16個(gè)神經(jīng)元，而輸出層采用線性函數(shù)，含有3個(gè)輸出，因此采用3個(gè)神經(jīng)元。隱含層神經(jīng)元的確定可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，如下：

其中，M代表輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，N代表輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，表示1～10之間的常數(shù)，可以對(duì)隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行確定，為5～14。

需要注意的是，學(xué)習(xí)的速率過大或者過小都會(huì)對(duì)訓(xùn)練的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，一般為0.01～0.8。

然后，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本和標(biāo)準(zhǔn)輸出進(jìn)行多次訓(xùn)練，可以確定隱含層的神經(jīng)元為11，學(xué)習(xí)速率0.25。經(jīng)多次訓(xùn)練后，系統(tǒng)誤差約為10-5，能夠滿足故障識(shí)別精度的要求。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

一臺(tái)定子槽數(shù)48，轉(zhuǎn)子條數(shù)40，轉(zhuǎn)差為0.097的異步電機(jī)，在繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條和正常情況下運(yùn)行，電機(jī)載荷超過1/4，使用ATPROL電機(jī)信號(hào)采集器，對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，并將采集到的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過FFT變換后，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其故障模式進(jìn)行判別，然后對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行整理和分析。信號(hào)采集與處理裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。

（1）傳感器為非嵌入式，可以方便地對(duì)電機(jī)的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，便于進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。（2）針對(duì)不同的故障，電壓信號(hào)和電流信號(hào)均有著相應(yīng)的反應(yīng)，利用電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，可以對(duì)電機(jī)中存在的電氣故障和機(jī)械故障進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分，同時(shí)能夠通過兩者的相互驗(yàn)證，減少誤判的機(jī)率，確保電機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性。（3）雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練階段的運(yùn)算量相對(duì)較大，但是在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，所需要的運(yùn)算量相比于傳統(tǒng)的診斷方法更小，而且運(yùn)算速度更快，更適合現(xiàn)代診斷技術(shù)發(fā)展的客觀要求。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，同時(shí)采集異步電機(jī)定子電流與電壓信號(hào)的電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，可以有效提升故障診斷的速度和準(zhǔn)確性，應(yīng)該得到推廣和普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳長(zhǎng)征，王胤龍，李明輝，等.基于電氣信號(hào)的異步電機(jī)故障識(shí)別[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：241-244，265.

[2] 任志斌，曾德墻.基于極坐標(biāo)的異步電機(jī)新型參數(shù)辨識(shí)方法[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（3）：218-223，229.

[3] 馮碩，郭素娜，薛倩毓，等.基于DSP的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究[J].電氣開關(guān)，2009，47（6）：44-46.

[4] 鐘昱煒，劉仁棟，曹陽.基于stm32的異步電機(jī)反嵌繞組檢測(cè)方法[J].電子世界，2013（16）：62.endprint

摘 要：結(jié)合異步電機(jī)的概念和特點(diǎn)，對(duì)其運(yùn)行的安全性和可靠性進(jìn)行了分析，以定子電流分析方法為理論基礎(chǔ)，采取同時(shí)采集異步電機(jī)定子電流和電壓信號(hào)的電機(jī)電器信號(hào)分析方法，對(duì)異步電機(jī)的電氣和機(jī)械故障進(jìn)行分析，然后結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)雜的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行故障模式的識(shí)別，通過模擬實(shí)驗(yàn)的形式，對(duì)異步電機(jī)的故障進(jìn)行判別，可以有效提升故障判別的準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)和漏報(bào)的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī) 定子電流 電壓信號(hào) 電機(jī)電氣信號(hào)

中圖分類號(hào)：TM307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0105-02

異步電機(jī)，也稱感應(yīng)電機(jī)，是一種利用氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流的相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而將機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電機(jī)的種類是多種多樣的，同時(shí)具有小型輕量化、轉(zhuǎn)速高、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、制造成本低、控制裝置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，作為現(xiàn)代設(shè)備的主要?jiǎng)恿ρb置，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行智能化診斷，提升電機(jī)運(yùn)行的可靠性，成為相關(guān)技術(shù)人員重點(diǎn)研究的課題。

1 電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)

從目前的技術(shù)發(fā)展情況看，針對(duì)電機(jī)的測(cè)試手段，主要包括動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試兩種。其中動(dòng)態(tài)測(cè)試是通過對(duì)定子電流信號(hào)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)故障的判斷，即MCSA電機(jī)電流信號(hào)分析技術(shù)，靜態(tài)測(cè)試則是結(jié)合相關(guān)參數(shù)的對(duì)稱性，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行判斷，由于必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，會(huì)影響生產(chǎn)效率，因此并不經(jīng)常使用。而這里提到的電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，則是同時(shí)對(duì)電機(jī)的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，結(jié)合電流與電壓同步頻譜，可以對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行細(xì)化，分為電氣故障、機(jī)械故障以及供電故障，相比于MCSA更加全面，更加可靠。

由歐姆定律可知，電壓和阻抗是導(dǎo)致電機(jī)電流信號(hào)變化的主要因素。若在電壓固定的情況下，電流出現(xiàn)較大的變化，則說明阻抗變化較大，可能原因是機(jī)械松動(dòng)、繞組松動(dòng)、氣隙偏心等機(jī)械故障；而如果阻抗固定，電流出現(xiàn)變壓，則電壓變化大，說明電機(jī)存在電氣故障，如短路、絕緣等問題。因此，電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)的基本規(guī)則為：

（1）峰值出現(xiàn)在電流譜，揭示電機(jī)機(jī)械故障；（2）峰值同時(shí)出現(xiàn)在電流譜和電壓譜，揭示電機(jī)電氣故障；（3）供電頻率的轉(zhuǎn)差頻率、邊頻，揭示轉(zhuǎn)子狀態(tài)；（4）對(duì)于軸承故障，峰值僅出現(xiàn)在電流譜，且存在線頻的非整數(shù)倍與轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍的頻率。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)故障樣本進(jìn)行訓(xùn)練，可以確定網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值，當(dāng)再次輸入故障信號(hào)時(shí)，就可以自動(dòng)識(shí)別。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于運(yùn)算量的需求較小，運(yùn)算速度也相對(duì)較快。憑借自身良好的非線性映射能力、并行處理能力以及聯(lián)想記憶能力等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)十分適用于對(duì)復(fù)雜電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷工作。通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)故障的智能化診斷，同時(shí)可以有效降低故障的錯(cuò)報(bào)和漏報(bào)。

這里選擇當(dāng)前理論最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的反向傳播網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。反向傳播網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱BP網(wǎng)絡(luò)，其學(xué)習(xí)規(guī)則是利用BP，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值進(jìn)行調(diào)整，從而使得網(wǎng)絡(luò)誤差的平方和最小。BP神經(jīng)元與其他的神經(jīng)元存在很大的相似性，不同之處則是其傳輸層為非線性函數(shù)，部分輸出層采用線性函數(shù)，其輸出為：

BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程如圖1所示：

3 異步電機(jī)的故障識(shí)別

首先，要建立相應(yīng)的故障庫(kù)，對(duì)故障樣本進(jìn)行存儲(chǔ)，方便故障的識(shí)別。相關(guān)研究表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條時(shí)，在線頻f兩側(cè)，會(huì)出現(xiàn)邊頻2sf，即：

出現(xiàn)定子繞組匝間短路時(shí)，在繞組的中心頻率兩側(cè)，會(huì)出現(xiàn)f以及其邊頻RS，結(jié)合相應(yīng)的公式，對(duì)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行整理，可以得出電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)子斷條以及繞組匝間短路電流信號(hào)的故障庫(kù)。

其次，要構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。這里采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為輸入層、輸出層和隱含層。其中，在輸入層中輸入電流與電壓信號(hào)的16個(gè)特征頻率值，采用16個(gè)神經(jīng)元，而輸出層采用線性函數(shù)，含有3個(gè)輸出，因此采用3個(gè)神經(jīng)元。隱含層神經(jīng)元的確定可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，如下：

其中，M代表輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，N代表輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，表示1～10之間的常數(shù)，可以對(duì)隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行確定，為5～14。

需要注意的是，學(xué)習(xí)的速率過大或者過小都會(huì)對(duì)訓(xùn)練的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，一般為0.01～0.8。

然后，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本和標(biāo)準(zhǔn)輸出進(jìn)行多次訓(xùn)練，可以確定隱含層的神經(jīng)元為11，學(xué)習(xí)速率0.25。經(jīng)多次訓(xùn)練后，系統(tǒng)誤差約為10-5，能夠滿足故障識(shí)別精度的要求。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

一臺(tái)定子槽數(shù)48，轉(zhuǎn)子條數(shù)40，轉(zhuǎn)差為0.097的異步電機(jī)，在繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條和正常情況下運(yùn)行，電機(jī)載荷超過1/4，使用ATPROL電機(jī)信號(hào)采集器，對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，并將采集到的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過FFT變換后，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其故障模式進(jìn)行判別，然后對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行整理和分析。信號(hào)采集與處理裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。

（1）傳感器為非嵌入式，可以方便地對(duì)電機(jī)的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，便于進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。（2）針對(duì)不同的故障，電壓信號(hào)和電流信號(hào)均有著相應(yīng)的反應(yīng)，利用電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，可以對(duì)電機(jī)中存在的電氣故障和機(jī)械故障進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分，同時(shí)能夠通過兩者的相互驗(yàn)證，減少誤判的機(jī)率，確保電機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性。（3）雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練階段的運(yùn)算量相對(duì)較大，但是在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，所需要的運(yùn)算量相比于傳統(tǒng)的診斷方法更小，而且運(yùn)算速度更快，更適合現(xiàn)代診斷技術(shù)發(fā)展的客觀要求。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，同時(shí)采集異步電機(jī)定子電流與電壓信號(hào)的電機(jī)電氣信號(hào)分析技術(shù)，可以有效提升故障診斷的速度和準(zhǔn)確性，應(yīng)該得到推廣和普及。

參考文獻(xiàn)

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