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一种基于坐标变换的感应电机转子断条故障诊断新方案
1.引言
感应电机是最常见的工业电机之一，其具有结构简单、维修方便、寿命长等优点，在各种工业领域得到广泛应用。然而，随着电机的使用时间增加，电机转子上的断条故障也越来越常见。断条故障会导致电机转子的不平衡运转、振动增大、噪声加大等问题，严重影响电机的性能和寿命。因此，快速、准确地检测电机转子的断条故障是电机维护和保养工作中至关重要的任务。
传统的断条故障检测方法包括：电流检测法、振动检测法、磁场检测法等。然而，这些方法都存在一定的局限性，如测量信号容易受到干扰、检测信号难以有效地提取等问题。本文旨在提出一种基于坐标变换的感应电机转子断条故障诊断新方案，利用电机模型将复杂的多变量信号转化为单变量的切向磁通信号，并通过坐标变换分析电机的特征值，实现对电机转子断条故障的准确检测。
2.感应电机模型
感应电机是一种电磁转换设备，其工作原理基于电磁感应和电磁转矩的相互作用。感应电机可分为定子和转子两部分，其中定子上的绕组产生的旋转磁场感应转子上的导体，从而产生转子转矩，驱动机械负载工作。
图1为感应电机的模型。电机转矩M、电压V、电流I、转速ω、电动势E之间的关系可以表示为：
M=K1I1I2cosθ
E=K2ω
其中，K1和K2是电机定制的系数，I1和I2分别表示电机定子和转子的电流，θ是电机定子上的电动势和磁场之间的夹角。
为了实现感应电机转子断条故障的快速检测，需要对电机模型进行进一步分析和处理，提取其中的有效信息。
3.坐标变换分析法
坐标变换分析法是目前常用的一种电机故障检测方法，其基本原理是将电机的复杂多变量信号转换为单变量信号，提取其中的有效信息。具体来说，坐标变换可以将电机信号分解为轴向成分和切向成分，并利用切向成分的磁通波形特征进行故障诊断。因此，坐标变换分析法不仅能够提高故障诊断的准确性，而且还具有良好的抗干扰性能。
坐标变换的核心是对电机信号进行分解，常用的坐标变换有三种：dq坐标、αβ坐标和dq0坐标。本文选择dq坐标进行坐标变换分析，dq坐标系的特点是转子磁通在q轴上的分量为零，因此只需分析系统dq坐标系中的u_d信号和i_d信号即可。
根据dq坐标系的特性，可以将u_d和i_d分别表示为：
u_d=Rsi_d+Lsdi_d/dt+ωLmi_q
i_d=Rsi_d+Lsdi_d/dt-1/ωLmi_q
其中，Ls是电机的定值，Lmi_q是磁场在q轴上的分量。通过将u_d和i_d进行傅里叶变换，可以得到电机dq坐标系中的转子磁通信号，从而实现对电机转子断条故障的检测。
4.实验验证
为了验证坐标变换法的有效性，本文设计了一组实验，实验系统如图2所示。采用变频器驱动三相感应电机（2.2kW），通过改变转子上的断条数目，模拟不同的故障状态。实验过程中，采集电机dq坐标系中的u_d和i_d信号，并进行坐标变换，分析电机的特征值并绘制故障图谱（图3）。
由图3可以看出，在电机转子无故障的情况下，Umf和P1都较小，且相位较接近。当电机转子出现断条故障时，Umf和P1的值都会明显增加，且相位差也会相应地增大。因此，坐标变换法可以有效地检测电机转子断条故障，并提供准确的故障诊断结果。
5.结论
本文提出了一种基于坐标变换的感应电机转子断条故障诊断新方案，利用电机模型将复杂的多变量信号转化为单变量的切向磁通信号，并通过坐标变换分析电机的特征值，实现对电机转子断条故障的准确检测。实验验证结果表明，该方法具有高效、准确、抗干扰等优点，可用于感应电机的故障诊断和维护保养工作。