馬 野，叢培田

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽110159)

傳統(tǒng)上,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障診斷大多采用振動(dòng)傳感器來拾取振動(dòng)信號(hào)。定子電流檢測(cè)法是在20世紀(jì)80年代中后期出現(xiàn)的，它通過電流傳感器來拾取定子的三相電流信號(hào)，并進(jìn)行分析處理，從而獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)中包含故障特征的信息，達(dá)到故障診斷的目的[1]。采用定子電流檢測(cè)法時(shí)，電流信號(hào)可直接用傳感器在風(fēng)機(jī)底部進(jìn)行采集。這比傳統(tǒng)的測(cè)量方法簡(jiǎn)便許多，并且屬于非接觸式測(cè)量法，只要在定子三相電流饋入電網(wǎng)之前直接將電流傳感器卡在傳輸線上即可進(jìn)行測(cè)量[2]。作為特征信號(hào)的定子電流包含的信息十分豐富。傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的故障會(huì)體現(xiàn)在電流中，以定子電流作為特征信號(hào)，可以規(guī)避風(fēng)機(jī)整體振動(dòng)所帶來的影響與干擾[3]。因此，定子電流檢測(cè)方法早已成為電機(jī)故障診斷的主要方法。

目前，對(duì)電流信號(hào)故障特征信息提取方法的研究大部分集中在算法領(lǐng)域，比如Hilbert變換包絡(luò)解調(diào)法、希爾伯特—黃變換法、小波分析法以及高階譜分析法等。本文從硬件角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種能夠消除50 Hz 基頻干擾的方法。

1 定子電流檢測(cè)方法

定子電流檢測(cè)方法相對(duì)于傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)法來說，測(cè)量十分簡(jiǎn)便，檢測(cè)原理簡(jiǎn)單，目前已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[4]。

電機(jī)發(fā)生故障，常會(huì)引起電機(jī)的異常振動(dòng)，使得其軸系跟著一起發(fā)生異常振動(dòng)，進(jìn)而電機(jī)軸系的幾何形狀和幾何位置會(huì)發(fā)生變化，由電機(jī)自身結(jié)構(gòu)決定的電機(jī)氣隙長(zhǎng)度也會(huì)改變，引起通過氣隙間磁通密度的變化，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，最終導(dǎo)致電流的變化。相應(yīng)地，采集的定子電流信號(hào)必然含有能反映電機(jī)故障的特征信息[5]。

在實(shí)際操作中，電機(jī)故障特征信息的獲取并不容易。這是因?yàn)樵诜治鏊杉碾娏餍盘?hào)時(shí)需要進(jìn)行信號(hào)處理，而處理過程的故障特征信息很可能被50 Hz 基頻的泄漏所淹沒，給故障診斷帶來困難。

2 基頻淹沒問題

對(duì)電流傳感器所采集信號(hào)的處理不可能適應(yīng)無限帶長(zhǎng)的信號(hào)，因此必須將無限帶長(zhǎng)的電流信號(hào)截?cái)?。信?hào)處理領(lǐng)域多采用窗函數(shù)來截?cái)酂o限帶長(zhǎng)的電流信號(hào)，而窗函數(shù)的頻譜W(f)為一個(gè)無限帶寬的sinc函數(shù)[6]。窗函數(shù)及其頻譜如圖1所示。

圖1 窗函數(shù)及其頻譜

從圖1可以看出，頻率軸上信號(hào)的能量是逐漸向外擴(kuò)展的，這種現(xiàn)象即為能量泄漏[7]。假設(shè)采樣后的電流信號(hào)為x(t)，那么用窗函數(shù)截取后，其時(shí)域頻域之間的相應(yīng)關(guān)系為x(t)w(t)～X(f)*W(f)[8]。因此，在用窗函數(shù)截取后，電流信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生泄漏，而從定子端采集的電流信號(hào)中50 Hz基頻的能量是非常大的，這將直接導(dǎo)致截取之后基頻的能量泄漏也非常大；而要提取的故障特征信息是非常微弱的，那么就極可能被淹沒在基頻的能量泄漏中，從而提取不到所需的故障特征信息。因此，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障檢測(cè)時(shí)，消除50 Hz 基頻是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。

3 50 Hz基頻干擾的消除

為了消除50 Hz基頻的干擾，首先用50 Hz帶通濾波電路來過濾電流傳感器采集的信號(hào),并觀測(cè)基頻的幅值；其次用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)與基頻幅值相近的頻率為51 Hz的信號(hào)(該信號(hào)的幅值與頻率可調(diào))；然后讓電流傳感器采集的原始信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的51 Hz信號(hào)一起通過一個(gè)減法器，從而產(chǎn)生一個(gè)拍振信號(hào)(拍振信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱)，并在拍振信號(hào)幅值最小的時(shí)候，以手動(dòng)方式將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)調(diào)為50 Hz(這一操作在一定程度上可以抵消50 Hz 基頻的干擾)；最后將做過抵消的信號(hào)放大，并用采集卡采集到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，以達(dá)到獲取故障特征信息的目的。圖2所示為消除50 Hz基頻干擾的程序框圖。

圖2 消除50 Hz基頻干擾的程序框圖

3.1 選擇電流傳感器

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流大小從幾百安培至上千安培，交流電流峰值高、轉(zhuǎn)換比大、頻率分辨精度高，因此對(duì)傳感器的測(cè)量量程、測(cè)量精度、響應(yīng)頻率、線性度與穩(wěn)定性提出了較高的要求。本文選用的電流傳感器型號(hào)為PECT-1600A-70/3-VLT,額定輸入電流為1 600 A，線圈直徑為70 mm，引線長(zhǎng)度為3 m，輸出電壓為±7.07 V。

所選電流傳感器是基于工業(yè)級(jí)電阻溫度(RT)系列柔性羅氏線圈的一款電流轉(zhuǎn)換裝置，適用于各種交流大電流的測(cè)量和控制。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是線性度好，輸出線性度可達(dá) 0.1%，能夠真實(shí)地再現(xiàn)被測(cè)量電流的波形，準(zhǔn)確度高，頻帶范圍寬，相位偏移極小，高頻響應(yīng)特性優(yōu)，可廣泛用于高頻諧波、復(fù)雜波形、電流浪涌等方面的信號(hào)檢測(cè)，對(duì)于高頻、大電流測(cè)量有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。電流傳感器的線路連接如圖3所示。電流傳感器的輸出波形如圖4所示。

圖3 電流傳感器的線路連接示意圖

注：以高功率電爐的單相電流信號(hào)采集為例，采樣率為100千次/秒,存儲(chǔ)深度為10千點(diǎn)。圖4 電流傳感器的輸出波形

從圖4可看出，電流傳感器采集的電流信號(hào)含有50 Hz正弦基波。

3.2 設(shè)計(jì)50 Hz帶通濾波電路

帶通濾波電路依托于圖5所示的狀態(tài)變量濾波電路。

圖5 狀態(tài)變量濾波電路

狀態(tài)變量濾波電路的中間級(jí)運(yùn)算放大器U3為一個(gè)帶通濾波器。該帶通濾波器的帶寬非常窄，能夠真實(shí)還原所通過的50 Hz基頻信號(hào)，使所獲取基頻幅值的精度提高，讓通過減法器的兩路信號(hào)幅值盡可能相等，以滿足產(chǎn)生拍振信號(hào)的需要。

整個(gè)狀態(tài)變量濾波電路的中心頻率的確定是通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器R7和R8來實(shí)現(xiàn)的。其具體做法如下：首先給電路一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz正弦信號(hào)；然后，邊觀察示波器輸出信號(hào)的變化邊調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，把示波器輸出信號(hào)的幅值調(diào)到最大，使得所通過的50 Hz正弦信號(hào)衰減最小。

3.3 設(shè)計(jì)減法器電路

因?yàn)檫\(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，一路為采集的原始信號(hào)，另一路為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，所以在設(shè)計(jì)減法器電路時(shí)，可采用最簡(jiǎn)單的差分輸入形式。減法器電路如圖6所示。

圖6 減法器電路

IN1端輸入的是原始信號(hào)。信號(hào)輸入前需要濾除超高頻與超低頻等無用信號(hào)。因此，該減法器電路串聯(lián)了簡(jiǎn)單的無源電阻電容(RC)高通與低通濾波電路。IN2端輸入的是信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的51 Hz信號(hào)。兩個(gè)端口輸入信號(hào)的幅值和頻率均相近，而兩個(gè)頻率接近的信號(hào)相加或相減會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拍振信號(hào)。減法器輸出的拍振信號(hào)波形如圖7所示。

注：拍振信號(hào)整段波形的時(shí)長(zhǎng)為200 ms,細(xì)節(jié)放大部分的波形時(shí)長(zhǎng)為100 ms；采樣率為5千次/秒，存儲(chǔ)深度為10千點(diǎn)。圖7 減法器輸出的拍振信號(hào)波形

4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

本文首先用電流傳感器拾取大功率電爐的單向電流，并將其與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電流信號(hào)分兩路輸入減法器，產(chǎn)生拍振信號(hào)；然后在拍振信號(hào)幅值最小的時(shí)候，以手動(dòng)方式將51 Hz信號(hào)調(diào)整為50 Hz，以抵消50 Hz基頻的干擾。抵消50 Hz基頻后示波器輸出的信號(hào)波形如圖8所示。

注：拍振信號(hào)整段波形的時(shí)長(zhǎng)為200 ms,細(xì)節(jié)放大部分的波形時(shí)長(zhǎng)為100 ms；采樣率為5千次/秒，存儲(chǔ)深度為10千點(diǎn)。圖8 抵消50 Hz基頻后示波器輸出的信號(hào)波形

通過示波器輸出的信號(hào)波形可以直觀地看出，基頻雖然大部分被抵消，但未能全部抵消。為了獲得使用該方法消除基頻干擾的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，本文對(duì)指定信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行了頻譜分析。所用采集卡的型號(hào)為USB3202，它能提供16位ADC(Analog to Digital Converter)。其輸入量程為±10 V，量化誤差為0.3 mV左右。上位機(jī)顯示的拍振信號(hào)波形如圖9所示。上位機(jī)顯示拍振信號(hào)的頻譜如圖10所示。

圖9 上位機(jī)顯示的拍振信號(hào)波形

圖10 上位機(jī)顯示拍振信號(hào)的頻譜

通過頻譜分析可知，拍振信號(hào)中的基頻成分幅值大約為 0.58 dB。 抵消50 Hz基頻后,經(jīng)數(shù)據(jù)采樣的信號(hào)波形如圖11所示。抵消50 Hz基頻后拍振信號(hào)的頻譜如圖12所示。

圖11 抵消50 Hz基頻后經(jīng)數(shù)據(jù)采樣的信號(hào)波形

圖12 抵消50 Hz基頻后拍振信號(hào)的頻譜

由頻譜分析可知，通過手動(dòng)調(diào)整，基頻幅值已經(jīng)降為0.085 dB左右。

實(shí)驗(yàn)中共采集5組數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行了頻譜分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 dB

根據(jù)表1分析可知：在采集的5組數(shù)據(jù)中，經(jīng)過手動(dòng)處理的基頻幅值最低能達(dá)到0.07 dB，削弱了0.65 dB(占總幅值的90%左右)，但未能將50 Hz基頻全部抵消；經(jīng)過處理，基頻幅值的大小并不是一個(gè)確定值，手動(dòng)處理存在一定誤差，且誤差的大小取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)拍振信號(hào)幅值最小時(shí)刻的把握。從總體上分析可知，本文提出的消除50 Hz基頻干擾的方法具有一定效果，能夠減弱基頻泄露的影響，為故障特征信息的提取提供便利。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流檢測(cè)中出現(xiàn)的基頻淹沒問題，提出了一種基于減法器消除基頻干擾的方法。實(shí)驗(yàn)分析可知，經(jīng)過手動(dòng)處理的基頻幅值最低能達(dá)到0.07 dB，削弱了0.65 dB，抵消部分占總幅值的90%左右。該方法能夠減弱基頻泄露的影響，有效地消除基頻對(duì)于微弱故障信號(hào)的干擾，為后續(xù)故障診斷創(chuàng)造條件。