基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的變頻調(diào)速異步電機(jī)故障診斷方法
張雄希12， 劉振興12
（1武漢科技大學(xué)冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，湖北武漢430081
2武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430081）
摘要：介紹了分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的原理及其刑線性調(diào)頻信號(hào)的處理優(yōu)勢(shì)；以變頻調(diào)速異步電機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了在恒加速和恒減速運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的輸出具有近似線性調(diào)頻信號(hào)的特征，在總結(jié)變頻調(diào)速異步電機(jī)在定子電流頻譜上出現(xiàn)的斷條故障特征的基礎(chǔ)上，提出了基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的變頻詞速異步電機(jī)斷條故障診斷方法。實(shí)踐證明，該方法可以有效地分析變頻調(diào)速異步電機(jī)故障。
關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；變頻調(diào)速系統(tǒng)；斷條故障診斷
中圖分類號(hào)：tm 307—1;tm 343文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1673-6540(2010)04-0059-04
o 引 言
在傳動(dòng)領(lǐng)域，變頻調(diào)速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于頻繁起停、過(guò)載、電源沖擊等原因可對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造成異常和故障。尤其是數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)的大量引入，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于調(diào)速狀態(tài)，供電電源不再是理想的正弦波分布，電源波形e基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 60874109)會(huì)發(fā)生畸變，產(chǎn)生大量的諧波，附加損耗和沖擊型電源會(huì)損傷定、轉(zhuǎn)子繞組和鐵心。因此，需要對(duì)其進(jìn)行有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，以利生產(chǎn)順利地進(jìn)行。
1 變頻調(diào)速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性
變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻電源采用了整流、逆變和高頻開(kāi)關(guān)等電力電子元件，使輸出電壓中的諧波成分劇增，系統(tǒng)具有高度的非線性特性，輸出電壓波形的變化陡度比工頻電壓大得多。若有斷條等故障發(fā)生，由于變頻電源諧波影ⅱ向，定子電流頻譜中的基波旁瓣更易于湮沒(méi)故障特征頻率，同時(shí)由于運(yùn)行過(guò)程中變頻器輸出電壓的大小、頻率、功率開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)角度均與運(yùn)行模式有關(guān)，使得采用一般頻譜分析方法難以有效地提取故障特征，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障診斷。因此，變頻調(diào)速異步電機(jī)的故障診斷方法需另辟蹊徑。
2 分?jǐn)?shù)階傅里葉變換定義及特點(diǎn)
分?jǐn)?shù)階傅里葉變換是近年發(fā)展起來(lái)的一種新的時(shí)頻分析工具，它是傅里葉變換的廣義形式。從本質(zhì)上講，信號(hào)在分?jǐn)?shù)階傅里葉域上的表示，同時(shí)融合了信號(hào)在時(shí)域和頻域的信息。它已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)分析、濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)分析、解微分方程、相位恢復(fù)、模式識(shí)別等領(lǐng)域。
借用時(shí)頻分析的概念，以時(shí)間和頻率分別為橫軸和縱軸，則可把普通的傅里葉變換x(f)看作是時(shí)間信號(hào)x(t)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7r/2的線性變換，如果角度不等于n/2整數(shù)倍旋轉(zhuǎn)，時(shí)間信號(hào)x(t)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)n/2的非整數(shù)倍的線性變換，可稱作分?jǐn)?shù)階傅里葉變換。
當(dāng)α以π/2非整數(shù)倍旋轉(zhuǎn)時(shí)，令α=pπ/2�？紤]α為n/2整數(shù)倍和非整數(shù)倍的廣義傅里葉變換為：
式中變換和取作：
式中：n為整數(shù)，α=pπ/2，p稱為分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)，xp(u)稱為x(t)的p階傅里葉變換。
分?jǐn)?shù)階傅里葉變換具有時(shí)移特性、頻移特性及尺度特性等性質(zhì)。利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，通過(guò)改變階次p，可自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)域和頻域分辨率。因此，該方法具有良好的時(shí)頻局部化特性，對(duì)于時(shí)變信號(hào)處理和特征提取具有獨(dú)特的優(yōu)越性。
3基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的變頻調(diào)
速異步電機(jī)斷條故障診斷方法本文討論的變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器為交直交電壓型。交一直一交變頻器主要由整流部分（dl-d6）、整流電容c和逆變部分（t1-t6）組成，如圖l所示。
根據(jù)故障設(shè)計(jì)結(jié)果，本文對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)的主要故障異常行為——轉(zhuǎn)子斷條的特征及診斷進(jìn)行研究。根據(jù)多回路模型與參數(shù)建立正常和斷條時(shí)的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)正弦脈寬調(diào)制( spwm)理論建立逆變器模型， |
