一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法与流程

1.本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法。


背景技术：

2.电机作为动力来源，被广泛使用在各行各业，如各种机床、电动汽车、高铁机车、工厂动力设备、给排水设备、电梯、电风扇、空调等等。由于电机应用的工况条件复杂以及保护措施不完善，经常遇到电机转子被堵转的情况，例如电机转子上传动机构被抱死或者变速齿轮因异物或故障导致堵转、电梯传动链条被卡死、传送装置的皮带卡住、水泵流体介质结冰或者泥沙堵转等等。一旦发生堵转，电机的电流急剧上升，其远大于额定工作电流，甚至能达到额定电流的十几倍。巨大的电流导致电机功耗急剧增加，电机内部的温度快速上升，电机线圈绝缘漆损坏，导致电机内部短路，进一步增大的电机的电流，严重时甚至会引起火灾。目前，现有文献中给出的堵转检测技术普遍采用检测电机转速、电机反电动势、电机内部温度以及电机电流等方案。采用电机转速和电机内部温度来检测堵转方案，需要在电机的内部或者转轴上增加检测元件，导致电机结构复杂，进而影响整个电机的设计和制造工艺，增加成本和复杂性。采用反电动势方案检测堵转，一方面需要准确可靠的数学模型通过反电动势计算出转速；另一方面，当转速较低时，反电动势的值较小，采样得到的数据信噪比不高，容易受到噪声的干扰，需要复杂的信号处理方法，导致软件算法复杂，成本高。采用电流检测堵转，由于获取数据方面，无需改变结构而广泛使用。但现有方案往往只是检测电流的峰值大小来判断是否发生堵转，通过与出厂前测试获得的电机堵转电流参考值进行比较，进而判断水泵是否发生启动堵转。该方案主要存在以下问题：其一，电机老化及工作环境的差异等原因导致堵转电流漂移；其二，仅依靠启动电流峰值单点参数判断，会导致的误判及失效，降低判断的可靠性、鲁棒性和抑制干扰的能力。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法。本发明具有判断准确，结构简单，成本低廉的优点。
4.本发明的技术方案：一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，包括如下步骤：
5.步骤一、在电机正常软启动时，以采样周期ts为间隔对电机电流有效值进行采样，对采样数据进行无量纲处理得到归一化参考序列
6.步骤二、在电机启动转堵检测时，同样以采样周期ts为间隔对电机电流有效值i
soft
(t)进行采样，对采样数据进行无量纲处理得到归一化参考序列
7.步骤三、将作为比较序列，作为参考序列，得到
误差序列{δ0(m)}
m＝1,2,
…
,n
，其中：
8.步骤四、计算关联系数式中，第二级最小差δ(min)＝0，第二级最大差δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5；
9.步骤五、计算关联度r：
10.步骤六、判断关联度r是否大于等于0.8，若不是则认定电机启动堵转故障。
11.上述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，步骤一中的采样过程是确定电机电流有效值的最大值出现时刻获取时间内的电流有效值数据，组成序列其中：
12.前述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，步骤二中的采样过程是确定电机电流有效值i
soft
(t)的最大值出现时刻获取时间内的电流有效值数据，组成序列{i
soft
(m)}
m＝1,2,
…
,n
，其中：
13.前述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，在步骤三前，先进行判断和若都不是，则认定电机启动堵转故障。
14.前述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，在电机正常软启动时，先判断电机运行工况是否发生改变，确认电机没有处于堵转及其他过载等非正常情况之后，再执行采样工作，控制器将软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。
15.前述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，在电机启动转堵检测时，先将软启动阻抗接入电机电源线，保证堵转时电流始终处于安全范围。
16.前述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，步骤六中，判断关联度r是否大于等于0.8，若是，则电机处于正常软启动状态，判断软启动定时是否结束，如果是，则控制器短路电机电源线上软启动阻抗，水泵进入正常工作程序；否则，等待。
17.与现有技术相比，本发明通过检测电机软启动特定时间窗口内电流序列，并与正常软启动特定时间窗口内参考电流序列进行灰色关联度分析，依据得出的关联度判断电机是否存在堵转故障。本发明提出的电机启动堵转判断方法将电机运行工况发生改变时的正常软启动特定时间窗口内电流序列作为基准参考序列，能有效提高该算法适应不同工况环境以及抑制电机老化导致参数漂移的能力。本发明的硬件结构简单，只采样分析电流数据，成本低。此外本发明增加软启动阻抗有效限制启动电流，保证堵转时电流始终处于安全范围，保证电机安全可靠；本发明获取软启动电流窗口时间内关联度作为判别依据，算法简单的同时能有效降低误判，提高诊断的可靠性、鲁棒性和抑制干扰的能力。本发明获取工况发生改变(如工作环境改变、电机发生老化等)时的电机软启动电流作为堵转检测的基准参考，能自适应电机工况及参数变化导致的堵转电流漂移。
附图说明
18.图1是电机软启动电路示意图；
19.图2是为正常软启动电流和转速时间变化曲线图；
20.图3是堵转故障时软启动电流和转速时间变化曲线图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
22.实施例：一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，包括电机正常软启动电流获取算法和电机启动堵转检测算法两部分，电机正常软启动电流获取算法包括如下步骤：
23.(1)判断电机运行工况是否发生改变(例如工作环境改变以及电机运行时间过长导致老化等)？如果是，则进入步骤(2)；否则，无需设置新的参考序列，程序退出；
24.(2)确认电机没有处于堵转及其他过载等非正常情况之后，手动按下正常软启动电流序列获取模式按键，执行软启动电流序列获取程序，进入步骤(3)；
25.(3)控制器将软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。同时以采样周期ts为间隔开始对电机电流有效值进行采样；
26.(4)确定的最大值及其出现时刻
27.(5)获取时间内的电流有效值数据，组成序列其中：对进行无量纲处理得到归一化参考序列其中：
28.(6)将和保存到内存中，作为电机启动堵转判断算法的参考；
29.(7)系统显示已成功更新软启动电流参考序列并停机；
30.(8)程序退出；
31.电机启动堵转判断算法，包括如下步骤：
32.(1)进入电机启动堵转判断程序；
33.(2)控制器将软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。同时以采样周期ts为间隔开始对电机电流有效值i
soft
(t)进行采样。
34.(3)定义，第二级最小差δ(min)＝0，第二级最大差δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5；
35.(4)获取i
soft
(t)的最大值及出现时刻
36.(5)获取时间内的电流有效值数据，组成序列{i
soft
(m)}
m＝1,2,
…
,n
，其中：对{i
soft
(m)}
m＝1,2,
…
,n
进行无量纲处理得到归一化序列
其中：
37.(6)判断和(其中η、δ为设定阈值，例如：0.1，0.2)是否成立？如果是，进入步骤(7)；否则，进入步骤(13)；
38.(7)将作为比较序列，作为参考序列，得到误差序列{δ0(m)}
m＝1,2,
…
,n
。其中：
39.(8)计算关联系数
40.(9)计算关联度r：
41.(10)判断r≥0.8是否成立？如果是，进入步骤(11)；否则，进入步骤(13)；
42.(11)电机处于正常软启动状态，判断软启动定时是否结束？如果是，进入步骤(12)；否则，等待；
43.(12)控制器短路电机电源线上软启动阻抗，水泵进入正常工作程序，进入步骤(14)；
44.(13)控制器断开电机电源，报警电机故障，进入步骤(14)；
45.(14)堵转检测程序退出。
46.为了进一步的阐述本发明的技术方案，图1所示为电机软启动电路的工作原理如下：
⑴
系统通电处于待机状态时，输出端口out1和out2均为低电平。控制器通过键盘扫描程序实时检测按键的状态，在发现s1按下后，控制器执行正常软启动电流获取算法。此时，控制器使能软启动定时器运行，用于设定软启动时间。与此同时，控制器输出端口out1为高电平，km1线圈通电，km1的三相触点闭合，380v三相交流电接入电机。由于out2为低电平，km2触点保持断开状态，三相软启动阻抗z串联在电源线上，电机处于软启动状态。控制器通过ad实时采样电流有效值检测电路的值，获取软启动阶段电流随时间的变化关系直至软启动定时结束。通过对软启动阶段电流的分析，获取峰值的出现时刻及窗口时间内的归一化参考序列并将其作为电机启动堵转识别的基准参考值存储于处理器的内存中。
⑵
在基准参考值已经存在的条件下，控制器通过键盘扫描程序发现s2按下后，控制器执行电机启动堵转检测算法。控制器使能软启动定时器运行。与此同时，控制器输出端口out1为高电平，km1线圈通电，km1的三相触点闭合，380v三相交流电接入水泵。由于out2为低电平，km2触点保持断开状态，三相软启动阻抗z串联在电源线上，电机处于软启动状态。控制器通过ad实时采样电流有效值检测电路的输出值i
soft
(t)，求出i
soft
(t)最大值出现时刻
计算窗口时间内i
soft
(t)的归一化参考序列进而计算关联系数和关联度通过判断关联度r是否大于等于0.8，进而识别电机运行是否处于启动堵转故障状态。当不满足时，认为电机处于启动堵转故障，控制器输出端口out1为低电平，km1线圈断电，km1的三相触点断开，停机并报警堵转故障。反之，电机处于正常启动状态，其状态一直持续到软启动定时结束。一旦软启动结束时，控制器输出端口out2为高电平，km2线圈通电，km2的三相触点闭合，结束软启动状态进入全压正常运行状态。
⑶
无论控制器是在执行正常软启动电流获取算法还是执行电机启动堵转检测算法，只要发现s3按下后，out1和out2为低电平，立即停机。
47.图2所示为正常软启动电流和转速时间变化曲线图，图中相关参数说明如下：为正常软启动电机电流随时间t的关系曲线、为正常软启动电机转速随时间t的关系曲线、为达到最大值对应的时间、in为电机额定电流值、nts为软启动数据观测窗口时间、n为窗口时间内采样数据的数量、ts为采样周期、为软启动结束时间。
48.正常软启动时，已经确保了电机的工况不会出现堵转等情况。软启动开始时，由于电机电路的电磁惯性较小，软启动电流从零快速上升到但由于电机电源线上串联软启动阻抗的限流作用，可以控制的大小满足其中：α为大于零的数，具体数值可由实际情况确定。通过控制α的取值，可以保证电机的合成启动转矩不至过大也不至过小，实现电机能以一定的加速度正常软启动运行。加之电机机械转动惯性远大于电路的电磁惯性，所以在电机转速可忽略不计。但在合成转矩作用下，电机转速持续增加，电机反电动势也持续增大，电流在持续减小。因反电动势的持续增大，故在下降程度逐渐减小，曲线逐渐平坦。但是，在观测窗口时间内，曲线变化明显。
49.图3所示为堵转故障时软启动电流和转速时间变化曲线图，图中相关参数说明如下：i
soft
(t)为堵转故障时软启动电机电流随时间t的关系曲线、n
soft
(t)为堵转故障时软启动电机转速随时间t的关系曲线、为i
soft
(t)达到最大值对应的时间、为软启动堵转故障电流稳定值、为正常软启动电机电流的最大值、nts为软启动数据观测窗口时间、n为窗口时间内采样数据的数量、ts为采样周期、为软启动结束时间。
50.当电机堵转时，n
soft
(t)与时间轴重合，保持为零，其反电动势为零。由于电机电路的电磁惯性较小，软启动时电流从零快速上升，并在时刻到然后稍有下降，并快速达到堵转稳定电流由于正常软启动时间内电机转速很小，所以
与差距很小。而由电机等效电路模型可知，模型中的漏电感和励磁电感很小，电机堵转时软启动的峰值电流与差距同样很小。所以有，的值差距很小。同理，和的差距同样很小。但是，图2和图3所示波形曲线在观测窗口时间和内，曲线变化明显，而i
soft
(t)变化不明显。
51.对比图2和图3波形可知，电机正常软启动电流和堵转故障软启动电流i
soft
(t)在各自时间窗口和内变化很大。由灰色关联度的定义及数学意义可知，正常软启动电流和堵转软启动电流在观测窗口时间内的相关性较小。因而，可通过计算观测窗口时间内i
soft
(t)与的灰色关联度来判断实际工况是否为堵转，实现电机的堵转快速保护，提高电机的工作寿命和安全性。
52.综上所述，本发明通过检测电机软启动特定时间窗口内电流序列，并与正常软启动特定时间窗口内参考电流序列进行灰色关联度分析，依据得出的关联度判断电机是否存在堵转故障。本发明提出的电机启动堵转判断方法将电机运行工况发生改变时的正常软启动特定时间窗口内电流序列作为基准参考序列，能有效提高该算法适应不同工况环境以及抑制电机老化导致参数漂移的能力。

技术特征：
1.一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、在电机正常软启动时，以采样周期t
s
为间隔对电机电流有效值进行采样，对采样数据进行无量纲处理得到归一化参考序列步骤二、在电机启动转堵检测时，同样以采样周期t
s
为间隔对电机电流有效值i
soft
(t)进行采样，对采样数据进行无量纲处理得到归一化参考序列步骤三、将作为比较序列，作为参考序列，得到误差序列{δ0(m)}
m＝1,2,
…
,n
，其中：步骤四、计算关联系数式中，第二级最小差δ(min)＝0，第二级最大差δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5；步骤五、计算关联度r：步骤六、判断关联度r是否大于等于0.8，若不是则认定电机启动堵转故障。2.根据权利要求1所述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：步骤一中的采样过程是确定电机电流有效值的最大值出现时刻获取时间内的电流有效值数据，组成序列其中：3.根据权利要求2所述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：步骤二中的采样过程是确定电机电流有效值i
soft
(t)的最大值出现时刻获取时间内的电流有效值数据，组成序列{i
soft
(m)}
m＝1,2,
…
,n
，其中：4.根据权利要求1所述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：在步骤三前，先进行判断和若都不是，则认定电机启动堵转故障。5.根据权利要求1所述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：在电机正常软启动时，先判断电机运行工况是否发生改变，确认电机没有处于堵转及其他过载等非正常情况之后，再执行采样工作，控制器将软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。6.根据权利要求1所述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：在电机启动转堵检测时，先将软启动阻抗接入电机电源线，保证堵转时电流始终处于安全范围。
7.根据权利要求1所述的基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，其特征在于：步骤六中，判断关联度r是否大于等于0.8，若是，则电机处于正常软启动状态，判断软启动定时是否结束，如果是，则控制器短路电机电源线上软启动阻抗，水泵进入正常工作程序；否则，等待。

技术总结
本发明公开了一种基于灰色关联算法的电机启动堵转判断方法，本发明通过检测电机软启动特定时间窗口内电流序列，并与正常软启动特定时间窗口内参考电流序列进行灰色关联度分析，依据得出的关联度判断电机是否存在堵转故障。本发明提出的电机启动堵转判断方法将电机运行工况发生改变时的正常软启动特定时间窗口内电流序列作为基准参考序列，能有效提高该算法适应不同工况环境以及抑制电机老化导致参数漂移的能力。参数漂移的能力。参数漂移的能力。


技术研发人员：李峰平 彭志辉 黄继宝 冮建华 黄波 杨凯博
受保护的技术使用者：爱科赛智能科技（浙江）有限公司
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/5/25