異步電機故障診斷

鼠籠式異步電機故障診斷的研究摘要：本文主要討論了鼠籠式異步電機故障診斷的常用技術，并對三種常見故障：定子匝間短路、轉子斷條、氣隙偏心，運用基本電磁關系深入分析了故障特征頻率成分的產(chǎn)生機理和原因。利用定子電流信號分析方法，采集定子電流信號，運用傅立葉變換與快速傅立葉變換得到其頻譜圖和時頻圖，觀察是否存在故障特征頻率，進一步判斷是否出現(xiàn)故障。關鍵詞：鼠籠式異步電機、故障診斷、定子匝間短路、轉子斷條、氣隙偏心1引言隨著故障診斷技術的不斷發(fā)展，人們致力于開發(fā)各類專用的電機故障診斷系統(tǒng)，并已成為近年來研究的重點。通過電機的故障特征，準確、有效的掌握、識別各種電機常見故障，對保證生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠地運行、有針對性地減小電機故障率都是十分必要的。2異步電機基本工作原理三相異步電機主要由定子和轉子兩大部分組成。定子與轉子之間有一個較小的空氣隙。當對稱三相繞組接到對稱三相電源以后，就在定子、轉子之間的氣隙內(nèi)建立了以同步轉速n旋轉的旋轉磁場。旋轉磁場切割轉子導體時，在轉子導體中感應電勢，由于轉子繞組是閉合的，在轉子導體中將有電流通過。轉子導體中的電流與旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，使轉子導體受到該力的作用，這一電磁力的方向與旋轉磁場方向相同。在電磁力的作用下形成電磁轉距，拖動轉子順著旋轉磁場方向旋轉。根據(jù)電磁學原理可知，只有轉子轉速n小于同步轉速n1，（即氣隙磁場旋轉轉速）時，轉子相對于旋轉磁場才有相對運動，轉子回路才有可能切割磁力線而產(chǎn)生感應電流，所以轉子轉速不可能達到同步轉速，即n<n，，定義轉差率為： 1s=x100% （1）ni轉差率:是異步電機診斷中的一個重要參數(shù)，電機在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，一般轉差率為2-6%。3異步電機故障診斷技術各種類型的電機具有相同的基本原理，電機內(nèi)部都有電路、磁路、絕緣、機械和通風散熱等獨立而相互關聯(lián)的系統(tǒng)，因而所有電機均可采用診斷技術。但另一方面，各類電機的工作原理有所區(qū)別，結構、電壓等級、絕緣系統(tǒng)等均存在較大的差別，所以診斷方法和重點又有差別，診斷時必須根據(jù)每類電機的具體特點，采用不同的檢測手段?，F(xiàn)代用于電機故障診斷的幾種常用技術有：1）電流分析法（（CurrentAnalysis）通過對負載電流幅值、波形的檢測和頻譜分析，診斷電機故障的原因和程度。例如通過檢測交流電動機的電流，進行頻譜分析來診斷電機是否存在轉子繞組斷條、氣隙偏心、定子繞組故障、轉子不平衡等缺陷。2） 振動診斷（VibrationDiagnosis）通過對電動機的振動檢測，對信號進行各種處理和分析，診斷電機產(chǎn)生故障的原因和部位，并制定處理方法。3） 絕緣診斷（InsulationDiagnosis）利用各種電氣實驗和特殊診斷技術，對電機的絕緣結構、工作性能和是否存在缺陷做出結論，并制定處理方法。4） 溫度診斷（TemperatureDiagnosis）用各種溫度檢測方法和紅外測溫技術，對電機各部分溫度進行檢測和故障診斷。5） 換向診斷（CommutationDiagnosis）對直流電機的換向進行檢鋇（和診斷，通過機械和電氣檢測方法，診斷出影響換向的因素和制定換向的方法。6） 振聲診斷技術（VibroacousticalDiagnosis）簡寫VA診斷。VA診斷技術是對診斷的對象同時采集振動信號和噪聲信號，分別進行信號處理，然后綜合診斷，因而可以大大提高診斷的準確率，因此，振聲檢測和診斷廣泛地收到重視和應用。對電機的故障診斷來說，振聲診斷同樣具有重要價值。本文采用電流分析法，采用電流信號作為監(jiān)測量。電流檢測具有一下幾個方面的優(yōu)點：1） 電流法可以全面反映電機系統(tǒng)的信息。在電機的常用檢測方法中，電流法的應用范圍最廣，其它的檢測方法均對部分故障的檢測有效，無法反映出其它故障。2） 電流信號容易采集，可以做成非侵入式，同時便于與保護和調(diào)速系統(tǒng)集成，電流信號的采集不影響電機的正常工作。3） 在諸方法中，由于探測線圈的安裝有較高的要求，而振動信號由于電機的工作環(huán)境和各種噪聲的影響，故障征兆有時十分微弱，所以磁通方法和振動方法都不是理想的方法。而定子電流法不受環(huán)境的影響，直接從定子繞組上采集電流，精度較高，是比較理想的檢測方法。4） 電流信號中的噪聲水平低。由于電流傳感器是通過電磁感應原理工作的，不受環(huán)境噪聲的干擾，所以具有較好的信噪比。5） 電流法便于集中監(jiān)控。在實際的生產(chǎn)現(xiàn)場，電流信號的采集是在配電室中采集的，這樣測試相對安全，且噪音小、環(huán)境衛(wèi)生，測量人員受到的干擾小，同時，也可集中測試多臺電機，而其它檢測方法要實現(xiàn)同時對多臺設備信號采集是非常困難的。6） 電流法還可以直接反映其傳動機構的信息。由于電機的工作特點，其傳動機構的故障可以引起轉軸在旋轉中空間位置的變化，導致定子電流中產(chǎn)生特有的頻率分量，檢測這一分量可以實現(xiàn)對傳動機構的診斷。通過上述分析可見，利用定子電流方法可以對整個電機系統(tǒng)包括其傳動機構進行有效的故障檢測。4鼠籠式異步電機三種故障的分析與診斷國內(nèi)外曾對鼠籠式異步電動機的故障做了大量的調(diào)查和統(tǒng)計分析工作。如我國東北電網(wǎng)曾對8個發(fā)電廠由同一制造商生產(chǎn)的165臺高壓電動機進行了故障統(tǒng)計，結果表明，對定子部分，主要故障有:主絕緣燒損，占23.3%；定子繞組連接線燒損，占13.3%；定子繞組匝間短路，占3.3%;定子引線短路，占3.3。對轉子部分，主要故障有:轉子導條斷裂、開焊，占36.7;掃膛，占8.3；軸承損壞，占11.7%。在這些故障中，主絕緣燒損在大多數(shù)情況下是由匝間短路發(fā)展而來，

而掃膛則與軸承損壞和偏心有關。因此可以認為，定子繞組匝間短路、轉子斷條和偏心是鼠籠式異步電機主要的三種故障形式。4.1定子匝間短路故障的分析與診斷造成大中型異步電動機匝間短路的原因如下：(1)在檢修時定子繞組受損傷；(2)定子繞組本身匝間絕緣不好；(3)長時間過載運行或頻繁地重載啟動，致使定子電流增大，繞組溫升增高，使定子繞組絕緣迅速老化。通過研究，發(fā)現(xiàn)匝間短路時繞組內(nèi)部不對稱，此時氣隙磁場中有較強的空間諧波，定子電流中有較強的時間諧波。其表現(xiàn)是，3次諧波和5次諧波明顯增加，其中第5次諧波增加較多。三相電流不對稱，故障相電流恒為最大，三相電流之間的相位差偏離120度。因此定子電流中的高次諧波分量往往是診斷定子繞組匝間短路故障的一個重要依據(jù)。將故障信號進行傅立葉變換后即可識別該故障。4.2轉子斷條故障的分析與診斷鼠籠式異步電機在啟動時，繞組內(nèi)短時間流過很大電流，不僅承受很大沖擊力，而且很快升溫，產(chǎn)生熱應力，端環(huán)還需要承受較大離心力。反復的啟動、運行、停轉，使籠條和端環(huán)受到循環(huán)熱應力和變形，由于各部分位移量不同，受力不均勻，會使籠條和端環(huán)因應力分布不均勻而斷裂。另外，由于啟動時的加速力矩，工作時的驅(qū)動力矩是由籠條產(chǎn)生的，減速時籠條又承受制動力矩，由于負載變化和電壓波動時，籠條受到交變負荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞。從而使籠條和端環(huán)的斷裂、開焊發(fā)生。當轉子出現(xiàn)斷條故障時，定子電流中會出現(xiàn)頻率為f=(1±2ks)f、k=1,2,3,…的故障特征電流，其中頻率為(1—2S)匕的電流為最基本的故障特征但是穩(wěn)態(tài)運行時作頻譜分析存在以下幾點不足：實際中不能保證電機在額定負載下運行，即保證有較大的轉差率，當電機輕載時轉差率s更小，于是(I-2s)f分量和f分量的頻率就相當接近。當轉子有輕微故障時，定子電流中故障頻率分量的大小相對于基波頻率分量的比值就很小，若電機運行于輕載時其比值更小。故障頻率往往因為太小而淹沒在基波頻率分量的泄漏中。負載的擺動使定子電流發(fā)生畸變，反映在頻譜圖上常表現(xiàn)為基波頻率f的各種調(diào)制成分，這些調(diào)制成分的譜峰大多分布于主頻f兩側。這樣就導致在頻譜圖上難以直觀的看出有無故障頻率分量。 1根據(jù)以上幾點不足，我們就會設想如果測試條件是在電機定子電流比較大，而且轉差率也比較大的時候，測試的效果會更好，我們自然想到電機的起動過程，電機起動時定子電流很大，而且轉速是從零上升到穩(wěn)態(tài)轉速。怎樣處理電機起動時的信號這就要用到短時傅立葉變換。其基本思想是，取時間函數(shù)g(t)作為窗口函數(shù)，用g(t-T)同待分析的信號f(t)相乘，然后再進行傅立葉變換：Gfg)=jf(t)g(t-t)廠把=<f(t).g(t)>其中R其中g'(t)=g(t-t)ejwt稱⑵式為窗口函數(shù)g(t)的窗口fOUrier變換或短時傅立葉變換。實際上短時傅立葉變換可以看作用一個窗函數(shù)沿著時間軸平移，把整個信號劃分成許多段，然后對每一段進行傅立葉計算。通常用兩種方式來表達計算后的結果，一是將每一段傅立葉計算的結果表現(xiàn)在時頻平面上，即X軸是時間，Y軸是頻率，用Z軸來表示幅度或能量，或用顏色的深淺來表示幅度或能量的大小；二是采用能量譜密度(PowerSpectralDensity,PSD)來表示短時傅立葉計算的結果，PSD就是把每一段傅立葉計算的結果進行平均。4.3氣隙偏心故障的分析與診斷異步電動機的氣隙很小，氣隙的偏心往往會成為故障的誘因。氣隙偏心有兩種情況:靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心。動機定子中心與轉子軸心不重合時，定、轉子之間氣隙將出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，這種氣隙偏心的最小氣隙的位置是固定的，不隨轉子的旋轉而改變位置。也就是說靜態(tài)偏心是由定子鐵心內(nèi)徑的橢圓度或裝配不正確造成的，其特點是偏心的位置(或最小氣隙位置)在空間上是固定的，圓周空間的氣隙大下，在不同位置上也基本不變。也就是說與轉子位置無關。靜態(tài)偏心只是空間函數(shù)。動態(tài)偏心是由轉軸撓曲或轉子鐵芯不圓造成的，偏心的位置對定子是不固定的，對轉子是固定的，通常與轉子的位置和旋轉頻率有關。即偏心位置隨轉子的旋轉而同步的移動，其偏心位置在空間上是變化的。動態(tài)偏心是空間位置和時間的函數(shù)。對于P對極電機，其邊頻帶頻率為：fv=/1士』/1 (4)式(4)即為氣隙偏心特征頻率，通過定子電流檢測，如在定子電流中出現(xiàn)氣隙偏心特征頻率時，就能確定電機存在氣隙偏心。5模型仿真結果異步電機是一個多變量、高階、強禍合的非線性系統(tǒng)，為了便于對電機進行分析研究，有必要對實際電機進行如下假設，抽象出理想化電機模型。忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間中互差120度電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。忽略磁路飽和，認為各繞組的自感和互感都是恒定的。忽略鐵心損耗。不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。無論電機轉子是繞組型還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉子，并折算到定子側，折算后的定子和轉子繞組匝數(shù)都相等。5.1正常電機定子電流信號分析對電機進行仿真分析，我們主要關心的是定子的電流。對于電機穩(wěn)態(tài)運行時，我們用傅立葉變換方法進行定子電流的分析。信號中的頻率主要集中在50Hz，所以采樣率可取200Hz，傅立葉變換的點數(shù)為8192點。圖1為A相電流波形圖和頻率圖，圖中(a)為電流波形，(b)為相應的頻譜圖。從中可以看出，因為為理想狀況，電流頻譜中只有基波分量。對B,C相電流頻譜分析可以得到同樣結論。

200-200 02 200-200 02 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 16 1.0 2(a)timefs)TOC\o"1-5"\h\z1501———-p—8-J—-1I | i ya100￥ 50 p云 i: _i iii< 0*+T±^4^rqi一廠-J、史'一 :,圖1正常電機的A相電流波形和頻譜曲線.一，.1U…z*一.'tw、一一w…3一.』勺.OU一.yu,TUu對于電機起動過程，我們?nèi)‰姍C運仃的刖3s作為起動信號。利用短時傅立葉變換方法對定子電流進行的分析。所選用的采樣率仍為200Hz，采用長度為31的哈明窗。圖2為A相電流起動的時頻圖。從中可以看出，因為為理想狀況，電流頻譜中只有基波分量。對B,C相電流頻譜分析可以得到同樣結論。ISTFT］氣Lh=15.Nf=1D0.lin.scale,surf.Thld=5%

5.2轉子斷條時的電機定子電流信號分析對于故障電機穩(wěn)態(tài)運行時，用傅立葉變換的方法進行定子電流的分析。信號中的頻率主要集中在50Hz，故障頻率也在48Hz到52Hz之間，所以采樣率可取200Hz。圖3電流波形圖和頻率圖，圖中（a）為電流波形，（b）為相應的頻譜圖。(*￥pm=dE<(a)tirne(s)(*￥pm=dE<(a)tirne(s)圖3轉子斷條時電機的腎相電流波形和頻譜曲線異步電機起動過程中，轉差率s是在不斷變化的，由轉子不對稱所感應的（1-2s）f分量的頻率也是不斷變化的。如表1所示，—七.Orpm750rpm1457,5549甲成1OS0.0283(1切一50位Oft47J7ft50位100//z53.83及表1起動過程轉差率與故障分量的變化電機剛開始起動時，轉速為0，轉差率為1，故障頻率量應為-50Hz;隨著轉速的上升，當轉差率等于0.5時，故障頻率分量就為OHz;轉速繼續(xù)上升直到起動過程結束，穩(wěn)定在工作條件下，例如等于0.03，故障頻率分量就等于47Hz。在實際中，我們只會考慮頻率