（电力电子与电力传动专业论文）基于dso2100的异步电机故障诊断系统研制.pdf

童玺鎏翟三銮兰王兰翟圭兰些鲨吝 a d i a g n o s t i cs y s t e mo f t h ef a u l ti ni n d u c t i o n m o t o rw i t hd s o 2 1 0 0 a b s t r a c t t h ee l e c t r o m o t o ri sa ne q u i p m e n tt h a ti sw i d e l yu s e di nt h em o d e mi n d u s t r y a n dt h en o r m a ll i v i n g m a n ys t u d i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da b o u tt h et h e o r ya n d m e t h o do fo n - l i n ed e t e c t i o no fr o t o rf a u l ti ni n d u e t i o nm o t o r s i nt h i sp a p e r b a s e do nt h ew o r k sp r e v i o u s l y ，t h et y p eo ft h ef a u l ta n dt h em e t h o do f d i a g n o s i s i ni n d u c t i o nm o t o r si ss u m m a r i z e d a n dad i a g n o s t i cs y s t e mo ft h ef a u l ta b o u t i n d u c t i o nm o t o rw i t hd s o 2l0 0i si n t r o d u c e d t h eg e n e r a lf a u l t so fe l e c t r o m o t o ra r et u r n t o - t u r ns h o r ti nw i n d i n go fs t a t o r a n dr o t o r ，e a r t hc o n n e c t i o ni nw i n d i n g ，b r o k e n b a ri nr o t o r , c o l l a p s i n gi ne n dr i n g a n da i r g a pe c c e n t r i c i t y t h ec o m m o nd i a g n o s i sm e t h o d so fr o t o rf a u l ta r es t a t o r c u r r e n ta n a l y s i s ，i n d u c t i o nv o l t a g ea n a l y s i s ，t o r q u ea n dh a r m o n i ca n a l y s i s ， r o t a t i o n a ls p e e dd e t e c t i o n a x i a lm a g n e t i cf l u xa n da x i a lv i b r a t i o nd i a g n o s i s t h e m e t h o do fc u r r e n ta n a l y s i si su s e dw i d e l y t h ed s o 2 1 0 0i su s e di nh a r d w a r ed e s i g no f t h es y s t e m t h ef a u l td i a g n o s i s i sd o n et h r o u g hc h a n g i n gt h es t a t o rc u r r e n ts i g n a lo fo p e r a t i o nm o t o rt ot h e v o l t a g es i g n a lb yh o l t zc u r r e n ts e n s o r ，f i l t r a t i n gt h ea v a i l a b l ed a t af r o mt h e v o l t a g es i g n a lb ym f l 0 ，t h e nw r i t i n gt h ea v a i l a b l ed a t ai nt h es t a t i cr a mo f d s o 2 1 0 0a n ds t o r i n gt h ed a t at ot h ec o m p u t e rt h r o u g hp a r a l l e li n t e r f a c e t h i s w i l lb ec o n v e n i e n tf o ra n a l y s i sa n ds t u d y i nt h ea s p e c to ft h es o f td e s i g n ，t h es y s t e mi sd e p e n d e do nt h ep r o g r a m l a n g u a g ec + + b u i l d e r , s e c o n d a r yc o m p i l i n gt h ec o n t r o ls o f tb yt h es e c o n ds t u d y l i b r a r yo fd s o - 2 t 0 0 ，a d d i n gt h ef u n c t i o no ft h es i g n a ls p e c t r u ma n a l y s i s n a m e l y , t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a n g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mf r o mt h e s i g n a lo ft h es t a t o ri n d u c t i v ec u r r e n t t h ef a u l tt y p ec a nb el c o a t e da n dt h er e a s o n c a u s i n gt h em o t o rf a u l tc a nb ed e t e r m i n e d p r o v e db yt h ee x p e r i m e n t ，t h ef r a m eo ft h es y s t e mi ss i m p l e ，t h ed i a g n o s i s e f f e c to ft h es y s t e mi sp e r f e c ta n dt h es y s t e mh a sp r a c t i c a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y k e y w o r d s m o t o rf a u l t ；c u r r e n ti n s p e c t i n g ；f a u l td i a g n o s i s ；e c c e n t r i c i t yg a p 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 设备故障诊断技术的产生和发展背景 设备故障诊断技术( m a c h i n ec o n d i t i o nd i a g n o s i st e c h n i q u e 缩写为c d t ) 是 近期兴起的一门包含很多新科技内容的综合技术。可以根据机械、电气等各类 设备运行过程中产生的各种信息，实现设备在带负荷运行时，或基本上在不拆 卸的情况下，通过对其状态参数的检测和分析，判断是否存在异常和故障以及 故障的位置和原因，并对设备未来状态进行预测。 设备诊断技术涉及到多方面知识领域，以及对设备故障机理的研究。它必 须根据设备在使用过程中的故障机理、劣化程度的检测和分析，性能强度的检 测和分析等各种方法，分析和判断设备的运行状态，确定设备故障韵部位和劣 化程度，预测设备的可靠性与寿命，制定最合适的修理方案和检测周期1 1 】。 在上世纪6 0 年代后半期，设备故障诊断技术首先在美国出现，最初的目 的是用于对航天、核能、军事装备进行旱期异常检测。航天、航空、核工业等 部门对于现代化设备的安全性和可靠性的要求很高，机器设备故障必须事先发 觉，并采取预防，否则一旦发生事故，将会导致重大的经济损失、人员伤亡和 严重的环境污染。如美国三里岛核电站1 9 7 9 年3 月2 9 日由于系统误判和误操 作，使反应堆堆芯严重损坏，放射性物质逸出，造成几十亿美元的经济损失， 同时也引起了居民抗议和示威；印度博帕尔农药厂1 9 8 4 年1 2 月异氰酸甲酯毒 气泄漏，造成了2 0 0 0 多人的死亡和2 0 多万人受害的工业大事故：1 9 8 6 年4 月 在乌克兰境内的切尔诺贝利电站发生误操作事故，放射性物质溢出，造成了严 重的人员伤亡和污染公害口l 【3 1 。以上种种例子说明现代化设备的故障征兆必须 在早期预报，才可以防患于未然。 由于大工业生产的形成和生产的社会化，企业生产能力和效率的提高，促 进了生产装备现代化水平的不断提高，设备的管理和维修逐渐成为工业化大生 产中一个重要问题，生产的不断发展促使设备管理和维修体制随之作适应性变 革。上世纪7 0 年代，设备诊断技术的出现和迅速推广应用，使设备维修体制 进入了一个新的方式状态维修方式。从工业化大生产到至今，设备维修大 致经历了三种方式：事后维修；预防维修；状态维修。 随着计算机和电子技术的迅速发展，生产装备不断向着大型化、高速化、 哈尔滨理工大学工学颁士学位论文 连续化和自动化方向发展，使生产能力不断提高，同时对设备提出了新的要 求，如性能要更好，功能要更强，精度要更高，这就使得设备越来越复杂，越 来越昂贵。大规模生产的流程化作业也越来越普遍，其结果是一旦发生突然事 故，不仅会造成生产流程环节中断和重大经济损失。而且还有可能引起人员伤 亡和环境污染以及各种社会问题。 1 2 故障诊断技术的发展概况 国外故障诊断技术发展概况 故障诊断技术的研究是一个比较老的话题，早在二十世纪初各国研究人员 就对此进行了研究。美国是开发故障诊断技术最早的国家，在二次大战时，美 国军用装备频繁出现故障，暴嚣了定期预防维修方式的弱点，为了解决这一问 题，美国开始大力发展可靠性工程的研究，并把研究成果用到了飞机、坦克、 舰艇等军事装备中，取得了较好的效果。 1 9 6 7 年4 月1 8 1 9 曰，由美国宇航局( n a s a ) 倡导，在美国海军研究室 ( o n r ) 主持下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) 。除此之外，美国还有其 它几个单位在从事这项技术的研究和开发，他们在故障机理、诊断技术等方面 都取得了很多进展。在欧洲，很多国家在故障诊断领域都有他们自己的专长和 特色。如丹麦b & k 公司的声学和振动的检测和监测技术，瑞典a g e m a 公司 的红外测温技术等。另外，日本在故障诊断方面的开发和应用发展也很快 4 1 。 电机故障诊断技术是设备诊断技术的一个部分，由于电机的工作原理和结 构上的种种特点，其诊断方法和采用的检测技术和其它设备有所不同。电机的 诊断需要涉及到较多技术领域，如电机学、热力学、传热学、高压技术、材料 工程、电子测量学、信息工程技术等。 由于电机存在几个相互关联的工作系统，故障起因和故障征兆往往表现出 多元性l 也就是说电机上一个故障，常常表现出多种的故障征兆。如鼠笼型异 步电机转子导条断裂或开焊时，就会出现振动增加，起动时间延长，定子电流 摆动，电机转差率增加，转速、转矩波动，温升增高等故障征兆，而且它们往 往都是相互关联的。断条故障发生后，电机继续运行。随着劣化过程的延续， 断条数量将越来越多，征兆将越来越显著，故障越来越明显。但也有几个故障 起因，同时反映出一个故障征兆。如一台直流电机运行中由于过载、机械振 动、换向器变形、维护不当、湿度过低等原因，都将造成换向恶化的故障，这 堕玺堡垩三查耋三兰罂圭兰堡墼兰 些故障同时表现出火花加大的现象。 在二十世纪初，各国纷纷对电机的故障诊断技术进行了研究，并发现只要 电机出现故障，电机电流必定重新分布，由于电流的变化肯定会引起电机磁场 的重新分布。1 9 7 8 年j u f c r 用数学的方法推断出电机转予断条故障是如何对供 电电流进行调制的i ”，这一推断在1 9 8 2 年得到h a r g i s 等人的支持【6 l ，并阐述了 检测电机转子故障的几种方法：定予电流法、转速波动法和振动分析法。 k a m a s h 证明了故障可以通过定子铁心的振动来检测。同年，s t e e l e 提出，感 应电动机绕组和端环故障能够通过监测定子电流的方法加以检测川。 w i l l i a m s o n 也提出了一套完整的旋转磁场理论嘲，说明电机在恒速运行情况 下，转子导条和端环故障是怎样对定、转子电流产生影响的。1 9 9 8 年， w i l l i a mt o r b a tt h o m s o n 提出了利用有限元分析法和快速傅里叶变换( f f t ) 对 三相感应电机定子电流进行分析，提取故障特征频率来判断电机转子故障发生 的原因1 9 1 【l 叭。随后s a y a d 也提出了对电机振动信号采用有限元分析法来检测 气隙偏心故障】。 1 2 2 国内故障诊断技术的研究和开发情况 国内故障诊断技术的研究和开发是从上世纪7 0 年代末期开始的。当时国 家经委下属的中国设备管理协会积极推动和组织这项技术在国内各部门的应用 和研究，使得这项技术在国内的企业得到了相当的重视。8 0 年代初，国内的一 些重点大学相继成立了故障诊断研究室，并取得了一定的研究成果。 原冶金部设备研究所、机械部机械科学研究所等研究单位结合产业部门生 产的实际状况，在国内较早的开展了这项技术的应用研究，在生产线上用铡振 和频谱技术、红外热成像技术、铁谱技术、声发射技术等对工业生产运行设备 进行各种诊断，解决了许多实际问题。随着科学技术的不断发展，故障诊断技 术在电力系统、石油化工、冶金部门、矿业部门等行业都取得了很好的效果及 经济效益f 1 2 j 【。3 j 【i ”。 二十世纪九十年代初我国也开始在电机故障领域里探索。如1 9 9 0 年，温 仲元提出了通过分析电机电流对感应电机故障进行诊断【1 6 l ；1 9 9 1 年，黄志勇提 出了定子电流谱分析法诊断电机故障【1 7 j ；1 9 9 2 年，清华大学的姜建国提出了基 于最优原理的噪声抵消法和模式分类法岬1 ，并介绍了这两种方法在电机故障诊 断中的应用实例；1 9 9 3 年，清华大学的窦玉琴、付立军通过测量电机的轴磁通 和电流信号分别进行了断条和偏心模拟试验【l ”。1 9 9 4 年，哈尔滨工业大学的王 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 风昌曾用频谱分析仪分析过模拟断条故障电机的频谱【20 1 ，得出与国外专家相同 的结论；哈尔滨理工大学的时献江利用计算机分析了数十台电机的电流频谱， 用来分析电机及其拖动设备的故障，编制了专门的软件，并取得了一例断条诊 断成功的实例 2 t ie 2 2 】；1 9 9 5 年，北京理工大学的周东华首先建立了电机的七阶动 态模型：然后基于一种强跟踪滤波器和修正的贝叶斯算法对在线故障检测进行 了仿真研究1 2 3 ；1 9 9 6 年，叶立明提出了电机常见故障的模糊诊断法 2 4 】；1 9 9 7 年，清华大学邱阿瑞提出了提取感应电动机转子故障特征的新方法【2 5 】，通过对 电动机定子电流信号作h i b e r t 变换解调处理，提取故障特征分量，试验结果表 明此方法适用于负荷波动较大的电动机转子故障的诊断。到目前为止，对感应 电机的故障检测方面的研究大部分仍采用对电机定子电流的检测【2 7 l ，通过各 种方法对信号进行分析【2 8 】【2 9 】f 3 0 】，提取故障特征频率，并根据特征频率下幅值的 变化，判断电机故障的类型。 1 3 研究的目的、意义以及主要内容 1 研究目的电机故障是现代工业设备中出现频率较高的故障之一。为了 减少故障停机造成的损失，在生产中应用电机故障诊断技术改变维修方式， 减少突发性的事故停产，降低维修费用，其经济效益比较显著。英国、美国、 日本等国家曾经对此作过统计。8 0 年代，英国对2 0 0 0 个国营工厂进行调查发 现使用故障检测手段每年可节约维修费用3 亿英镑 美国p e k n l l 发电厂在 i m e k o 第三届国际会议上报告了采用诊断技术的经济效益，该系统每年能节 约费用1 2 6 万美元，系统每年的诊断成本为3 5 万美元，则诊断系统的经济效 益系数为1 2 6 3 5 = 3 6 。 2 研究意义1 9 8 7 年，美国e n t e k 科学公司在多年对感应电机实验与理 论研究的基础上研制了一套感应电机故障诊断专家系统m o 瞬m o n i t o r ( m m ) 软件p 1 】【3 2 】，此系统目前在世界上是独家产品，其可靠性和实用性已得到了充分 验证。但此产品价格非常昂贵，普遍应用性不高。本研究使得电机故障诊断系 统既能在生产中广泛应用，又能在经济上被人们所接受。相信随着电机在生 产、生活中的普及应用，以及人们经济意识的不断提高和对电机故障检测的认 识和了解，我们的研究项目将会有很大的市场前景。 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 借鉴上述m m 专家系统的设计思路，采用常见的设备，制定出总体设 计方案。本方案利用霍尔传感器采集电机运行时的定子电流信号，经过滤波后 。兰奎鎏墨三盔兰三兰璧圭耋篁鎏兰 存入计算机，进行信号频谱分折，识别电机故障的特征频率。 ( 2 ) 异步电机故障诊断系统的硬件电路设计。包括霍尔电流传感器、高通 滤波电路、直流电源以及时钟信号电路的设计。 ( 3 ) 使用可视化编程软件c + + b u i l d e r 对美国l i n k s 公司的虚拟数字示波器 d s o 一2 1 0 0 的控制软件进行二次开发，这是本设计的重点部分。包括动态库的 调用、硬件自测试、数据采集、信号处理以及文件操作和软件封装。 ( 4 ) 在一台7 5 k w 的样机上进行试验研究。分别测出电机在不同负载、不 同偏心率的情况下电机的转速和定子电流的变化情况，并分析总结电机出现故 障时特征频率的变化规律。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章电机故障的类型和诊断原理 2 1 电机故障的类型 异步电机的故障是多种多样的，也很复杂，常见的电磁及机械故障有以下 几种： 1 定转子绕组匝间短路、相间短路和绕组接地故障。这种故障出现的原 因，主要是由于电机长期运行发热，绝缘老化或工作环境中水分、尘埃等物质 与绝缘相互作用，使绝缘击穿，以及电机工作中由于各种电磁力、机械力的冲 击作用，也可使绝缘损坏。 2 鼠笼式转子的断条、裂环，弯曲变形等故障。这种故障出现的原因有生 产制造过程中的潜伏隐患，运行过程中的疲劳损坏，以及起动、过载运行中有 较大的热负荷、电磁力冲击等。 3 转子偏心故障。可分为静态偏心和动态偏心两种类型。静态偏心，主要 是由于定子铁心呈椭圆形或定转子定位不准确( 即定转子不同轴心) 引起的， 而动态偏心是由于转轴弯曲、高转速时机械共振或轴承损坏等原因引起的。 2 2 电机故障诊断的几种常用技术 各种类型的电机具有相同的基本原理，电机内部都有电路、磁路、绝缘、 机械和通风散热等独立而相互关联的系统，因而所有电机均可采用诊断技术。 但另一方面还应看到，各类电机的工作原理有所区别，结构、电压等级、绝缘 系统等均存在较大的差别，所以诊断方法和重点又有差别，诊断时必须根据每 类电机的具体特点，采用不同的检测手段【”l 。 1 电流分析法( c u r r e n ta n a l y s i s ) 通过对负载电流波形的检测和频谱分析， 诊断电机是否存在转子断条、气隙偏心、定子绕组故障、转子不平衡等缺陷。 2 振动诊断( v i b r a t i o nd i a g n o s i s ) 通过对电机振动的检测，诊断电机产生 故障的原因及部位，并制定处理方法。 3 + 绝缘诊断( i n s u l a t i o nd i a g n o s i s ) 利用各种电气实验和特殊诊断技术，对 电机的绝缘结构、工作性能和是否存在缺陷做出判断，并对绝缘剩余寿命做出 预测。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 温度诊断( t e m p e r a t u r ed i a g n o s i s ) 用各种温度监测方法和红外测温技 术，对电机的各部分温度进行监测和故障诊断。 5 换向诊断( c o m m u t a t i o nd i a g n o s i s ) 对直流电机的换向进行监测和诊断， 诊断出影响换向的因素和制定改善换向的方法。 6 振声诊断技术( v i b r a t i o n a ld i a g n o s i s ) 简写为v a 诊断。v a 诊断技术是 对诊断对象同时采集振动信号和噪声信号，分别进行信号处理，然后综合诊 断，因而可以大大提高诊断的准确率，因此，振声检测和诊断受到了重视和广 泛应用。 2 3 电机故障原因分析 2 3 1 定子铁心的故障 2 3 1 1 定子铁心短路大部分发生在齿顶部分，常见于异步电机和高速大容量 的同步电机中。交流电机定子铁心中磁通是交变的，铁心中的磁滞损耗、涡流 损耗及表面磁通脉振损耗都使铁心发热，为了减少定子铁心的铁损，通常都将 定子冲片两边涂有绝缘隔离层，以减少铁损。因此大容量的和重要的交流电 机，在定子铁心叠装后必须进行铁损试验，检查硅钢片的质量和铁心是否存在 局部过热现象。 而异步电机定转子气隙小，由于装配不当，轴承磨损，转轴弯曲及单边磁 拉力等原因，都可能造成定、转子摩擦，使定子铁心局部区域齿顶上绝缘层被 磨去，并因毛刺而使片问相连，致使涡流损耗增大丽局部过热，甚至危及定子 绕组。 2 3 1 2 定子铁心松动往往是由于制造时铁心压装不紧，或定子铁心紧固件松 脱或失效时发生，其主要征兆是电磁噪声增加，特别是在起动过程中的电磁噪 声，振动大是铁心松动的另一征兆，铁心松动故障不但使电机的噪声让人难以 忍受，长期存在将导致绕组绝缘因振动大而缩短寿命。 2 3 2 绝缘故障 2 3 2 1 绝缘故障现象电机各部分绝缘都是由不同绝缘材料，经过各种处理组 合成的，各部分的绝缘结构组成了电机的绝缘系统。但是无论是机械强度、耐 热性、对环境的抵抗能力以及耐久性等方面，绝缘系统都是电机结构中较薄弱 哈尔演理工丈学工学硕士学位论文 的环节，其发生故障的几率也较高，老化、磨损、过热、受潮、污染和电晕都 会造成绝缘故障。 2 3 2 2 电机绕组故障绕组绝缘破损。它是由于绝缘收缩和电动力的作用造成 的，长期高温作业绝缘层内溶剂挥发等原因，使槽楔、绝缘衬垫、垫块因收缩 而尺寸变小，绑扎绳变得松弛，线圈和槽壁、线圈与垫块、线圈与固定端箍之 间都产生了间隙，在起动、冲击负载引起的电动力作用下，将发生相对位移， 时间久了就会产生磨损，使绝缘变薄。其伴随的征兆是槽楔窜位绑扎垫块脱 落，端部绑扎松弛，端部振动增大，检查时可发现绝缘电阻降低，泄漏电流增 加，耐压水平明显降低。 绝缘破损。通常是线圈受到了碰撞，或转子部件脱落、碰刮导致绝缘局部 损伤，运行时往往表现为对地击穿。 匝问短路。高压定予绕组为了减少附加铜耗，通常在股线间需要换位( 罗 贝尔线棒) 。在制造过程中，线圈的压型和换位工序操作不当时，易造成匝间 短路。匝间短路使绕组三相阻抗不相等和三相电流不对称，导致电机振动加 大。在匝间线圈短路温升较高时，往往会使线圈表面变色，或线圈局部过热， 绝缘在高温下分解，甚至产生局部放电的现象。 绝缘绕组降低。多数情况是由于绕组吸潮或导电性物质粘在线圈表面，或 渗入绝缘层的裂纹所致。交流电机定子绕组和直流电机的电枢、主极、换向 极，补偿绕组都会产生这种故障。绝缘电阻降低到不允许程度，一般的吹风和 清擦已难奏效，往往需要拆卸电机，用专用清洗剂清洗，烘干、浸漆后方能恢 复。滑环绝缘层、换向器、换向器v 形环端部、转予并头套绝缘都是裸露带电 导体的对地绝缘。绝缘结构除考虑耐压强度外，还必须考虑一定爬电距离，当 爬电距离过短或表面粘结污垢后，这些部分的绝缘电阻值，往往也会低于允许 标准。 2 3 3 异步电机转子绕组故障 2 3 3 1 断条和端环开裂鼠笼式异步电机在起动时，绕组内短时间流过很大电 流，不仅承受很大冲击力，而且温升很快，产生热应力，端环还需要承受较大 离心应力。反复起动、运行、停转，使导条和端环收到循环热应力和变形，。由 于各部分位移量不同，受力不均匀，会使导条和端环因应力分布不均匀而断 裂。另外，从电磁力矩来看，起动时的加速力矩，工作时的驱动力矩是由导条 产生的，减速时导条又承受制动力矩，由于负载变化和电压波动时，导条就要 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 受到交变负荷的作用，容易产生疲劳。当笼型绕组铸造质量、导条与端环的材 质和焊接质量存在问题时，导条和端环的断裂、开焊更易发生 3 4 l 。 导条、端环断裂的征兆是电机起动时间延长，转差率增大，力矩减小，同 时也将出现电机振动和噪声增加等现象。 2 3 3 2 转子偏心 由于制造公差或运行磨损，转予外圆和定予内圆之间会产 生偏心。偏心有两种形式，如图2 1 所示。 彦念， lff 1lj 心钞i 6s 仞孓| | i fi，i i 钞、 a ) 静态偏心 b ) 动态偏心 a ) s t a t i ce c c e n t r i c i t ym d y n a m i ce c c e n t r i c i t y 图2 _ i 气隙偏心形式 f i g 2 - it h ef o r mo f a i r - g a pe c c e n t r i c i t y 图2 1 中a 表示内圆( 代表转轴) 与中间圆( 代表转子) 同心，但与外圆( 代表定 子) 不同心，其气隙的最小长度相对于定子的空间位置、周围空间气隙的大小 在不同的位置基本不变，它只是空间的函数。图2 1 中b 表示内圆与外圆同 心，但中间圆在运转过程中与外圆不同心，其最小气隙的位置随着转予旋转而 变化，它是空间位置和时间的函数。 如果电机存在静态偏心，转子中心偏离定子中心的距离为艿，= 文，其中 蟊为无偏心时的均匀气隙长度，占为小于1 的小数，定义为相对偏心率。静态 偏心后定转子中心不完全重合，偏心的位置不随着电机的旋转而变化，那么 气黢长度只是一个空间角度的函数： 万* 瓯扛夏丽而( 2 1 ) 若电机存在动态偏心，由于转轴与定子同心，转予旋转时偏心的位置也在 变化，那么气隙表达式既是空间角位移的函数，又是时间的函数。总的来说， 由于偏心，使定转子问的气隙不均匀，设按余弦规律，则气隙表达式为： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 j ( 目，t ) = 6 0 一坑c o s ( 8 一，t ) ( 2 - 2 ) 公式( 2 2 ) 中口为机械角度，国，为转子旋转时，偏心气隙的旋转角速度。 若转子为静态偏心，珊。= 0 ；若为动态偏心，则国。将等于转子旋转的角速 度，即： 卯。= q 2 = 兰( 1 一s )( 2 3 ) p 只要发生其中任何一种情况的故障，都将造成电磁不平衡，气隙磁场分布 不均匀，产生单边磁拉力和谐波力矩，因而出现振动和噪声，严重时定转子直 接相撞，致使电流过大而烧坏电机。 2 4 电机故障诊断原理 目前，电流检测法是诊断和检测电机故障的有效方法之一。它可以诊断异 步电机笼型绕组的断条、静态气隙偏心、动态气隙偏心、机械不平衡等故障。 异步电机的故障往往是由机械和电气相互联系的复合原因引起的，这是e b 其设 计和运行特点所决定的。异步电机因气隙较小，因而对磁动势和磁拉力的不平 衡比较敏感。直接起动的电机因起动电流大( 通常为5 7 倍满载电流) ，在很 短的起动过程中，笼型绕组和阻尼绕组将承受很高的熟应力和机械应力，致使 导条和端环在很高的应力作用下疲劳断裂。直接起动时的大电流还会在绕组端 部产生很大电动力，使绕组端部变形和振动，造成绝缘的机械损伤和磨损，丽 导致击穿。起动时，大电流还会造成铁心振动等机械原因造成的气隙偏心而产 生气隙磁场谐波。并产生很大的单边磁拉力等。导条断裂和气隙偏心等故障征 兆都会通过气隙磁场在定子电流中反映出来，通过对定子电流的检测和频谱分 析可对这些故障进行诊断。 2 4 1 转予断条诊断原理 在冷却效果较差时，起动电流产生的热应力和机械应力较大，当在重载和 频繁起动情况下，导条与端环焊接处是经常发生开焊和断裂的部位f 3 6 l 。 笼型绕组断条的发生和发展过程如下： 1 在即将断裂的部位经常出现过熟、很高的热应力或机械应力。 2 达到疲劳极限时导条断裂，并产生电弧。 3 在继续起动时，相邻的导条通过更大的电流，并承受更大的机械力和热 应力。 4 造成更多导条断裂，故障更加扩大，产生较大的单边磁拉力、使电机产 生振动、噪声、定子电流摆动、温升增加以及转速波动。 理想的异步电机定子电流的频率是单一的，即电源频率。但是当转子回路 出现故障时，定子电流频谱图上。在与电源频率相差二倍转差频率( 2 s o 的位置 上将备出现一个边频带，这一现象已经由英国h a r g i s 等学者的理论所证实。 一台极对数为p 的异步电机，当电网供电频率为，时，工作时定子绕组产 生磁动势m ，其基波表达式为： 掰i = 墨s i n ( o t p 8 ) ( 2 4 ) 式( 2 - 4 ) 中五与极对数、绕组系数有关的常数； 1 定子绕组每相匝数； 定子电流； 0 2 电网角频率； 护以机械角度表示的初相角 转子绕组相位角 = 护一6 0 , t( 2 - 5 ) 式( 2 - 5 ) 中国，转子旋转角速度。 对于两极( p = 1 ) 电机来说，其磁动势为： = k i l 五s i l l ( ( c 口一国，) t 一妒)( 2 - 6 ) 转子转速与定子旋转磁场之差即为转差率，转子绕组在定子旋转磁场作用 下。将感应电势产生电流，建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动势，转 子磁动势基波的表达式为： = k 2 n 2 1 2s i n ( ( 国一q ) f 一一)( 2 - 7 ) 式( 2 - 7 ) 中 致与极对数和转子绕组系数有关的常数； 败转子绕组匝数； 厶转子电流 当转予绕组存在故障时，例如，有一根断条时，转子电流的磁动势被 s i n 2 # 所调制，这时转子绕组磁动势将变为以下表达式： m 2 = 2 ls i n ( ( 脚一c o ，) t - # ) s i n 2 # ( 2 - 8 ) 因此， 堕奎鎏墨三盔兰三兰鎏圭主竺鲨三 肌：掣警 c o s e ( ( o - - ( o r ) h 妒 s ( 国一q ) r 卅 ( 2 - 9 ) 由于转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的，并将式( 2 6 ) 代入，则得到反 映到定子的磁动势的表达式为： m = m ：= k 2 n ，2 1 2i 。c 。s ( 珊一2 q ) r 一3 口 一c o s 扣一2 q ) o l ( 2 1 0 ) 对于两极电机，其转差率 j ：0 9 - - ( o r f 2 1 1 ) + 即 q = ( 1 一s ) m ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) 即得 码= 半 c o s ( 3 2 s ) c o t 一3 口 - c o s o 一2 s ) ( o t 一日 ( 2 1 3 ) 上 、 一一一7 由式( 2 1 3 ) p - - j 以发现，磁动势表达式中第一项磁动势分量含有3 ( o t 和鲫， 将在三相定子绕组中产生一个零序电动势，此电动势对电源电流并无影响。第 二项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2 s ( o 的分量，这个分量将使异步电 机定子绕组中出现一个比电源电流角频率低2 s ( o 的三相电流分量，它与电源电 流频率十分接近，由于它的调制作用，定予电流将会出现周期性交化，电流周 期性的脉动将使定子电流表指针发生摆动，也使电机的转矩随之而脉动，从而 使异步电机转子转速也将按2 倍转差频率而波动。 转速波动将使异步电机的电流在以电源频率为中心，在2 旷上、下限之 间变化，由于电机定子中三次谐波磁通的调制作用，这种转速和电流的波动将 更加明显。边频电流的幅值与基波电流幅值比值的大小，与异步电机转子断条 损坏程度有明显的、直接的关系p 7 1 1 3 8 1 。 2 4 2 转子气隙偏心诊断原理 转子偏心类故障是三相异步电机转予故障常见故障之一，其情况比较复 杂。 2 4 2 1 直接检测法利用电机完好状态的频谱和有偏一i i , 状态的频谱进行比较， 根据某些高频分量的差异来判断电机有无偏- i i , 。对一般结构电机，当不考虑磁 路饱和时，首先分析各种因素影响的磁导成分，磁动势波形以及= 者相互作用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 产生的磁场波形。 气隙磁场由下面五部分组成： 1 基波磁场 2 定子绕组和转子绕组磁动势的齿谐波磁场 3 定子齿和转子齿谐波磁场 4 。气隙偏心谐波磁场 5 磁路饱和谐波磁场 开槽定子和光滑转子时磁导： a 。( 口) = 概c o s r a - 即 ( 2 1 4 ) n h - - 0 开槽转子和光滑定子时磁导： a n ( 只，) = a c o s z 2 ( 0 - o d r r ) ( 2 1 5 ) 定转子同时开槽时的磁导谐波可表示为： a n s t ( 口，f ) = a 。c o s f , z 2 n 。z 0 0 一n n z 2 a ) | 2 t 】( 2 - 1 6 ) 一0 h 卸 静态偏心磁导谐波为一空间函数，表示为： a 。( 口) = a 。，c o s ( n , o ) ( 2 1 7 ) 几；o 动态偏心磁导谐波为时间和空间的函数，可表示为： 人。( 只r ) = a 埘c o s n 。( e 一棚，r ) 】 ( 2 。t s ) n d z 0 磁路饱和磁导谐波可表示为： a 。p ，) = a 。c o s 【( 2 p p 一2 q r ) 】 ( 2 - 1 9 ) k 日 由式( 2 - 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 、式( 2 - 1 9 ) 可得总盼磁导谐波为： 目 a 。( 只f ) = 人。、。 h o t o = o ，d = o x c o s ( n h z 2 z l - i - i i d 2 n 。p ) ( 2 。2 0 ) 一 ( ，k z 2 嘞) 出，2 ，k l p ) 由磁场理论可知，气隙合成磁动势可表示为 f ( o ，f ) = ( 口，f ) 十l ( e ，r ) + 以 ，f ) ( 2 - 2 1 ) yj u 式( 2 2 1 ) 中l ( o ，) 是主波合成磁势，它是机械角位移拶和时间，的余弦函数， 可表示为： 兀( p ，f ) = f pc o s ( p o c a l t 一) ( 2 - 2 2 ) 式( 2 2 2 ) 中只主波合成磁势的幅值； p 主波合成磁势的极对数； 甜主波合成磁势的角频率； 主波合成磁势的初相角 l ( o ，n 是定子绕组谐波磁势，可表示为： 工( 口，r ) = ec o s ( v o c a l t 一吼) ( 2 - 2 3 ) 式( 2 - 2 3 ) 中e l ，次谐波磁势幅值； 吼y 次谐波磁势初相角 l ( o ，f ) 是转子绕组谐波磁势，可表示为： 丘p ，f ) = 0c o s c u o 一咋t 一吼) ( 2 2 4 ) 式( 2 - 2 4 ) 中f 次谐波磁势幅值； p 。次谐波磁势的初相角： 国次谐波礅势相对于定子的角频率 将式( 2 1 6 ) 式和式( 2 1 7 ) 相乘，可得到一系列谐波磁场， b ( o ，) = 最，mc o s ( r a , o - d , o ) + j g 。m c o s ( r e , o - d ，o ( 2 - 2 5 ) 卅- 。n 。珥 式( 2 - 2 5 ) 中埘。= n r t z 2 士玎时z l 刀，+ i i d 土2 p 一如p q ；= ( 月h z j n d ) c a , 2 n , a c a 【刀* 。脚l 朋，= l l n z 2 n s t 互士r n a 2 n 田p ，p q ，= ( 珂 z 2 玎d ，p ) m ，2 珂聊彩2 ，0 ，5 口，2 其中 n 。定子磁动势时阃谐波次数； 即。，转子磁动势时间谐波次数； h 。定子空间谐波次数； 转子空间谐波次数； h 。任意整数； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 嘞偏心次数，0 ，1 ，2 静态偏心时= 0 动态偏心时= 1 2 、 可见，磁通密度为时间和空间的函数，在时间上其变化频率为 厶l = 【( n 。z 2 n d ) ( 1 s ) p + 2 n o n 。】z ( 2 2 6 ) 一般取疗。= 0 ，所以有 钿2 f ( z 2 如j 字如。f f ( 2 - 2 7 ) 感应电机转子有偏心后，定子电流中因齿槽磁导变化所引起的高频齿谐波 强度增强l 。谐波磁通的变化，在定子绕组上感应出电流谐波，因此，在定子 电流的频谱中检测该谐波频率成分，就可以诊断电机的偏心状况，这也成为在 线检测异步电机转子有无偏心的依据 4 0 1 。 2 4 2 2 模式分类法模式分类法是建立a r 模型，用f i s h e r 线性判据确定决策 面j ，根据决策阈值判断电机有无偏心故障。此法用来处理振动信号，并通过 计算机来判断。 1 建立a r 模型由信号处理理论可知，对一个信号的分析可以转化为对 某个系统模型的分析，这个系统在自噪声信号的激励下，产生的响应正好是所 要研究的信号。 将振动信号经a d 采样，通过一个带通数字滤波器，得到某个频段的振动 信号的离散值k ( 采样率及滤波器的带宽与齿槽数有关吁。k 视为自噪声矗 激励a r 模型的系统响应t 4 ”，即： k = q 吒一，+ b o x ( 2 - 2 8 ) 变换到z 域，则有； 矿0 ) = _ ；l z ( 刁 ( 2 - 2 9 ) 1 一y 皿z 。 嚣 式( 2 - 2 9 ) 中，j ( ：) = z 【以】，矿( z ) = z 陬】；d 为a r 模型的阶数，a r 模型的参 数为： 4 j ) = hg 2 ，嘞r( 2 3 0 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 其各元素的大小及阶数d ，可由m a r p l e 算法“1 求得，并把无偏心的电流 信号定义为属于f - 0 1 类，相应的a r 模型参数记为 4 ，有偏心的电流信号属 于m 2 类，相应的a r 模型参数记为 4 a 2 f i s h e r 线性判据确定决策面用上述两个参数向量均为d 维向量，将这两 个d 维向量投影到直线上，即： r = 4 ( i = 1 ，2 ) ( 2 3 1 ) 矿是d 维空问的一条直线，矿的方向可以改变，使得 4 与 鸣 向量在 直线上的投影最好地分开。这个最好地分开的度量是用下式表示的r e y l e i g h 商 为最大，即： m n x j ( p ) = p r b p l p 7 形p ( 2 - 3 2 ) 此处，形是样本内的离散矩阵 缈= 彬+ k ( 2 _ 3 3 ) 形= ( 4 一廖) ( 4 一应，) 7 ( i = l ，2 ) ( 2 - 3 4 ) a 2 寿毳 创 5 ) 口是样本间的离散矩阵 曰= 一p z ) 。一p ：) 7 ( 2 - 3 6 ) 采用拉格朗日乘子法，不难求得满足式( 2 - 3 1 ) 的最优解 = 形“o 一一丘2 ) ( 2 - 3 7 ) 根据n 个样本的先验知识，即可知其中n 1 个样本属于口i 类，n 2 个样本 属于m 2 类。判断有无偏心的两类问题的决策阈值定为： y o = 伍。十五2 ) 2 ( 2 3 s ) 式( 2 - 3 s ) 中 扈2 毒萎y 7 a ( ，2 ) 3 电机有无转子偏心的鉴别对任意一台待判别有无转子偏心的电机，从 机壳上取得振动信号并进行处理。求得相应的参数向量 也 ，而后求得 爿， 向 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 量在p 上的投影： e 。p + 乩) ( 2 - 3 9 ) 如果乓 y o ，则q 类，电机转子无偏心；若 为通 带，0 - f i ) o 为阻带。其理想特性是让通带内的信号全部通过，阻带上的信号全 部抑制，而实际特性只能接近理想特性删。为了实现滤波器滤波的精确度，本 系统采用了2 片m f l 0 级联来实现八阶高通滤波，由于电机转子偏心的特征频 率一般在5 0 0 h z 以上，而在5 0 0 h z 以上的信号比较弱，若不经过滤波，一般 情况下信号很难辨别。根据公式： 鉴玺鎏登三奎兰三竺璧圭兰堡鎏三 二= 裔居，筹压 q _ 厍。墨 。、毛r ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) h o h p = _ r 尤2 ( 3 3 ) 一鲁 ) 一鲁 ( 3 - 5 ) 一般情况下，高通滤波器w = 1 ，q = 1 0 4 3 ，f o = 3 9 5 h z ，取 置= 1 0 k q ，允= 1 2