毕业设计（论文）三相感应电动机的故障诊断及保护

1、目 录摘 要iabstractii第1章 绪 论111选题的目的和意义112电动机故障诊断213电动机的保护514本文研究的主要内容6第2章 三相感应电动机821三相感应电动机的基本结构822三相感应电动机的工作原理923三相感应电动机的物理模型1224三相感应电动机的数学模型13第3章 三相感应电动机的故障诊断1931电动机的故障1932三相感应电动机故障诊断方法2033本文所采用的故障诊断方法27第4章 三相感应电动机的故障保护2941三相感应电动机缺相运行分析与保护2942三相感应电机的电源过压、欠压保护3343三相感应电动机其它故障诊断方法3444本文所采用的保护36第5章 三相感应电

2、动机的仿真3851电动机的仿真模型3852电动机正常运行状态3953电动机故障运行状态42第6章 总结与展望4861总结4862展望49致 谢50参考文献51摘 要针对三相感应电动机故障诊断与保护，了解了国内外研究现状与发展，综述了该电机故障诊断技术的特点和研究成果。在此基础之上，采用监测定子电流判断感应电动机工作是否正常，从而实现检测电机的故障。在具体的研究过程中，首先熟悉感应电动机的工作机理以及基本结构，系统分析笼型感应电动机定子绕组、转子绕组、转子偏心和轴承发生故障时的特性，并提取出电动机在故障时相应的检测方法。进行三相感应电动机缺相、过压、欠压的故障状态分析，设计出相应的保护电路。针对

3、感应电动机起动过程、堵转和短路等采用继电保护的不足，提出利用微机保护弥补缺陷。微机保护技术的特点是数字化、智能化以及多功能化，其发展具有广阔的前景。采用matlab/simulink建立三相感应电动机的仿真模型。在这一部分中，先建立无故障状态下的仿真模型，对其进行参数仿真与分析；然后，对其过载运行、三相电源不对称等各种不同情况进行下进行仿真与分析，从而使对电动机的故障有更深层的理解。关键词:感应电动机 故障诊断 电动机保护 matlab仿真abstractfor three-phase induction motor fault diagnosis and protection, domest

4、ic and international understanding of the research and development, review of the electrical characteristics of the fault diagnosis technology and research results. on this basis, by monitoring the stator current judgement of whether the normal induction motor, thus achieving the electrical fault de

5、tection.in the specific course of the study, first of all familiar with the work of induction motor and basic structure, systems analysis cage induction motor stator windings, the rotor winding, and the eccentric rotor bearing failure of character, and extracted motor failure in the corresponding te

6、st methods.a lack of three-phase induction motor, the pressure, under-voltage fault state analysis, design corresponding to the protection circuit. starting the process for induction motor, stall and a short-circuit protection, such as the lack of protection by using computer deficiencies. computer

7、protection technology is characterized by digital, intelligent and multi-function, its development has broad prospects.using matlab / simulink establishment of the three-phase induction motor simulation model. in this section, failure to establish a state of the simulation model, the parameters of t

8、heir simulation and analysis, then, have set their operation, three-phase power asymmetries, such as the various conditions under simulation and analysis, so that the motor failures are more profound understanding.key words: induction motor fault diagnosis motor protection matlab simulation第1章 绪 论11

9、选题的目的和意义自19世纪以来，随着经济建设的发展和电气化程度的提高，电能应用的方便，电机设备己被广泛应用于工业生产的各个领域。其中感应电动机是各种电动机中应用最广、需要量最大的一种电机。90%左右的电气原动力均为感应电动机，其中小型感应电动机占70%以上。在电网的总负荷中，感应电动机用电量占60%以上。它是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。感应电动机在生产中应用尤为广泛，在机电系统中起着举足轻重的作用，由于工作环境恶劣、电机的自然老化，以及受电机制造水平、运行管理水平、检修质量等方面的限制，感应电动机故障时有发生。随着现代工业的发展和设备制造水平的提高，生产系统中采用的电机数

10、量不断增加，单机容量也不断提高。特别是随着当今自动化水平日益提高，系统的规模越来越大，电机故障不仅会损坏电机本身，而且会影响整个生产系统，甚至会危及人身安全，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响，所以应采取各种积极的维护措施来消除或减少故障隐患之外，在故障初期就能诊断出类型和成因是最理想的解决方法。因此应采取积极主动的调节措施，防止故障的进一步恶化，将因电机故障造成的损失降低到最小程度，从而保证这些电机在生产过程中安全可靠的运行。长期以来，针对大型电动机的各种严重故障，主要采取了各种成熟可靠的电动机继电保护措施。常采用的保护包括接地保护、过流保护、差动电流保护、欠压和过压保护、负序保护、过速保护

11、、振动保护和过热保护等等。继电保护功能已经很完善，但是并不意味着能够预防事故的发生，它只能在事故发生后采取行动。而且，当继电保护装置动作后，电动机被突然切断而使生产流程意外中止，仍然可能导致重大的经济损失。为了将因电动机故障造成的损失降低到最小的程度，迫切要求对电动机的初发故障进行检测。感应电动机初发故障检测一般是通过使用先进的技术手段，在线监测感应电动机的相关运行参数(如电压、电流、磁通、转速、温度、振动、局部放电等)，判断设备是否处于正常状态，以确定合理的检修时间和方案，达到减少事故停机损失、提高设备运行的可靠性、降低维修费用的目的。该项技术的出现引发了感应电动机维修体制的一次革命，使传统

12、的事后维修方式逐步转变为预知维修(状态维修)方式。综上所述，对电动机进行故障检测是必要的，通过对常见故障的诊断和分析，可以及早发现故障和预防故障的进一步恶化，以减少或者避免恶性故障造成的经济损失，并为实现状态检修创造条件，对保证安全生产也有重要意义。12电动机故障诊断1国内外研究现状及发展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。电机状态监测和故障诊断涉及的知识领域主要有:电机理论、电磁测量、信号处理、计算机技术、热力学、绝缘技术、人工智能等。二十世纪初，各国纷纷对电机的故障诊断技术进行了研究，发现只要电机出现

13、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。1978年juter用数学的方法推断出电机转子断条故障是如何对供电电流进行调制，这一推断在1982年得到hargis等人支持，并阐述了检测电机转子故障的几种方法:定子电流法、转速波动法和振动分析法。1998年，william torbat tbomson提出利用有限元分析法和快速傅里叶变换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。2001年，有人提出了基于小波包分解和人工神经网络方法三相感应电机在线转子导条断裂诊断方法，利用小波包变换将信号从时域转换到时频域，然后在时频谱中计算特征系数，

14、这些系数用来区分正常和故障状态，故障诊断过程则由人工神经网络来执行。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1990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。1993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。1996年，叶立明提出了电机常见故障的模糊诊断法。1997年，清华大学自动化系叶昊提出一种基于小波分析的动态系统故障检测方法，该方法不需要模型，具有灵敏度高、克服噪声能力强的特点。2001年，许伯强对用小波包分析实现转子断条在线检测作了可行性研究提出了一种新的基于小波包分析的转子断条在线检测方法，其突出优点在于可正确识

15、别电动机转子断条故障与负荷波动。2004年，刘振兴，尹项根提出了以平均瞬时功率为监测量进行鼠笼式异步电动机转子复合故障的监测与诊断方法，该方法不需要已知电动机的定、转子参数，可以实现复合故障的准确分离7。电机故障诊断技术发展到今天已经经历了三个阶段:第一阶段:诊断结果在很大程度上取决于领域专家的感官和专业经验，对诊断信息、只作简单的数据处理，比如人工的定期维修制度。第二阶段:是以传感器技术和动态测试技术为手段，以信号处理和建模处理为基础的现代化诊断技术，在工程中得到了广泛的应用。第三阶段:为了满足复杂系统的诊断要求，随着计算机及人工智能的发展，诊断技术进入以知识处理为核心，信号处理、建模处理与

16、知识处理相融合的第三发展阶段智能诊断技术阶段。2电机故障诊断方法传统的电机故障诊断方法，需要建立精确的数学模型、有效的状态估计或参数估计和适当的统计决策方法，这使得其具有很多局限性。基于数学模型的诊断方法中，最为简单直接的是基于输入输出及信号处理方法:如果电机输出量超出正常变化范围，则可以认为电机己经或即将发生故障;或者通过一定的数学手段描述输出在幅值、相位、频率及相关性上与故障源之间的联系，通过分析处理这些量来判断故障位置与原因。自20世纪80年代故障诊断技术产生以后已经出现了基于各种不同原理的众多方法，这些方法的检测性能、诊断性能相比于以前都有很大的提高。电机故障诊断的现代方法11有:（1

17、）基于信号变换的诊断方法电机设备的许多故障信息是以调制的形式存在于所监测的电气信号及振动信号之中，如果借助于某种方法对这些信号进行解调处理，就能方便地获得故障特征信息，确定电机设备所发生的故障类型。（2）基于专家系统的诊断方法基于专家系统的诊断方法是根据被诊断系统的专家以往经验，将其归纳成规则，并运用经验规则通过规则推理来进行故障诊断。该诊断方法具有诊断过程简单、快速等优点，但也存在着局限性，基于专家系统的方法属于反演推理，因而不是一种确保唯一性的推理方法，该方法存在着获取知识的瓶颈。对于复杂系统所观测到的症状与所对应故障之间联系是相当复杂的，专家经验归纳成规则往往不是唯一的并且有相当难度。因

18、此该方法不适合于复杂电机设备或新的及未有经验的电机设备的故障诊断。另外，基于规则的方法对于诊断结论除了重复被采用的规则外无法做出进一步解释，通常只能诊断单个故障，难以诊断多重故障。（3）基于模糊理论的诊断方法在故障诊断领域，模糊属性常常出现，模糊理论是处理这类问题的最好的工具。模糊故障诊断有两种方法，一种是先建立征兆与故障类型之间的因果关系矩阵r，再建立故障与征兆的模糊关系方程。另一种方法先建立故障与征兆的模糊规则库，再进行模糊逻辑推理的诊断过程，这是一种基于知识处理的诊断方法。（4）基于人工神经网络的诊断方法人工神经网络(ann)是由大量简单处理单元广泛连接而成的复杂的非线性系统，具有学习能

19、力，自适应能力，非线性逼近能力等。故障诊断的任务从映射角度看就是从征兆到故障类型的映射。用ann技术处理故障诊断问题，不仅能进行复杂故障诊断模式的识别，还能进行故障严重性评估和故障预测，由于ann能自动获取诊断知识，使诊断系统具有自适应能力。将ann应用于电机设备故障诊断是当前电机设备故障诊断的热点之一。13电动机的保护1国内外研究现状及发展与当代新兴科学技术相比，电动机保护是相当古老了，然而它是理论与实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息息相关。它以电力系统的需要作为发展源泉，同时又不断吸取相关的科学技术中出现的新成就作为发展的手段。总的来说，电动机保护技术的发展可以概括为三个阶段，即机电

20、式、半导体式、微机式。传统的中小型电动机其保护属于机电式，主要采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合，其配置方式基本分为4种类型:l)熔断器交流接触器一热继电器；2)断路器交流接触器热继电器；3)熔断器一断路器；4)熔断器断路器交流接触器热继电器。其中采用熔断器及热继电器的电动机保护应该说是最廉价的，且是最容易掌握的一种方式，但当电动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器(或保险丝)一相熔断时就会便电动机缺相运行而使事故进一步扩大，造成电动机烧毁。为解决使用机电式电动机保护器件所保护的电机烧坏严重的问题，致力于电动机保护的专家和科技工作者利用现代电力电子技术，从多功能集成化方面努力，研制和

21、推出了一批新型的电子模拟式保护器。但由于它的抗干扰能力差，动作特性与电动机热曲线不协调，反时限特性并不明显优于热继电器，容易造成拒动或误动，影响产品的性能及质量，所以电子式电机保护器在国内外均未能推广。1969年，美国西屋公司的c.d.rockeffeller等研制出第一套比较完整的用于现场计算机保护样机，标志着继电保护技术己经进入了微机保护的时代。随着计算机技术(特别是单片机技术)的发展，微机保护更趋智能化、单元化、在线化。在我国，微机保护的研究主要集中在线路保护，微机元件保护的研究工作稍晚于线路保护，但也主要集中在诸如母线保护装置、变压器保护装置、发电机保护装置、大型发电机一变压器组的成套

22、微机保护装置。直到90年代以后，微处理器才开始进入电动机保护领域8。利用微处理器实现电动机保护的多功能化和智能化已成为今后发展的方向，它将不断地从相关科学技术中取得的最渐成果发展和完善自身。2电动机保护方法电动机保护方法主要有：（1）传统的继电保护方式热继电器在保护电动机过载方面除了具有结构简单、安装方便、价格便宜等优点外，还有自身的发热元件，但是热继电器作为传统的保护方式，在保护电动机过载方面有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点，因而容易导致长期轻微过载运行使电机绕组产生热积累，而使得绕组绝缘老化造成电机损坏。另外，由于原材料及工艺水平的落后等原因还造成了热继电器性能的不稳定13。（2

23、）模拟电子式保护我国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型，其功能的设置基本满足电动机保护的要求，如过载保护、断相保护等，其原理大都是采集三相电流经电流电压变换器取出电压信号，经整流滤波送至鉴幅电路。但是这些电机保护器普遍存在的问题是:抗干扰能力差，动作特性与电动机热曲线不协调，反时限特性并不明显优于热继电器，容易造成拒动或误动，影响产品的性能及质量14。（3）微机式保护方式电动机的微机保护技术的特点是数字化、智能化以及多功能化，其发展具有广阔的前景。其特点主要有：保护性能最佳化；整定技术自动化、在线化；使用简便化、功能完善化。14本文研究的主要内容通过对感应电动机故障诊断技术及其发展状况的分

24、析与研究，在广泛阅读相关文献与借鉴前人诊断技术成果的基础上，对电动机的各种故障形式进行分析，同时提出了故障诊断的方法及相应故障的保护措施。主要的具体工作如下：熟悉电动机故障诊断与保护的国内外发展状况，掌握了三相感应电动机的结构及工作原理；建立该电机的物理模型及数学模型。 根据电动机故障可将其分为两部分并采取相应的诊断方法。机械故障的检测方法是首先根据电动机出现的异常现象，然后结合长期工作经验的总结以及查阅电机故障检修方面的书籍来确定故障的原因，然后对其进行修理；电气故障的检测方法是可对其转子、定子各相应部分的工作电流、电压实行不间断的监控，当出现异常时保护装置自动启用，从而可以防止出现故障进一

25、步扩大的现象发生。 电动机的故障保护。提出电动机部分电气故障相应的保护措施，如过压、欠压、缺相等故障。 建立三相感应电动机的仿真模型并对故障进行分析。第2章 三相感应电动机三相交流感应电动机因其结构简单、制造容易、成本低廉、运行维护方便、效率较高、适用的工作特性，而广泛应用于工业、农业、冶金、纺织、化工、交通运输等各行各业，是一种量大面广的机电一体化动力设备，在国民经济建设中起着十分重要的作用。但是，电动机的故障论断及保护问题长期以来未能得到很好的解决，烧毁电动机绕组的事故时有发生。而电机故障和故障诊断技术，都是与电机的工作原理，运行方式，具体结构密切相关，所以要想对它作故障诊断必须进行电动机

26、的结构、工作原理以及电机故障机理分析。21三相感应电动机的基本结构感应电动机是由两个基本部分组成，静止部分称为定子，转动部分称为转子。在转子和定子之间有一定的气隙。1定子定子是由定子铁心、定子绕组和机壳(包括机座、端盖)三部分构成。定子铁心是磁路的一部分，它的形状为圆桶形，为了减少激磁电流和旋转磁场在铁心中产生的涡流和磁滞损耗，铁心由互相绝缘的硅钢片叠成。容量较大的电动机，硅钢片两面涂以绝缘漆作为片间绝缘。小型定子铁心用硅钢片叠装、压紧成为一个整体后，固定在机座内；中型和大型定子铁心由扇形冲片拼成。每张硅钢片的内圆都冲有许多形状相同的定子槽，用来放置对称的三相绕组。定子绕组是电动机的电路部分，

27、有许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边，分别放在两个槽内，导体与铁心之间必须有槽绝缘。小型感应电机通常采用半闭口槽和由高强度漆包线绕成的单层绕组，线圈与铁心之间垫有槽绝缘。半闭口槽可以减少主磁路的磁阻，使激磁电流减少，但嵌线较为不便。中型感应电机通常采用半开口槽，大型高压感应电机都用开口槽，以便嵌线。为了得到较好的电磁性能，中、大型感应电机都采用双层短距绕组4。机壳是电动机结构的组成部分，主要作用是固定和支撑定子铁心。2转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子作为旋转部件，在工作时受到机械应力、电磁力和热应力作用，转子铁心也是电动机磁路的一部分，转子铁心为圆柱形，也用硅钢片叠成，它和定子

28、铁心、气隙构成电动机完整磁路。表面槽中有转子绕组。转子绕组有笼型和绕线型两种型式。 笼型转子笼型绕组是一个自行闭合的绕组，它由插入每个转子槽中的导条和两端的环形端环构成，如果去掉铁心，整个绕组形如一个“圆笼”，因此称为笼型绕组。笼型感应电机结构简单、制造方便，是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。 绕线型转子绕线型转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到设置在转轴上的三个集电环上，再通过电刷引出，这种转子的特点是，可以在转子绕组中接入外加电阻，以改善电动机的起动和调速性能4。与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小、起动转矩大或需要调速的场合

29、下使用。22三相感应电动机的工作原理旋转电机是一种机电能量转换的机械装置，其中电动机是将电能转换成为机械能。电动机实现能量转换都基于以下两个基本定律：(1)法拉第楞次定律（感应电动势定律）当导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体两端必然会产生感应电动势e，感应电动势的大小与导体的运动速度v、导体的长度l以及磁场的磁感强度b成正比，即为： （2-1）式中：e导体内的感应电动势，单位为v；b磁场的磁感强度，单位为t；l导体在磁场范围以内的有效长度，单位为m；v导体的运动速度，单位为ms。(2)电磁力定律（安培力）载流导体在磁场中必然会受到电磁力的作用，电磁力的大小与导体所载电流i、磁场的磁感强度b以

30、及导体长度l成正比，即为： （2-2）式中：f电磁力，单位为n；b磁场的磁感强度，单位为t；i导体中的电流，单位为a；l导体在磁场范围以内的有效长度，单位为m。三相感应电动机的工作原理，就是电动机的定子三相绕组通以三相交流电流时，在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场切割定、转子绕组而分别在定、转子绕组中感生电动势。转子电动势在自成闭合回路的转子绕组中产生电流。转子电流与气隙中基波磁场相互作用产生电磁转矩，使转子拖动机械负载旋转1。笼型与绕线型只是在转子结构上不同，它们的工作原理是一样的。电动机定子三相绕组u1u2、v1v2、w1w2可以联结成星形也可以联结成三角形，它们的结构如图2-1:图2-1电动

31、机定子三相绕组不妨设定子绕组以星形联结接在三相电源上，则绕组中的电流为三相对称电流 （2-3） （2-4） （2-5）其波形如图2-2所示:图2-2三相电流波形由于我们通入的三相电流是交变的，所以它们的合成磁场随着电流的交变而在空间不断地旋转，形成了如图2-3所示旋转磁场:图2-3三相电流产生旋转磁场由于旋转磁场要切割转子导体，便在磁场中感应出如图2-4所示的电动势和电流:图2-4转子转动原理图电动势的方向可由右手规则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力f施加于导体上。电磁力f的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩，从而使电动机转子转动起来。转子转动的方向与磁场的方向相同，而

32、磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调，就可以改变转子的旋转方向。23三相感应电动机的物理模型研究三相感应电动机的时，通常作如下的假设(也就是所谓理想电机):1)忽略空间谐波，设三相绕组对称(在空间互差120电角度)即产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布； 2)忽略磁路饱和、剩磁、磁滞和涡流，各绕组的自感和互感都是恒定的; 3)不考虑温度变化对绕组电阻的影响; 4)电机结构对直轴和交轴都是对称的; 5)不计定、转子表面子齿槽的影响。三相感应电动机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相绕组匝数都相等。三相

33、感应电动机的物理模型如图25。从图中可以看出，定子绕组都是对称放置的，即a、b、c三相绕组的轴线在空间上互差120，因此三相绕组各自产生的基波磁势在空间相隔120。此外对称运行时，三相电流对称，在时间相位上互差120，因此a、b、c所产生的三个脉振磁势在时间上互差120。以a轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a，b，c随转子旋转，转子a轴和定子a轴间的电角度为空间角位移变量。并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。 图25三相感应电机的物理模型24三相感应电动机的数学模型1同步转速与转差率旋转磁场的转速称为同步转速，其大小取决于电流频率（）和磁场的极对数（）关系如下 （2-

34、6）通过以上对电动机工作原理分析可知，电动机的工作原理都是基于电磁理论，其主要由电路(绕组)和磁路(铁心)两大部分组成。异步电动机的定子磁场是由一个三相交流电产生的与电网频率同步的。其转子上设置的是一个短路的绕组，当定子旋转磁场切割转子导体时，即在转子导体中产生感应电动势和感生电流，并建立一个转子磁场。由于定、转子磁场相互作用产生了电磁转矩，其转子轴上就输出机械转矩。并且因转子磁场是由定子磁场切割感应而生，因而转子磁场和定子旋转磁场不是同步的，转子的转速n必然小于旋转磁场的转速，它们之差称为转差速度。转差速度除以同步速度的百分数来表示时称为转差率s: （2-7）一般感应电动机在额定负载时的转差

35、率约为1%-9%1。2三相感应电动机的磁动势和磁场（1）空载运行时的磁动势和磁场空载运行时的磁动势空载运行时，转子转速非常接近于同步转速，此时旋转磁场“切割”转子导体的相对速度接近于零，所以转子电流很小，可近似认为电流为零。因此空载运行时，定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁动势，空载时的定子电流就近似等于激磁电流4。主磁通和激磁阻抗气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通将在定子绕组中感生电动势 （2-8）式中：基波磁动势的绕组因数；定子电流频率；定子绕组匝数。主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，主要经过的磁路包括气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分。若主磁路的磁化

36、曲线在额定电压附近用一条线性化的磁化曲线去代替，则主磁通将与激磁电流成正比，此时与就有下列关系： （2-9）式中：激磁阻抗；激磁电抗，它是表征主磁路的等效电抗；激磁电阻，表征铁芯损耗的一个等效电阻。定子漏磁通和定子漏抗除主磁通外，定子电流还将产生仅与定子绕组交链而不进入转子的定子漏磁通，根据所经路径的不同，定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁等三部分。定子漏磁通将在定子绕组中感应漏磁电动机势 （2-10）式中：定子电流；定子一相的漏磁电抗，简称定子漏抗。（2）负载运行时的转子磁动势和磁动势方程转子磁动势当电动机带上负载时，电机的转速将从空载转速下降到转速n，与此同时，转子电流将增大。设

37、转子转速为n，则定子旋转磁场将以的相对速度“切割”转子绕组，此时转子感应电动势和电流的频率应为: （2-11）转子电流产生的旋转磁动势相对于转子的转速为， （2-12）而转子本身又在以转速n旋转，因此从定子侧观察时，在空间的转速应为 （2-13）上式表明，无论转子的实际转速是多少，转子磁动势在空间的转速总是等于同步转速，并与定子磁动势保持相对静止。定、转子磁动势保持相对静止是产生恒定电磁转矩的必要条件。转子反应负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应。转子反应有两个作用，一是使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引起定子感应电动势和定子电流的变化。另一个作用是，转子磁动势与主磁场

38、相互作用，产生所需要的电磁转矩，以带动轴上的机械负载。负载时的磁动势方程负载时，定子磁动势可以分为两部分：一部分是产生主磁通的激磁磁动势，另一部分是抵消转子磁动势的负载分量，有或，这说明负载时电动机的激磁磁动势是定、转子绕组的合成磁动势。3三相感应电动机的电压方程（1）定子电压方程根据基尔霍夫定律，定子每相所加的电源电压应当等于该电动势的负值加上定子电流所产生的漏阻抗压降。由于三相对称，故仅需分析其中一相，于是定子的电压方程为： （2-14）式中：、分别为定子每相的电阻和漏抗；而。（2）转子电压方程气隙主磁场除在定子绕组内感生电动势外，还将在旋转的转子绕组内感生转差频率为的电动势 （2-15）

39、当转子不转时，转子每相感应电动势为。4感应电动机的功率方程和转矩方程（1）功率方程，电磁功率和转换功率图2-6 感应电动机的t形形等效电路图从t形等效电路如图2-6可见，感应电动机从电源输入的电功率为，其中一小部分将消耗于定子绕组的电阻变成铜耗，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗；余下的大部分功率将借助于气隙旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，用表示。写成方程式时有： （2-16）式中：；为功率因数角。正常运行时，转差率很小，转子中磁通的变化频率很低，通常仅13hz，所以转子的铁耗一般可略去不计。因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜耗后，可得转换为机械能的总机械

40、功率（即转换功率），其中：， （2-17）用电磁功率表示时，上式亦可以改定成：， （2-18）上式说明：传送到转子的电磁功率中，部分变为转子铜耗，部分转换为机械功率。由于转子铜耗等于，所以它亦称为转差功率。最后从中再扣除转子的机械损耗和杂散损耗，可得轴上的机械功率，即： （2-19）在小型笼型感应电动机中，满载时的杂散损耗可达输出功率的1%3%；在大型感应电动机中，可取为输出功率的0.5%。的大小与槽配合、槽开口、气隙大小和制造工艺有关。（2）转矩方程和电磁转矩把转子的输出功率方程除以机械角速度，可得转子的转矩方程： （2-20） （2-21） （2-22） （2-23）式中，为电磁转矩；为与

41、机械损耗和杂散损耗所对应的阻力转矩，若忽略杂散损耗，它就是空载转矩；为电动机的输出转矩。由于总的机械功率，转子的机械角速度，所以电磁转矩亦可写成： （2-24）上式表明：电磁转矩既可以用机械功率、亦可以用电磁功率算出。用机械功率去求电磁转矩时，就除以转子的机械角速度；用电磁功率去求电磁转矩时，则就除以旋转磁场的同步角速度，因为电磁功率是通过气隙旋转磁场传送到转子的。第3章 三相感应电动机的故障诊断31电动机的故障感应电动机的各种常见故障按照其发生的位置可分为定子部分的故障和转子部分的故障。工程人员通过对感应电机故障的分析与研究，发现电机不同位置发生的故障率遵循以下分布：定子部分相关：38；转子

42、部分相关：10；轴承部分相关：40；其他部分相关：12。根据鼠笼型感应电机的特点可以将电机分为电气系统和机械系统，电气系统故障中主要包括定子绕组故障和转子绕组故障，机械系统故障中主要包括偏心故障和轴承故障。电机在电气方面最为薄弱的部分是绝缘系统，绕组绝缘老化、磨损、过热、受潮、污染及机械和电磁应力的作用，都会导致绝缘电阻下降直至绝缘击穿造成绕组匝间甚至是相间短路，从而引起故障。鼠笼型感应电动机的工作条件往往比较差，易受外界环境影响而导致绝缘故障。日立公司的统计表明，在发生故障最多的运行了1120年的鼠笼感应电动机中,绝缘故障约占80以上。定子部分的故障主要是定子绕组故障。鼠笼型感应电动机的转子

43、绕组比较坚固，通常是由铜制或铝制的材料铸造而成，但是导致转子故障的某些缺陷（例如铸件不合格、焊接不良和转子强度不够等）可能在制造过程中就已存在，鼠笼型感应电动机的频繁起动、制动和重负载运行都会使导条和端环承受较大的热应力和机械应力，导致鼠笼疲劳而断裂。在电动机的机械系统故障中，偏心故障会产生不对称电磁拉力，使定转子之间产生摩擦，如果不及时发现，将导致定转子绝缘下降，引起绕组故障。轴承故障是机械故障中的常见故障，电机中几乎一半的故障与轴承有关9。不同类型的电机具有相同的基本物理原理，电机内部都有电路、磁路、绝缘、机械和通风散热等独立而互相关联的系统，因而所有电机均可采用诊断技术。但另一方面还应看

44、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。32三相感应电动机故障诊断方法1感应电动机故障检测系统三相感应电动机信号处理器（通过电流互感器从电机的绕组上取电流）频谱分析仪/数据采集器个人计算机（诊断系统）图3-1 感应电动机检测系统感应电动机检测系统如上图3-1所示，它由三相感应电动机、电流互感器、信号处理器、频谱分析仪/数据采集器和个人计算机（诊断系统）组成。感应电机可以在不同的负载拖动下运行，将电流互感器钳住三相电源的一相或多相，在电动机稳定运行时采集信号，采集时根据需要设定采

45、样频率、数据长度以及截止频率等参数12。2电气故障与检测方法（1）定子绕组故障定子绕组是电动机最常出现故障的部位。定子绕组的故障有:匝间短路、相间短路、单相接地和局部放电等。运行实践表明，定子绕组匝间、相间短路故障是最常见的和最危险的故障，这类故障的发生率高达30%。匝间短路故障往往会进一步发展导致相间短路或接地短路故障。为了确定定子绕组匝间短路故障的特征频率，对电机磁场进行分析，其原理是：首先根据定子绕组和转子绕组之间的互感系数，求出二者之间的磁链和由此产生的感应电流，当故障发生时，将引起绕组电感的变化，此时电机中定子和转子中的感应电流就会发生相应变化，根据这种变化来确定电机的故障。这种方法

46、最终是以定子电流谐波为基础，通过在定子、转子之间的反复映射得到电流的特征谐波。电机定子与转子之间的互链过程是：定子转子定子转子这种互链过程使得由定子基波电流建立起来的气隙磁场在转子回路中引起的电流在定子线圈中产生的磁链频率为： （3-1）式中：为供电电源频率；=0,1,2。当发生定子绕组匝间短路时，三相绕组的对称性被破坏，气隙磁场中将会出现较强的空间谐波，定子电流中是较强的时间谐波。此时高次谐波会明显增强，定子电流中的偶次谐波和奇次谐波会因三相绕组失去对称性而有所增强，故上式可改写成为： （3-2）式中，n=1,2,3,；k=0,1,2。根据式上所提出的故障特征频率对定子匝间短路故障进行频谱分

47、析。当定子绕组发生匝间短路故障时，频谱图中相应特征频率处的电流幅值会明显增加，幅值增加的大小与发生匝间短路故障的程度成正比。并且这种关系不随着负载的变化而发生变化。所以上式可以作为进行定子匝间短路故障诊断的特征频率12。（2）转子故障转子断条故障是笼型感应电动机常见故障之一。鼠笼式感应电机在起动时，绕组内短时间流过很大电流，不仅承受很大冲击力，而且很快升温，产生热应力，端环还需要承受较大离心力。反复的起动、运行、停转，使笼条和端环受到循环热应力和变形，由于各部分位移量不同，受力不均匀，会使笼条和端环因应力分布不均匀而断裂。另外，由于起动时的加速力矩，工作时的驱动力矩是由笼条产生的，减速时笼条又

48、承受制动力矩，由于负载变化和电压波动时，笼条受到交变负荷的作用，容易产生疲劳。从而使笼条和端环的断裂、开焊发生。利用电动机定子电流信号分析电动机的转子绕组故障。三相感应电动机正常对称运行时，定子电流中只含有电网频率为(50hz)的基波电流(忽略高次谐波)。若感应电机转子导条与端环焊接不良、或者发生导条断裂等故障时，定子电流中便含有频率为的附加电流分量。鼠笼型转子的电路图如图3-2所示，其中和分别表示每根导条和每段端环的阻抗。图3-2 鼠笼型转子电路图对于一个具有n根导条的鼠笼型转子，转子电路的节点数为2n，支路数为3n，因此，其独立回路的电流个数为n1。当转子没有发生故障时，由于转子的对称性，

49、利用基尔霍夫电压定律可知：端环回路的电流为。当转子的第r根导条发生断裂时，第r根导条内的电流为0，转子回路的对称性被破坏，端环回路电流的平衡被打破，即，如图3-3所示。(a)转子正常时环电流的分布(b)转子一根导条断裂时环电流的分布图3-3 鼠笼型转子正常与发生故障时的比较对于一台极对数为p的三相鼠笼式感应电动机，在正常工作的情况下，其同步转速为，在理想的情况下，定子三相绕组会产生一个三相基波合成磁势和磁场，它以同步转速按照一个固定的方向（正向）旋转，这个磁势和磁场通常称为正向旋转磁势和磁场。转子的转速n要小于同步转速，此时电动机的转差率为： （3-3）转子绕组中感应的多相电势和电流的频率为：

50、 （3-4）由转子电流产生的转子旋转磁势和磁场相对于静止的定子铁芯的转速应为： （3-5）当转子侧发生断条故障后，由于转子内阻抗的不对称，转子产生的电流也不对称，这使得转子除产生正向旋转磁场以外，同时还将产生反向旋转磁场，其相对于转子的转速为，此时，转子中的反向旋转磁场相对于定子的转速为： （3-6）反向旋转磁场必然会切割定子绕组，并且感应出以下频率的感应电动势和电流： （3-7）由上式可知，在定子中感应出的频率为(1-2s)f电流也要在气隙中产生旋转磁场，转速为，这个磁场与转子中的负序电流产生的磁场合成总的负序旋转磁场，且两个磁场正好同步，它们之间将会产生一定的转矩，其值为 （3-8）式中，

51、为负序磁场产生的转矩；为定子绕组中生成的负序电流；为定子绕组每相电阻；为同步角转速；为转差率。上式说明，当时，将为一正值，亦即的方向将和转子的转向相同；当时，将变为负值，即与转子的转向相反；当时，由于，所以将等于零。从物理上看，当时，,所以转子所产生的负序磁势在空间是逆着转子的转向旋转，对于负序电流来讲，由于转子是初级端，所以转子的负序磁场将力图使得定子亦逆着转子旋转的方向旋转。但是由于定子是不动的，因此转子上将受到一个顺着转子转向的反作用力。当时，由于，所以转子负序磁场在空间是顺着转子的转向旋转，因而转子上将受到一个逆着转子转向的反作用力。而当时，由于，所以转子所生负序磁场将在空间静止不动，

52、此时，定子中没有感应电流，故。作用在转子上的转矩是转子正序磁场和负序磁场产生的转矩之和，在起动过程中，附近，合成转矩曲线就会出现一定的下凹。这样，当电动机的负载转矩大于下凹处的最小转矩时，如果不采取其它措施，则在起动以后，电动机将不可能达到正常的运行速度，而将被“卡住”在一半同步速度附近稳定运行。电机在转子断条故障发生后，电机的功率因数降低，最大转矩变小，定子中出现频率为的电流，以及引起机械振动和发出噪声等,这样就可以检测出故障了11。3机械故障与解决办法三相感应电动机常见的机械故障有转子偏心故障和轴承故障。（1）转子偏心故障电动机的转子偏心故障可以分为静态偏心和动态偏心。静态偏心主要由于定子

53、铁心呈现椭圆形或定转子定位不准确（即定子和转子的轴心相偏离）引起，其特点是气隙最小长度相对于定子的空间位置固定不变，圆周空间的气隙大小在不同位置上也基本不变；而动态偏心是由于转轴弯曲和高转速时的机械共振等原因引起，其特点是转子中心偏离旋转中心，从而使最小气隙的位置随转子的旋转而变化，这表明动态偏心是空间位置和时间的函数，而静态偏心只是空间函数。这些故障的出现，将造成电磁不平衡，气隙磁场分布不均，产生单边磁拉力和谐波力矩，因而出现振动和噪声。情况严重时，定子和转子之间会直接相摩擦，致使电流过大而将电机烧毁，造成突然停机和停产。在实际使用中，一定的偏心是允许的，即使在一部新装配的机器中，由于生产加

54、工和安装的误差总会使电机存在一定的静态或动态偏心。随着电动机的运行时间的增加，偏心的程度会不断加剧，以致最终电机受损。对于偏心故障的机理，相关学者做了比较深入的研究，主要是分析电动机在偏心故障下的气隙长度与气隙磁导，计算出气隙中的磁势，并根据气隙磁势和气隙磁导求出气隙磁通，磁通密度为时间和空间的函数，在时间上其变化频率为： （3-9）式中，转子槽数；偏心级数（静态偏心时=0，动态偏心时=1）；定子磁动势时间谐波次数。分析其中产生的各种谐波，其故障特征频率可以根据上式计算出来，当感应电动机转子发生偏心后，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。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，就可以诊断电机是否偏心。（2）轴承故障电动机的转子在工作中要承受各种复杂和交变的应力，冲击性负荷会激发扭转振荡，使轴系疲劳甚至断裂。轴承故障约占故障总数的40，且多发生在电机运行10年左右。对于轴承故障的诊断方法有多种，如采用对轴承振动诊断，此方法的优点在于振动发自轴承本身，不需要另加信号源，测试方