异步电动机转子故障特征频率分析

异步电动机转子故障特征频率分析

1转子故障的影响异步电动机的旋转常见故障包括旋转误差和气势差。气隙偏心又分动态偏心和静态偏心2种形式。各种转子故障都会在定子电流中产生相应的特征谐波分量。即使正常的电动机,由于转子开槽的影响,也会存在齿谐波,故障时更会增加谐波成分。1.1旋转磁场的生成一旦转子出现导条断裂,转子将成为一个非对称的多回路系统。即使定子外加三相对称基波电压,由于转子的非对称性,定子电流中将出现故障特征分量。当定子外加三相对称电压时,定子电流基波分量产生圆形旋转磁场,在旋转的转子导条中,感应出频率为sf1的电势和电流,转子结构的不对称使转子电流产生正反两个方向的旋转磁场。反向旋转磁场将在定子电流中感应频率为(1-2s)f1的电势和电流,该电流分量和磁场作用使电磁转矩产生频率为sf1的振动,从而在定子电流中出现频率为(1+2s)f1的频率成分。经过定、转子的多次电磁耦合作用在定子绕组中出现谐波电流的频率如下:fbrb1=(1±k2s)f1(1)文献分析表明,频率为fbrb2=[k(1-s)/p±s]f1(2)的谐波成分也能在定子电流中检测到,对于正常的绕组配合电动机,k/p=1,5,7,11,13,…。1.2转子槽数法(PSH)及出现偏心故障时定子电流中的特征频率计算公式由于转子齿槽效应的影响,即使正常的鼠笼式异步电动机的定子电流中也存在转子槽谐波,在无传感器的交流传动系统中往往用此计算电动机的转速。存在偏心现象时,在槽谐波周围会引起边频。这些频率的通用表达式为:fslot+ec1=[(kR±nd)(1-s)/p±v]f1(3)式中k为任意正整数;R为转子导条数;v=1,3,5,…,为定子磁势谐波次数;nd为动态偏心的阶数。nd=0,且k=1时,式(3)对应的频率为基本槽谐波频率;nd=0,k=3,5,…,式(3)对应的频率为静态偏心产生的谐波频率;nd=1,2,3,…,式(3)对应的频率为动态偏心产生的频率。当转子齿数较大时,这些特征谐波频率较高,从而对数据采集及处理系统的采样频率、运算速度和内存要求较高。这种方法的优势在于计算出来的频率与断条故障特征频率重叠的机会很小,但需要提供转子槽数。偏心现象存在时,另有一个公式可用来计算复合偏心在基波周围引起的边频:fec1=f1±mfr(4)式中fr为转子旋转频率,其大小为f1(1-s)/p;m为正整数。式(4)给出的计算公式简单实用,不需要电机转子的结构参数,不足之处是频率与式(2)对应的导条断裂特征频谱容易重叠。2试验对象和设备2.1实验对象的确定为了能较准确地反映转子故障现象,选用了一台湖北电机厂新出厂的Y100L1-4型鼠笼式异步电动机作为实验对象。该电机的主要技术数据见表1。2.2模拟信号采样主要的实验设备为中国电力科学研究院系统所研制的DI1024便携式波形记录仪,该仪器可同时采样8路模拟信号,采样率可高达为50000次/s。所带负载为一台2.5kW的直流发电机。为保证测量精度,采样率定为10000次/s。测量得到的波形文件经转换,可变成文本文件,然后用MATLAB进行FFT频谱分析。3偏心故障的特征成分幅值的统计分析本次实验为仿真偏心和断条故障,人为地设置了气隙的偏心和断1根、断2根、断3根转子导条等复合故障,其中断2根转子导条时的数据由于设置及测量失误而不予采用。额定负载时(测得电动机的转速为1440r/min),电流信号(使用A相电流)经频谱分析后与式(1)～(4)对应的主要频率成分的幅值(单位为dB)统计如表2～6所示,没列入表中或已列入但没有数据和标志的说明该频率成分的幅值太小,难以捕捉到。表2中加注上标*的频率成分与表5中偏心特征频率重叠;加注**的幅值部分说明频谱曲线平稳变化,没有局部极大值,不能作为诊断用。分析表2～6的统计结果,可得出几点结论。a.对于断条故障,式(1)比式(2)更为有效、实用。当只有断条故障存在时,随着k值的增加,由公式计算出的特征成分的幅值有规律地减小。表2的数据基本上反映了此规律,只是当k取5以上的值时,由于与偏心故障的特征频率重叠而使趋势发生了变化。由表3不难看出,使用式(2)计算出来的特征频率成分,当k/p=1时比较突出,而该频率已由式(1)反映出来了。其他的只有k/p=5时才稍微明显些,在偏心与断条难以诊断时可作为辅助判据使用。b.表4反映出基本槽谐波的幅值较大,是计算电动机转速的有效工具;表4和表5表明在频率计算式fslot+ec1=[(kR±nd)(1-s)/p±v]f1中,只有nd=0,1,k=1,v=1,3时,对应的基本槽谐波、偏心故障产生的特征成分的幅值才较大,取其他值的意义不大;同时还发现,只有v前取“+”号时,对应的频率成分的幅值才较大。c.表6表明式(4)对应的偏心特征频率成分的幅值也应是随着m的增大而有规律地减小,只是由于与断条的特征频谱有所重叠才使m取3以上的值时规律被破坏。d.断条和偏心故障的频谱重叠容易造成误判,但仔细观察表2和表6不难看出,式(1)中k取较小值时,特征成分主要反映断条特征,与此重叠的偏心频率成分影响已很小,因为式(4)中m的取值已较大;反之,式(4)中m取较小值时对应的特征频率成分主要由偏心故障产生,这些频率对应的断条频率计算式(1)中k的取值较大,对幅值的影响很小。如果在测量或利用基本槽谐波计算出转速的基础上,分析和计算断条和偏心特征频率的前几项(如k和m取1～5的值)的幅值,辨识其变化规律,同时寻找二者不重叠的部分,是可以尽量避免误判的。若辅之以式(2)和(3)的结果,则更可以实现两种故障的准确分离。4实验结果验证本文在总结了鼠笼式异步电动机转子故障时定子电流中可能的故障特征成分的频率计算公式后,利用对一台Y100L1-4型鼠笼式异步电动机的实验结果的分析,验证了各公式的有效性及各计算公式中有关参数的取值范围,并提出了一些对转子故障诊断有益的结论。0状态监测系统故障模型使用在线状态监测与故障诊断系统能够发现异步电动机的早期异常,从而避免失效和高价格的维修,防止产量下降及其带来的经济损失,但这一切均建立在诊断的可靠性上。异步电动机的状态监测方法有很多形式,根据使用的信号不同有振动监测、电流监测、磁通监测、局部放电量监测等。由于电流监测可做成非侵入式,因而得到广泛的应用。文献对大型异步电动机转子偏心故障