电动机技术试验报告资料

1、电动机在线检测软件的技术试验报告软件部杨艳1 本项目的应用范围和主要功能1.1 应用范围：电力、煤炭、化工、钢铁、水泥等系统的大型鼠笼式异步电动机。在工业现场，对不同功率大小的交流电动机处理方式是完全不相同的。对于小功率电机，如几百千 瓦以下的，一般只作为一个元 件，一般不搞在线监测，也很少进行离线测试，有故障就更换，有备用机。对于大型电动机，如 发电厂的吸风机、球磨机，功率为2000kw，或更大，才有价值进行在线监测和离线监测，这种 电机也有备用机，监测的程度远不如发电机。1.2 主要功能：对连续运行的异步电动机进行实时监测，对运行工况进行实时分析，在故障发生之前进行异常预警，避免发生事故及

2、事故的扩大化，同时能够识别故障的性质，并提出相应的措施，对于异步电 动机的维修提出了指导性的建议。在非连续运行情况下，根据对启动过程的分析，可出具试验报 告。在发生真正故障时，还能够启动故障滤波，对故障时候的电气量进行记录，作故障后分析， 出具分析报告。2本项目的主要技术条件2.1 在线检测可判定的故障类型、判断原理2.1.1 转子断条故障危害：笼型异步电动机转子断条故障将导致电机出力下降、运行性能恶化。加之转子断条故障发生概率高达10%，因此必须对其进行检测，特别是进行早期检测。早期检测系统可以在故障发展初期及时告警， 有助于现场组织、安排维修，避免事故停机，具有显著经济效益。判断原理：笼型

3、异步电动机发生转子断条故障后，在其定子电流中将出现f(1 2ks) fi ,(k 1,2,3)频率的附加电流分量(s 为转差率，力为供电频率)。由于定子电流信号易于采集，可以对定子电流信号进行频谱分析，提取故障 频率分量幅值与基频分量幅值，以两者之比作为故障特征，设定检测阈值(一般设定为12%)，超过此阈 值则认为存在转子断条故障。2.1.2 气隙偏心故障危害：转子和定子由于装配、运行时振动和非平衡的径向此拉力，将会导致电动机的气隙偏心。气隙偏心，将会使气隙磁通畸变，振动增大。判断原理：当气隙存在偏心时，气隙磁导沿圆周方向出现不均匀，从而在 定子电流中感应出谐波分量。理论分析和试验表明，这些特

4、征谐波分量的频率为：f fi(r nd)(1 s)/ p nw，其中力为外 加电源的频率；r为鼠笼式异步电动机的转子导条数；p为电机的极对数；s为转差率；静态偏心时，nd。；动态偏心时，nd1 ； nw 1,3,5.。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。实际上，另有一低频分量对动态 偏心的检测非常有效，其频率为：fflfr，其中3为旋转频率，其大小为fl(1 s)/p o同样，对定子电流信 号进行频谱分析，将正常时候的频谱与故障时候的频谱进行比较，观察特征频率处的频谱幅值以确定是否 存在偏心故障。2.1.3 定子绕组对称电气故障

5、危害：对于电动机的对称电气故障，如过载、堵转、对称短路等，其危害主要是由于电流增大而引起的热效应。判断原理：此类故障可以通过过流程度来反映。当出现过载故障时，电动机二次侧电流1(1.2 5)ln ；当出现堵转故 障时，二次侧电流i (57)ln ；当出现对称短路故障时，二次侧电流i (8 10)ln，其中in为电动机二次侧额定 电流。2.1.4 定子绕组不对称电气故障危害：不对称故障引起的负序电流分量会给电动机的安全运行带来极大危害。当出现负序电流时，定子中会产生与正序电流形成的转速相同但方向相反的旋转磁势，这样，电动机转子便以2倍于同步转速切割 磁场，转子中会产生危险的高压；同时，此负序电流

6、将在转子中产生2倍于工频的电流，使转子附加发热大大增加，严 重危及电动机的安全运行，极易形成事故，造成电动机严重损坏。因此，电动机不对称故障运行故障的早期诊断是非常 重要的。判断原理：电动机的不对称故障较多，如断相、不平衡、匝间短路、单相接地等。大多数不对称故障一般不出现显著的电流幅值变化，因此通过过电流程度常常不能及时正确判断。电动机正 常运行时，其三相负荷基本对称，负序和零序电流分量基本为零，而一旦发生不对称故障时， 根据对称分量法，电动机的电流可以分解为正序、负序和零序电流分量，此时，电动机负序 和零序电流分量将会大幅度增加。所以可以通过负序电流分量的大小来检测电动机定子绕组不对称故障。

7、2.2 启动过程分析可判定的故障类型、判断原理2.2.1 异步电动机起动过程分析当电动机处于停机状态，可以对起动过程进行分析。判断原理：异步电动机起动过程中，转差率s是在不断变化的，由转子不对称所感应的f(1 2ks) fi,(k 1,2,3)分量的频率也 是不断变化的。把整个起动时间分成若干时段，然后分别对每个时段的定子电流信号作谱分析，除起动开始和起动结束 的两个时段外，其他时段内特征频率可以远离fl频率分量，对谱分析的分辨率要求大大降低；在起动过程的大多数 时段内，特征频率分量的电流大小相对于基频分量电流之比值比稳定时大，故障特征量信息丰富，诊断灵敏度高；异 步电动机拖动负载起动过程中，

8、始终满足电磁转矩大于负载转矩，因此不会出现稳定运行时那样的摆动。综上，异步电 动机起动电流时变频谱诊断转子断条故障能够克服稳态运行时转差率很小，从而特征频率分量与基频分量接近；故障 频率分量电流与基频分量电流之比很小；电动机拖动的负载不平稳，从而使定子电流发生畸变等不足。因此，对起动时 的定子电流信号，进行时变频谱分析，起动初始时，故障特征频率与基频靠近，随着转速的增加，即转差率s的减小， 故障特征频率逐渐远离基频，当s接近0.5时，转子断条故障分量幅值减小，当s小于0.5之后，故障特征分量幅 值又开始增加，且随着s的进一步减小，特征分量频率又逐渐向基频靠近，当起动快结束时，即s较小时，故障特

9、征分 量频率又与基频靠得很近，且幅值又变小。若从时变频谱图上观察到符合上述变化规律的频谱峰群，则可确诊有故障。2.2.2 故障后分析判断原理：在发生真正故障时，起动故障滤波，对故障时候的电气量进行记录，利用上述故障判断原理，作故障后分析，出具分析报告。2.3 本项目不能进行分析和诊断的故障类型2.3.1 定子铁心故障定子铁心故障多由各种原因造成的片间短路引起。其典型的故障征兆为：出现局部过热、造成绝缘热解，分解物产生烟雾和颗粒。2.3.2 定子绕组绝缘由于老化、磨损、过热、振动、受潮、污损及放电等因素的影响会使绝缘性能下降，甚至出现击 穿而引起绕组匝间短路、接地或相间短路故障。典型征兆为：绝缘

10、电阻下降、泄漏电流增加、局部过热、绝缘热解、局 部放电量增多等。当由绝缘故障严重，直接引发电气故障后，是可以通过本项目进行诊断的。2.3.3 滑环和电刷故障滑环和电刷因经常处于运动接触状态而容易出现故障。制造或安装不良，电刷压力调整不当， 电刷选型不当，电刷没及时更换，滑环移位，各种原因造成的火花过大等，均可能引起电刷和滑环的损坏。故障征兆： 火花偏大甚至出现环火，滑环电刷磨损严重，滑环表面烧伤等。2.4 故障检测报告格式电动机故障检测报告2004年7月9日15 ： 06 ： 00制作人：设备号：统一编号：1 .试验条件：2 .铭牌数据：3 .技术数据：4 .连续运行时的电流频谱分析:4.1

11、转子断条故障特征分量幅值：基频分量幅值:两者之比：整定值：4.2 气隙偏心故障特征分量幅值：5 .启动过程中的电流频谱分析7 .维修建议：2.5检测的硬件条件2.5.1 数据采集装置：7500ion2.5.2 通信：标准通信口为2个高速rs-485 口（可定义其中一个为rs-232c）。多通信接口（xpress技术）提供一个 10base-t 和一个 10base-fl ethernet （或一个内置 33.6k modem）。2.5.3 其他辅助配件：ct、pt、转速传感器（及变送器）2.6软件条件2.6.1 编程语言及版本：delphi7.02.6.2 仿真工具及版本：matlab6.52

12、.6.3 操作系统：win20003-本项目的技术可行性分析3.1 系统由匡图 系统由对异步电动机进行实时监测的监测智能仪表7500ion，通信通道、计算机及相应的配合 软件组成，系统结构图如图1所示，另外以四线星型联接方式绘出现场部分结构图，如图2所示。图1系统结构框图3.2 硬件采集设备的功能能否满足要求信号采集：通过ct、pt获得与定子电流、电压成正比的电流、电压信号，接入7500ion的电流、电压输入；通过转速传感器获得电流信号，其频率与被测转速成正比，然后再通过变送器，使输出信号是 一个与转速成正比的电流信号，且在0 1ma或020ma之间，接入7500ion的模拟量输入；a/d转换

13、部分：a/d模块是数据处理的重要模块，它的精度直接影响故障诊断的结果。由于转子断条故障的频率分量 接近50hz，幅值与基波幅值相差可达60db，因此要求a/d转换的精度在12位以上。7500ion 的电压回路a/d分辨率为14位，电流回路a/d分辨率为18位。采样频率：根据采样定理，为了不产生频率混叠失真，通常要求信号的最高频率小于采样频率的一半。异步电动机定子 电流信号的最高频率不超过100hz，因此采样频率大于200hz即可。由于需要采集定子电流信号，必须使用7500ion的故障录波功能。故障录波有4种采样频率： 128 点倜波（6400hz）、64 点/周波（3200hz）、32 点/周

14、波（1600hz）、16点/周波（800hz），可见都能符合要求。msleifermihal skipfts0pecwed0de 它 adload7500ion十转速传感器420ma异步电动机 转速变送器（转速表）ai业”-11111-111211 121 11122111311132田园引回or-n)nvt-图2 现场部分结构图3.3 拟采用的算法原理、主要流程图3.3.1 稳态运行时的算法为了克服稳态运行时，由于电动机负荷波动引起定子电流畸变，从而导致误诊断的问题，利用小波分析的优点之一 能够分析信号的局部特征，准确分析出信号发生突变的时刻。所以首先对定子电流采样信号作小波分析，以判 断负

15、荷是否波动，进而，根据负荷波动定位信息提取处于负荷平稳时间段的定子电流采样信号。小波分析算法：一组特定的小波由一组特定的数集，称为小波滤波系数标定。我们讨论daubechies小波。这种滤波器包括的范围从高度局域到高度光滑。最简单的（也最局域的）一类，通常称为daub4，仅有4个系数：co, ci, c2,c3 o考虑下面的变换矩阵，将它作用于一列数据向量的左边：c1c2 c3。3 c2 c1 (k)c2 c3c1 cococ1c3c21）coc1，2 c3 c3 c2 cl cococ1c2 c3c1 coc3 c2其中空白处表示零。这个矩阵的作用就是进行两个相关的卷积，然后各去掉一半数值，

16、将剩下的各半溶在一起。离散小波变换可由分级地应用（1）式的小波系数矩阵而得到。首先是长度为n的全数据向量，接着是长度为n/2的“光滑”向量，再接着是长度为n/4的“光滑光滑”向量，这样一直进行下去，直到一个数目非常小的（通常是2）的“光滑光滑”分量被留下来。这个过程有时被称为“角锥形算法”。离散小波变换输出的是由留下的分量和所有“细节”分量构成，“细节”分量是在这个过 程中逐步积累起来的。一个方框图可用来清楚地表述这个过程：fydalsisilv2di%di&s2v3%历电div4d2乂02d2yss3s5s3didiv6d3%口3 1d2d2v7乂s7s4d3d3丫8d4sort 、电(d、

17、sort 、d4、d4v9s5dididi7diywd5d2d2d2d2ynd3d3d3yi2d6d4d4d4d4yns7d5d5dsd5yud7d6d6dedeyiss8d7d7d7d7学6 一l.曲一ld8 _：id8 一id81d8 _2)为了克服故障频率与基频比较接近，需要较高的分辨率，采用自适应陷波滤波来抵消定子电流中基频分量，在频谱 上突出故障特征频率分量，信噪比可以大大提高。槽型滤波器：最常见的线性滤波器其输入点序列为xk，并由下述公式产生输出点序列yn ：3)mnck xn kd j yn jkoj 1其中m 1个系数ck和n个系数dj都是固定的，并定义了滤波器的响应。滤波器（

18、3）是由当前输入值和先前m个输入值，以及它自己先前n个输出值产生每个新的输出值。如果no，（ 3）式中第二项不存在，则滤波称为非递推滤波或有限脉冲响应滤波（fir ）如果n 0，则滤波成为递推的或无限脉冲响应的（iir ）（术语“ iir”仅仅意味着这种滤波器能够具有无限长的脉冲响应，而不是说在特殊的应用中脉 冲响应必定很长。典型的情况是，一个iir滤波器的响应在以后时间里将成指数衰减，迅速衰减而变成可以忽略不计)ck和dj与滤波响应函数网)的关系为m(4)cke 2 ik(f)h(f )k0n1 dje 2ij(f)j1其中为采样时间。nyquist区间对应于-1/2至1/2之间的f。对fi

19、r滤波来说，(4)式的分母恰好 是单位1。重新参数化 tan(f) i() i(iz)( 5)。不要被2。)建定义一个新变量，它将频率f 华iz(5)式中的i所迷惑。这一等式把实频率f映射成实值。事实上,它把nyquist区间卜映22射成实轴。(5)式的逆等式为ze2i(6)。下面是槽型滤波函数，它被设计成仅去掉围绕某个可靠频率。的窄频率带，其中。是个正数，h(。)(。)202 (7)。在(7)式中，参数是一个小正数，oiooio(io)2 0?表示槽口的期望宽度。通过用z代替的算术运算，给出滤波系数如下：22 (1 o)202102(1o)2021。2(1o)2028)1 2 0202”(1

20、0)20222(10)2 02吃(1o)2 02为了提高频率分辨率，在不增加采样数据长度的基础上，采用连续细化傅立叶变换，求得信号中某个主要频率分量的频率、幅值。因此，可以用快速傅立叶变换fft作全景谱分析，然后对对于采样频率为 离散的傅立叶级数为fft频谱进行逐级细化分析，对某些感兴趣的范围使用连续细化傅立叶变换。sf ,采样点数为n的时间序列x(tk)，其中tkkt 11/sf , k0,1,2,., n 1。n12an x(tk)cos(2 kn/ n)(9)nk02n1bn x(tk)sin( 2 kn/n)(10)nk0n-4 1 a0 =i x(tk),no,1,2,3,.n/21

21、1)n ko=f sf/n ，和采样点数成反比n为n f处幅值谱矢量表达式为an ibno以上变换，频率分辨力为 一定时，频率分辨力无法再提高。时间序列x（tk）中已含有从。至sf/2的频域信息，所以如果用连续的傅立叶变换ft对谱进行计算，把频谱曲线 看成是连续的，即把公式（9）、（10）中的n看作是一个在区间0 n n/2内的连续实数，公式（9）、（10）变为：n12a(f)x(tk)cos(2 kf/sf)nk0n12b(f) x(tk)sin(2 kf /sf)nkok(0 f sf12)13)仍具有物理意义，这时频域分辨力已不受采样点数的限制，f是一个连续的频率。3.3.2 起动时的算

22、法把整个起动时间分为若干时间段，对数据进行分段处理，各段数据允许重叠，然后对每一时段作谱分析， 由此获得的频谱是随时间变化的，称之为时变频谱。若从时变频谱图上观察到负荷上述变化规律的频谱峰群，则 可确诊有故障。3.3.3 负序电流的计算由于计算负序电流分量需要已知各相电 流相角，而本项目数据采集装置7500ion只能读取三相 相电压、线电压、相电流、线电流、三相功率因数，无法 得到各相电流相角，因此，可以通过以下算法，由三相功 率因数，三相相电流、三相相电压及线电压求得三相电流 相角，从而得到负序电流分量。矢量图如图3所示，以a相电压矢量为基准，其中 a、b为a、b相功率因数角，ubn为b相电

23、压相角，以此 类推。在:uan ubn u ab矢量三角形中，由余弦定理得：cos（ uan） （uan ubn uab） （2 uan ubn） （14）u bncos(2 ucn ubn ucn)uan) (ubn ucn ube) (2图3三相电压、电流的矢量图i bn 在:ubnllcn u be矢量三角形中,由余弦定理得：由（14）（ 15）式，即可得到三相电压相角。另已知三相功率因数，可以得到三相功率因数角，即三相电压与电流的夹角a、b、c。因此可以得到各相电流相角。15）即可求得负 a2a1其中a为旋转因子，且有以下关系:ii20 ae2j240ae1 a a2 017)由于实际

24、供电电源总存在一定的不对称性，即使在正常运行时，电动机也会有一定的负序电流存在，在整定阈值时 必须躲过这一不平衡电流。由于供电电压不对称引起的负序电流标么值（以正序电流为基准）为：218)式中， 电压不对称系数，u2/uekq起动电流系数般要求供电电压不对称度小于5%，以kq6计算，电动机负序电流的阈值应按30%整 定。kq应取实际值，若无此参数，一般在68之间。供电电压不对称引起的负序电流与电动机负荷大小无关。3.3.4 主要流程图主要流程图如图4,5,6所示。各相电流有效值断条及偏心故障诊断，输出结果对is2作fft,得到滤波后的全景频谱数据采集：定子电流信号（is。）、转差率（s）,对数

25、据进行分段处理；作时变频谱分析定了绕组对称电气故障诊断过流程度判断?图5定子绕组对称电气故障流程图负序电流分量计算定子绕组不对称电气故障诊断三相相电压、相电流有效值, 相电压有效值，三相功率因数图6定子绕组不对称电气故障流程图图4断条、偏心故障检测流程图4.技术试验4.1 采样频率与采样时间对基频连续函数x sin(2 *50t)进行采样，采样频率 及采样时间如下，分别作快速傅立叶变换(fft)， 得到频域信号，试分析不同情况下的频谱图。4.1.1 128点/周波x 14周波即采样频率为128/0.02=6400hz，采样时间 为0.02x14= 0.28s，时域采样点为128x 14 = 1

26、792。对其进行213=8192点fft，得到时域波形 及频谱如图7所示，出现栅栏效应。图7即采样频率为32/0.02=1600hz，采样时间为0.02x56= 1.12s，时域采样点为32x56 = 1792。对其分别进行212048点，22=4096点fft，得到时域波形及频谱如图8所示。020406080100120140160 180 200说明：由图8可见，补零对分辨率没有影响，但是对频谱 起到了平滑的作用。栅栏效应是因为用计算频谱只限制为基频的整数倍而不 可能将频谱视为一连续函数而产生的。减小栅栏效应的一个 方法就是在原记录末端添加一些零值点来变动时间周期内的 点数，并保持记录不变

27、。从而在保持原有频谱连续形式不变 的情况下，变更了谱线的位置。这样，原来看不到的频谱分 量就能移到可见的位置上了。但是，补零并没有增加序列的 有效长度，所以并不能提高分辨率。但补零同时可以使数据 为2的整数幕，以便于应用快速傅立叶变换。4.1.3 情况1的频谱与情况2中4096点频谱的比较， 如图9所示。说明：频率分辨率用频率采样间隔f描述，f=fs/n ，表示 谱分析中能够分辨的两个频谱分量的最小间隔。f越小，频率分辨率越高。4.1.4 相同采样时间，不同采样频率下的频谱比较4.1.4.1 采样时间为0.02 x14 = 0.28s时：采样频率为 128/0.02=6400hz，时域采样点为 128x 14 = 1792，进行 2=8192点fft，同图7；采样频率为32/0.02=1600hz， 时域采样点为32x14 = 448，分别进行2 = 1024点和2仁 8192点fft，如图10所示。将情况1和情况2中8192点fft频谱比较， 如图11所示。4.1.4.2 采样时间为0.02 x 56= 1.12s时：采样 频率为128/0.02=6400hz，时域采样点为128x 56 = 7168，进行2处8192点fft ；采样频率为32/0.