（机械电子工程专业论文）异步电机的故障建模及诊断.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文y6 2 0 2 3 2 异步电机的故障建模及诊断 摘要 随着现代科学技术的进步和生产系统的不断发展，电 机在生产中发挥着越来越重要的作用。电机故障不仅会损 坏电机本身，而且会影响整个系统的正常工作，甚至危及 人身安全，造成巨大的经济损失。而通过对电机常见故障 的诊断和分析，可以及早发现故障和预防故障的迸一步恶 化，减少突发事故造成的停产损失；还可为设计制造提供 经验，积累数据，有助于电机性能及可靠性的改进；同时 对电机故障定位、决策及维修都是极其重要的。 本文针对电机常见的两种故障定子部分故障和转子 部分的故障进行了分析，并针对此两种故障建造了其数学 模型。定子部分的故障主要是定子绕组故障。转子故障是 因为电机频繁启动和过载运行，使转子导条和端环易产生 疲劳，使之逐渐发生断裂或开焊，引起故障。通过分析可 知此两种故障形式都可通过其阻值的变化反应出来，本文 正是依据此特点从而建立了电机的故障模型。 论文首先论述了异步电机故障诊断技术的发展、现状 及各种诊断方法的特点和存在的不足。然后，基于异步电 机复杂的非线性、强耦合、时变的数学模型，推导出了异 步电机在两相静止坐标系上的线性化、离散、扩展状态方 程，即电机故障数学模型。此模型主要是针对电机定、转 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 子故障建造的。而故障特征量的获取是通过电机参数在线 辨识的方法观测到的。 通过深入分析了扩展卡尔曼滤波算法的工作机理。建 立了基于e k f 算法的异步电机状态观测器，并结合b a y e s 决策方法对电机定、转子故障进行了理论分析、仿真和实 验研究。分析显示此方法可有效对电机定、转子故障进行 检测、诊断和故障幅值估计。 为了验证本文所建故障模型的正确性，实验采用间接 验证的方法，由于电机定子电阻的变化直接影响电机定子 电压、电流的变化，所以实验中通过观测电机正常和故障 情况下的电压、电流值，来反应电机电阻的变化情况。同 时为了得到电压、电流的同步测量值，没有用互感器，而 是通过电阻分压测量电压，同时以测量引入电机的电源线 的电压代替线电流。通过实验验证此方法效果很好 在本文最后，进一步总结了本文所用方法的优缺点， 特别给出了本文所用方法中存在的问题，并针对不足之处 提出了合理的改进措施和解决方法。 关键字：异步电机，故障模型，扩展卡尔曼滤波，贝叶斯 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ef a u i 。tm o d e la n dd i a g n o s i s o f e l e c t r i cm a c i n i e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e l t ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，e l e c t r i c m a c h i n e sp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e r ni n d u s t r i a l p l a n t s t h er i s ko f m a c h i n ef a i l i n g c a r ! b er e m a r k a b l yr e d u c e di f n o r m a l s e r v i c ec o n d i t i o n sc a nb ea r r a n g e di na d v a n c e i no t h e rw o r d s o n em a y a v o i d v e r yc o s t l ye x p e n s i v e d o w n t i m eo fp l a n t b yp r o p e r t i m e s c h e d u l i n go fm a c h i n er e p l a c e m e n to rr e p a i r i fw a r n i n go fi m p e d i n g f a i l u r ec a nb eo b t a i n e di r la d v a n c e t l l i sp a p e r a n a l y s i st w on o r m a l f a u l t so ft h es t a t o ra n dr o t o rp a r t s a n db u i l d si t sm a t hm o d e l t h em a i nf a u l t so f t h es t a t o r si st h ef a u l to f t h es t a t o rr e s i s t a n c e ，i ti s m a i n l yc a u s e db yt h ef a u l t s o fd e s t r o yi t s i n s u l m i o n t h ef a u l t so ft h er o t o ri sc a u s e db yc o n t i n u a ls t a r t u pa n d o v e r l o a d i n gr u n n i n g ，t h i sm a k e st h er o t o re n d u r i n gb i gs t r e s s ，l i t t l eb y l i t t l ei tc a u s e st h ef a u l tu n d e rt h i sc o n d i t i o n s ，t h e s et w of a u l t sc a nb e r e v e a l e dt h r o u g ht h ec h a n g eo fi t s r e s i s t a n c e ，a n db a s e do nt h i sw e h a v es e t u p t h em o t o r sf a u l tm o d e l i nt h i sp a p e rf i r s td i s c u s st h ed e v e l o p m e n t ，t h ep r e s e n tc o n d i t i o n a n dt h ev a r yf a u l td i a g n o s i sm e t h o d so fe l e c t r i cm o t o r a n dt 1 1 e nb u i l d s t h ef a u l tm o d e lo ft h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ro nt h eb a s i so f t h es i x c l a s sa c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e li nt h es t i l l n e s sc o o r d i n a t e t h a ti st h ef a u l tm o d e lo ft h ee l e c t r i cm o t o na n dt h i sm o d e li sa i m e da t t h ef a u l to ft h es t a t o ra n dr o t o r s a n dt h e a c q u i r i n go ft h e f a u l t e i g e n v e c t o r i so b s e r v e d t h r o u g ho n l i n ei d e n t i f i c a t i o n t h i sp a p e rm a k e sa ni n d e p t hs t u d yi n t ot h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f i u 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e e k f ( e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ) a r i t h m e t i c i t s e t s u p t h es t a t e o b s e r v a t i o no ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o rw h i c hi sb a s e do nt h ee k f , c o m b i n e dw i t hd e c i s i o n m a k i n go ft h eb a y e s ，i tc a r r i e st h r o u g ht h e o r y a n a l y s i so nt h ef a u t to f t h es t a t o ra n d r o t o r , e m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t s t u d y b yt h ea n a l y s i sw ec a ns e et h ea p p r o a c hi sv e r ye f f e c t i v e l yt o f a u l td e t e c t i o n ，i s o l a t i o na n de s t i m a t i o no fr o t o r sa n ds t a t o r s i no r d e rt ov e r i f yt h et r u t ho ft h ef a u l tm o d e l ，a ni n d i r e c tm e t h o di s u s e d i ti sb e c a u s et h ec h a n g eo fs t a t o r sr e s i s t a n c ea f f e c tt h es t a t o r s v o l t a g ea n dc u r r e n td i r e c t l y , t h ee x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt o d e t e c tt h e v o l t a g ea n d c u r r e n tu n d e rn o r m a la n df a u l tc o n d i t i o nt or e f l e c tt h es t a t e o fs t a t o r sr e s i s t a n c e a l s oi nt h ee x p e r i m e n tw eo b t a i nt h ec u r r e n tb y m e a s u r i n gt h el e a d c u r r e n tf r o mt r a n s d u c e rt ot h em o t o r , a n dt h i s b e c a u s ei ti st h es a m ec u r r e n tw i t ht h es t a t o r a n dt h r o u 曲t h et e s tw e f o u n dt h ee f f e c ti sv e r y p e r f e c t i nt h ee n d ，w ec o n c l u d et h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h i s m e t h o d ，e s p e c i a l l yp o i n to u tt h ee x i t i n gp r o b l e m ，a n dc o r r e s p o n d i n gt o t h a tw e g i v eo u tt h er e a s o n a b l ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa n dt h es o l v i n g s c h e m e a n de x p e c t a t i o nt ot h ef u t u r et h i sa r i t h m e t i cw i l lb ea p p l i c a t e d i n t op r a c t i c eb yt h eh i g hp e r f o r m a n c e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) s d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ，f a u l tm o d e l ，e x t e n d e dk a l m a n f i l t e r , b a y e s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 文中所用符号及含义说明如下： 西磁通量( w b ) h 磁场强度( a m ) ，频率 ( h z ) “，u 电压( v ) 三电感( h ) c o 角速度( r a d s ) ，月电阻( 臼) 矿磁链 t电磁力矩( n 珑) d 摩擦及风阻阻力矩系数 j转差率 占气隙 a e c 定子分量 均值盯。方差 p 。铁芯损耗 b 磁通密度( w b ) p ，e 感应电动势( v ) i ，电流( a ) ，转动惯量 ( k g m 2 ) 膨互感 p 功率( w ) 妒交变量的相位 既磁能 h 。极对数 x 扭转弹性力矩系数 p 微分算子 ”转速 ( r p m ) d ，b ，c 转子分量 p 。机械损耗 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 电机故障诊断技术综述及选题意义 随着经济建设的发展和电气化程度的提高，电机设各已被广泛 应用于工业生产的各个领域，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。显而易见，电机的正常工作对保证生产制造 过程中的安全、高效、敏捷、优质及低耗运行意义非常重大。电机 的故障和停止运行，不仅会损坏电机本身，而且会影响整个系统的 正常工作，甚至会危及人身安全，造成巨大的经济损失，因此对电 机故障的诊断要求十分追切。通过对电机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，减少突发事故造成的 停产损失。防止对人员和设备安全的威胁，并为实现状态检修创造 条件：还可为设计制造者提供经验，积累数据，有助于电机性能及 可靠性的改进；同时对电机故障定位、决策及维修都具有极其重要 的意义。 大型电机在系统中有着重要的地位和作用，而因其造价昂贵， 一般不设置备用电机，所以一旦出现故障可能导致整个生产线的停 产，造成巨大的经济损失。为了将因电动机故障造成的损失降低到 最小程度，一般除应采取各种积极的维护措施消除或减少故障隐患 之外，在故障初期便能可靠地诊断出故障的类型和成因是最理想的 解决方法【1 1 。 1 1 1 国内外电机设备故障诊断技术综述 国外对电机设备故障诊断技术的研究始于6 0 年代。虽然各国都 很重视，但直到7 0 8 0 年代，随着传感器、计算机、光纤等高新 技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。加拿 太原理工大学硕士研究生学位论文 大、日本、前苏联等国陆续研制了变压器、发电机的局部放电、泄 漏电流等在线监测系统，其中少数已发展成为正式产品。我国对电 机设备故障诊断技术的重要性也早已认识，6 0 年代就提出过不少带 电实验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大而未得到推广 。直到8 0 年代开始出现电机设备故障在线诊断技术的研究，在近 1 0 多年来得到迅猛发展“1 。 电动机最常见的各种早期故障主要有定子部分、转子部分和轴承 部分的故障。定子部分的故障主要是定子绕组故障，主要是由绝缘破 坏而引起的各种表现形式的故障，如内部放电、匝间短路、相问短路 和单相对地短路等等。电动机频繁启动和过载运行，会使转子承受极 大应力，这种应力的长期作用，使转子导条和端环极易产生疲劳， 使之逐渐发生断裂或开焊，引起转子故障。轴承部分的故障主要是因 负载过重、润滑不良和异物进入等原因引起的轴承磨损、表面剥落、 腐蚀、碎裂和胶合等故障。轴承出现故障后，将会引起电动机的振 动3 “。 电机设备传统的故障诊断方法有n3 ：1 ) 电流分析法通过频谱 等信号分析方法对负载电流的波形进行检测从而诊断出电机设备 故障的原因和程度；2 ) 绝缘诊断法利用各种电气试验装置和诊 断技术对设备的绝缘结构、工作性能是否存在缺陷做出判断，并对 绝缘剩余寿命做出预测；3 ) 温度检测法采用各种温度测量方法 对电机设备各个部位的温升进行监视，电机的温升与电机的多种故 障现象相关；4 ) 振声诊断法通过对电机设各的检测，并对信号 进行分析处理，诊断出电机产生故障的原因和部位，尤其是对机械 上的损坏诊断特别有效。 现代故障诊断技术可分为is - 7 基于解析模型法，基于信号处 理法，基于知识法。基于解析模型的方法发展最早，此方法需要建 立被诊断对象的较为精确的数学模型，它又可分为参数估计法、状 态估计法和等价空间法等。基于信号处理的方法回避了抽取对象数 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 学模型的难点，直接利用信号模型适用于线性、非线性系统。其中 的热点是基于小波分析技术的故障诊断方法。基于知识的方法也不 需要系统的定量数学模型，它引入了诊断对象的许多信息，可以充 分利用专家诊断知识等，是一种很有前途的方法。基于知识的方法 大致可分为：神经网络法，模糊逻辑法，定性模型法等。 除解析模型法外，基于信号处理和专家知识的故障诊断技术占 很大成分，其中有相关函数高阶统计量、频谱分析等。然而这些分 析方法局限于电机设备稳态运行的故障诊断，对于起动、加速、制 动等动态运行条件下实时诊断出电机设备的故障已越来越引起重 视。信号处理方法中的热点小波技术，具有良好的时频局部化特征 ，能准确抓住瞬变信号的特征，因此在动态信号的分析上有着明显 的优势。另外，神经网络具有自学习和能拟合任意连续非线性函数 的能力，以及并行处理的能力，使它在处理非线性问题和在线估计 方面有很强的优势”。“。近年来，这些现代故障诊断方法在电机故 障诊断上均有尝试和应用，并取得了一定的成绩。 1 1 ，2 选题意义 尽管电动机的故障监测技术目前已取得了长足的进步，但仍存在 相当不足。主要表现在两方面，即故障信号分析方法的滞后以及由此 造成的故障检测准确度的不足。从目前有关电动机早期故障研究的各 种文献来看，检测结果仍然缺乏较高的准确度，能够真正进入实际应 用的检测装置比较少。有些能给出具有较高准确度的定性的诊断，但 要做到具有一定准确度的定量诊断，却会遇到很大的困难“3 。目前， 国内大型交流电动机装备了智能多参数故障检测系统的并不多，有的 即使安装了，但由于故障检测的误判率较高，准确度较低，因此，也 不能真正地发挥作用。国外一些发达国家在大型机组上安装的在线监 测系统，主要是针对电动机的机械性故障的监测和诊断，如振动、轴 承、转速、温度等，而能同时进行较高准确度的电气参数故障检测的 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 还不多“2 1 ”。就信号分析方法而言，在电动机故障检测中长期以来广 泛运用的信号分析方法是f o u r i e r 分析。f o u r i e r 分析是建立在信号平 稳的假设之上的，实际应用中主要存在频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效 应等不足，这些因素严重影响了检测效果。而借助于f f t 算法实现的 信号处理方法如频谱分析、相关分析、细化谱分析、包络分析和倒谱 分析等的应用也就大打折扣。此后，针对f o u r i e r 分析的不足，学者 们提出了许多新的改进方法，包括加窗、内插值法、同步采样技术和 自适应调整周期采样技术等“1 “。小波变换、人工智能和模式识别技 术应用于电动机故障的诊断只是近几年的事情，目前仍然处于探索阶 段，还有大量的研究工作要做。 本文给出了种基于三相感应电动机精确模型的故障检测和诊 断方法。此方法的特点是不仅可以实时检铡和分离出电机转子和定子 故障，而且还可以估计出故障的幅值，为进一步实现电机的容错控制 创造了重要的必要条件。 1 2 本文的安排及工作 本文首先论述了异步电机故障诊断技术的发展、现状及各种诊 断方法的特点和存在的不足。然后，基于异步电机复杂的非线性、 强耦合、时变的数学模型，推导出了异步电机在两相静止坐标系上 的线性化、离散、扩展状态方程r 即电机的故障数学模型。探讨了 异步电机参数在线辨识的特点，深入分析了扩展卡尔曼滤波算法的 工作枫理。建立了基于e k f 算法的异步电机状态观测器，并结合 b a y e s 决策方法对电机定、转子故障迸行了理论分析、仿真和实验 研究。分析显示此方法可有效对电机定转子故障进行检测、诊断和 故障幅值估计。 本文针对异步电动机定、转子故障建立了其故障数学模型，为 了验证所建故障模型的正确性，实验采用间接验证的方法，由于屯 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 机定子电阻的变化直接影响电机定子电压、电流的变化，所以实验 中通过观测电机正常和故障情况下的电压、电流值，来反应电机电 阻的变化情况。实验中对电机定子匝间短路故障进行了模拟，即在 定子绕组上并联一电阻使该相绕组阻值下降，来虚拟定子匝问短路 故障。 本文最后指出了所用方法的不足之处，并给出了对应的解决方 法及今后的的工作和发展方向。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章异步电动机的动力学模型及故障诊断 2 1 异步电动机的基本原理及工作特性 2 1 1 异步电动机的构造及其基本原理 a 、异步电动机的构造 三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子与转子 之间有一个较小的空气隙。 异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 定子铁芯是一个内圆周上冲有齿和槽的空心圆筒形铁芯，是电动机 主磁通磁路的一部分。定予绕组就放在铁芯的槽内，它由许多线圈 按定规律联接而成。根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕 组及双层绕组两种基本型式。容量较大的异步电动机般都采用双 层绕组。机座的作用主要是固定和支撑定子铁心转子。 转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。铁芯结构如同定子铁 芯。转子绕组的形式有两种：鼠笼式和绕线式。笼型转子的铁芯外 圆开有均匀分布的槽，每个槽内安放一根导体并伸出铁芯以外，然 后用两个端环把所有的导条两端分别连接起来。绕线式转子的电动 机就是转子上绕有对称绕组，和定子绕组有相同的极数，但不一定 要求有相同的相数。通常三相线绕转予均采用对称的三相绕组，连 接成星形或三角形。转子的端装有三个集电环，与转子绕组的三 个起始端相连，可以引出引线。 异步电动机定、转子之间必须有一气隙。气隙是异步电机磁路 的一部分，对电机运行性能影口向很大。为了减小励磁电流，提高功 率因数，气隙越小越好，但从减小磁场脉振引起的附加损耗、减小 谐波漏磁、方便制造角度考虑，又要求不能太小。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 b 、异步电动机的基本原理 当对穆三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转予之间 的气隙内建立了以同步转速旋转的旋转磁场。旋转磁场切割转子 导体时，在转子导体中感应电势，由于转子绕组是闭合的，在转子 导体中将有电流通过。转子导体中的电流与旋转磁场相互作用，产 生电磁力，使转子导体受到该力的作用，这一电磁力的方向与旋转 磁场方向相同。在电磁力的作用下形成电磁转距，拖动转子顺着旋 转磁场方向旋转。根据电磁学原理可知，只有转子转速i 1 ，小于同步 转速( 即气隙磁场旋转转速) 时，转子相对旋转磁场才有相对运 动，转子回路才有可能切割磁力线而产生感应电流，所以转子转速 不可能达到同步转速，即n ，oiiooo人 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 电机的故障机理及诊断技术 2 3 1 异步电动机故障形式及机理研究 异步电动机发生故障的类型取决于电机的结构以及电机工作 的环境。不论哪种故障，都会按一定的模式或机制发展，即从最初 的缺陷发展成为部分故障，或者最终导致完全损坏。这一发展过程 所需时间各不相同，它取决于各种具体情况。然而，最重要的是， 不论哪种故障都会有其早期征兆。通过监测可以从中找出一些基本 故障的发展过程，从而识别这些故障的早期征兆。 a 、定子铁芯故障 异步电动机的定子铁芯结构是：从铁芯背部将硅钢片紧紧地夹 紧，然后再固定在定子的支架上。由于制造过程中或修理过程中穿 转子时损伤了定子内的铁芯，形成片间短路。环路电流不断流过定 子膛内铁芯短路的地方，经过一段时间。电流渐渐增大。当电流增 大到一定程度后，定子铁芯硅钢片则会出现熔化现象，然后钢水则 会流入定子槽中，烧毁绕组绝缘。此时，定予铁芯的故障己相当严 重，而线圈也必需更换。这种故障的早期征兆是定子出现大的环路 电流、高温，同时绝缘材料出现高温分解现象。小型电机也同样会 出现此类故障。造成小型电机出现此类故障的原因可能是制造上的 原因，但更常见的原因则是由于电机自身振动过于剧烈，导致电机 定子铁芯片问绝缘损坏。另外，轴承的损坏可能造成转子与定子之 间发生摩擦，从而损坏定子铁芯。 b 、绕组绝缘故障 绝缘系统是电机本身固有的无论是机械方面还是电气方面最 为薄弱的部分之一。绕组故障常常是由于绝缘缺陷形成的。绝缘缺 陷包括主绝缘中的空洞或杂质。绝缘中从其他地方来的杂质油或金 属都是在制造过程中形成的。无论是由于绝缘老化或是孤立的缺陷 2 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 所引起的绝缘故障，其故障的表征基本上是一致的，即电机内活动 性放电量增加，这是该类故障的早期征兆。 c 、定予端部线圈故障 在电机运行过程中，定子端部绕组在力的作用下，会发生移动 现象。当支撑结构松弛时，端部绕组便会发生故障。在某些情况下 ，端部绕组绝缘会出现裂纹、磨损或完全损坏。对于大型电机，正 常运行时，由于绕组绑扎松弛，线棒产生较大的位移，可引发线棒 疲劳磨损故障。进入电机的外来异物，如钢垫圈、螺母等会被转子 打飞，直接击伤定子的端部绕组，从而损坏电机。这些碎粒还可能 在电磁力的作用下，侵入端部绕组的绝缘层，侵蚀绝缘，产生端部 绝缘故障。定子线圈端部故障的早期征兆使端部绕组的振动不断加 大，井可能出现对地放电现象。 d 、转子绕组的故障 对于鼠笼式异步电动机，其转子故障常常表现为以下的几种情 况：转子断条端环破裂，高阻接头，铸铝转子中铸造间隙和气泡， 绕线式转子中的不良铜焊头等。导致转子故障的原因通常是转子温 度过高，以及作用在鼠笼端环上的离心负荷过大，这种情况在电动 机起动时特别突出。导致转子故障的某些缺陷也可能是在制造过程 中就已存在。例如，在制造压铸转子时使用了不合格的铸件以及采 用铜焊或电焊的端环出焊接质量不良等都会留下故障隐患。这些缺 陷会导致电阻过高，从而引起过热。而在高温条件下，鼠笼的强度 降低，鼠笼条可能出现裂纹。此类故障常常发生在鼠笼的端环上， 导致笼条伸出转子槽外而得不到转子铁芯的支撑。鼠笼条与转子的 相对位移，连续的高温运行或停车同样可以引起鼠笼端环和鼠笼条 变形，并最终导致端环与鼠笼条断裂。必须指出，当电机改变运行 速度时，鼠笼条必然会向端环施加制动力或加速力；如果由于负荷 变化或由于正常负荷的周期变化而引起电机的速度发生波动，则会 在鼠笼条和端环之间的连接处发生高频疲劳断裂故障；如果电机启 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 动频繁：额外的启动力则可能引起绕组元件发生疲劳断裂故障。笼 条断裂的早期迹象是电机速度、电源电流和杂散漏磁通等出现脉振 现象。 绕线式转子异步电动视的转子绕组在设计上与电动机的定子绕 组十分相似。其不同点是，为了克服离一6 力的作用，其端部绕组是 甩钢坯或更普遍地用玻璃纤维编织带牢牢地绑扎固定的。由于离心 力的作用，可能造成端部绕组交叉处或连接处的匝间短路。绕组的 损坏常常发生在端部区域。如果集电环与绕组连接的外部电阻相阈 不平衡，那么流过转子绕组的电流也将不平衡，从而产生过热现象 ，会导致转子绕组绝缘迅速老化。由于转子的电流频率非常低，而 我们又必须探测各项低频电流之间的较小差异，这就是检测的困难 之所在。 e 、转子本体故障 犹如对绕组的影响一样，电机转予在高速运行中所承受的强大 离心力同样也可能引起转子的本体故障。转子本体故障一般表现为 不平衡、不对中、轴弯曲、轴裂纹以及偏心等。 转子不平衡故障是电机常见故障，不平衡时，转予质量偏心， 转子产生同转频的周期性激振力，使振动增大。在频谱图上主要表 现为同转频的频率分量幅值增加，如果不平衡超标，应该进行动平 衡处理。如果电机转子在加工过程中存在伤痕等隐患，在运行中， 这些裂纹会进一步扩展，从而会导致转子断裂的灾难性故障。转子 偏心分为静偏心和动偏心，最小径向气陈位置在空间固定的偏心为 静偏心。例如静偏心能由定予铁芯椭圆度或者转子或定子的不正确 定位引起的。当转子中线不在旋转中心和最小气隙随转子一起旋转 时，就出现动偏心，所以动偏心应是空间和时间的函数。动偏心一 般由弯曲轴、临界转速下的机械共振或者轴承磨损和位移引起。转 子偏心会产生不平衡磁拉力，从而引起振动。当整个转子温度分布 不均而使转子发生热弯曲时，这种现象会更加严重，甚至能使转子 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 与定子之间发生摩擦，最终损坏电机。 f 、电气不平衡故障 电气不平衡故障主要有三相电源不平衡、电机断相运行等。这 种故障也较为常见，在负载运行时断相，能使电机定予电流迅速增 大，使电机过热，绝缘老化，使用寿命缩短，甚至烧毁电机，危害 极大。 卧轴承故障 电机转子在前后两端由轴承支撑。一般对于卧式电机，轴承主 要承受径向力，通常采用球轴承，对于立式电机，轴承还要承受轴 向力，通常采用推力轴承。轴承内圈与转子高速运转，承受较大的 载荷，易发生故障，故障形式通常表现为磨损、点蚀、内外圈破裂 等故障。轴承故障能使振动加剧，导致振动超标，是电机常见的振 动源。 2 3 2 故障机理与技术条件之间的关系 在实际工作中，由于未能依据电机的用途而正确制定技术条件 ，从而导致电机出现故障的事件很多。例如，一台电机出力不够或 机壳选择不合适，都可引起故障。电机的技术规范必须保证它的设 计合乎其使用条件的要求。 电机的技术条件必须反映出电机将允许在什么样的机械的、电 气的和环境的条件下工作。电机的故障都和这些条件有关，因此， 选择监测和诊断参数时，应考虑运行条件的影响。 从机械方面来看，电机可能是周期间歇运行，也可能是频繁启 动，这些都会引起绕组松动、绝缘老化、轴承磨损及振动加剧等缺 陷。那些驱动脉动负荷的电机，如驱动压缩机的电动机，也同样会 引起轴承严重磨损。 从电气方面来看，无论是电力系统的电机，还是其他行业系统 中的电机。它们都可能受到所在电网各种暂态过程的影响。这些暂 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 态过程有缓慢扰动和快速绕动之分。缓慢扰动如三相电压小平衡， 会引起电机的过热，如果电机承受不平衡而造成的过热能力不够， 就可能引起电机故障。电力系统的电压快速变化的暂态过程，可以 引起电机绕组电位分布不均，结果部分绕组上的电压超过其绝缘能 力，而绝缘破坏。 从环境角度来看，电机会遇到高温及污染的问题。由于冷却系 统或运行的环境有问题，即便是电机在额定功率下运行，都有可能 出现过热的现象，使绝缘材料劣化。由于工业环境的影响，使电机 的运行环境十分恶劣。赃物能堵塞冷却器，弄脏密封装置，卡住轴 承从而引起过热及机械故障。由于环境条件的影响，如湿度很高， 也会降低绝缘性能。 显然，电动机的备种故障的产生是与运行条件相关联的，对于 同类电机，处在不同的工作环境，会产生不同的故障。 2 3 3 电机故障诊断技术 2 3 3 ，1 有别于继电保护系统 长期以来，处于重要位置的大型电机都有继电保护系统，用各 种机电器整定到某一设定值，当运行参数和状态参数达到或超过继 电器设定值届，继电器就会报警。一些重要参数超限并达到危险值 时，会切断电源，让电机停止运行，以防发生事故或事故扩大。 这里产生一个问题，继电保护系统是否能代替诊断技术和状态 监测系统呢? 这需从继电保护的功能说起。通常大型电机的继电保 护功能包括过电流保护、过电压保护、欠电压保护、差动保护、负 序保护、失磁保护、逆电流保护、接地保护、过速保护、振动超限 保护、过热保护、润滑油、冷却水和风机连锁保护。 从表面上看，继电保护功能已很完善，但是必须知道，继电保 护只是当被监视参数达到或超过继电器整定值时才起作用，即只是 当故障发生时才动作，而并没有预防功能。相反，有时一个运行参 太原理工大学硕士研究生学位论文 数超限，继电保护系统动作，电机被突然切断而使生产流程中止， 仍会导致很大损失。电机诊断技术不但能根据早期征兆进行故障预 报，而且能对故障进行诊断和趋势分析，判定出合理的检修方案。 由于继电保护和电机诊断技术功能是不同的，因此，绝不能用 继电保护系统来代替电机的诊断技术。 2 3 3 2 电机故障诊断技术 各种类型的电机都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。 用于电机诊断的技术有； a 、基于定子电流频谱分析的监测方法 ( 1 ) 气隙偏心故障的监测“”。当气隙存在偏心时，气隙磁导沿圆 周方向出现不均匀，从而在定予电流中感应出谐波分量。但是当转子 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。( 2 ) 转子绕组( 包括导条和端 环) 的故障监测和诊断“6 “1 。用定子电流信号来监测异步电动机( 尤 其是鼠笼式异步电动机) 转子绕组故障是最常用的，也是研究得最多 的一种监测方法。分析和试验表明，当异步电动机的转予绕组出现不 对称故障( 绕线式异步电动机转子绕组匝闻短路、鼠笼式异步电动机 转子导条和端环高阻或断裂) 时，定子绕组电流中会出现基频周围的 边频带。( 3 ) 滚动轴承的故障检测“。滚动轴承的故障表现为：外 滚道缺损、内滚道缺损、滚珠缺损等。不同故障形式会导致电动机以 不同的特征频率振动。 利用定子电流的频谱分析来进行故障监测和诊断是最常用的， 也是研究得最多的一种监测方法。当供电电源为非正弦波形( 如通过 太原理工大学硕士研究生学位论文 逆变器供电) 或负载变化频繁时，低频分量被这些因素所引起的谐波 所湮没，这时有必要借助于高频成分来帮助诊断。由电源或负载引起 的高频成分在频谱中的幅值的包络线是平滑的，而故障如断条引起 的高频成分的幅值会出现突变。 b 、基于振动信号频谱分析的故障监测 振动传感器的输出信号经信号处理( 多为频谱分析) 后，与己知 的故障特征频率相比较，可寻找出故障性质和故障部位。与定子电流 信号一样，不同的故障或异常会产生不同频率的振动。与定予电流频 谱分析方法相比，振动检测的局限性较大。 c 、基于p a r k 矢量方法的故障监测“”2 ” 该方法的原理是：将定子三相电流从a 、b 、c 坐标下转换到d 、q ( 实际上为惯用的静止口，) 坐标下。在d 、q 坐标系中，由0 、i o 形成 的矢量的轨迹为一以原点为中心的圆。实际上，由于制造、安装、材 料等方面的原因，正常电动机的矢量轨迹只能接近为圆。当出现各种 故障时，会偏离圆轨迹，变成椭圆。长短轴的长度和偏转方向变化，与 故障类型和程度有一定的联系。他们用这种方法对气隙偏心、定子绕 组匝间短路、转子绕组故障进行监测。这种方法原理比较新颖，但要 用来预测早期故障，比较困难，因为只有当故障发展到一定程度时，才 会对轨迹有一定影响，才能检测出故障。有文献中提出了一种被称作 e x t e n d e d p a r k 的矢量方法。该方法结合了电流频谱分析和p a r k 矢 量分析方法的特点，先将三相电机电流信号转换成f ”i 。分量，然后 对锄十：进行频谱分析。对转子断条故障检测结果表明，这种方法 的最大优势在于将基波分量转换成了直流分量，解决了常规方法中基 波信号与故障特征信号频率过于接近难以分离的问题。它是一种有效 的故障信号提取方法。 d 、局部放电监测法o ” 电动机( 尤其是高压电动机) 由于制造缺陷或使用环境恶劣而使 绝缘性能退化，容易出现局部放电现象。局部放电，一方面可以直接 太原理工大学硕士研究生学位论文 击伤绝缘，同时可以使局部过热而造成热损伤，甚至引发匝间短路、 接地故障及相间短路等恶性事故。局部放电监测主要用于大型发电机 上，国外对4 k v 以上电压的高压电机推荐使用局部放电监测。监测方 法有两种：一是将传感器( 一般为儒可夫斯基线圈) 连至定子中性点 与接地电阻之间，由其感应拾取放电信号，经放大、检波、采样后进行 显示和识别：二是用耦合电容作传感器，将耦合电容连在定子绕组的 出线端，由其拾取放电脉冲，所拾取的放电脉冲经处理后进行识别。这 种方法对绝缘的早期劣化监测非常有效，但难于消除现场的各种干 扰信号的影响。加之不同的电机由于制造和使用材料的差异，正常的 放电量相差很大，没有统一的阈值。因此每台电机都应测量其正常状 态下的放电值作为参考值，将运行过程中的监测值与此相比较，才能 判断绝缘的劣化。 e 、轴电压和轴向漏磁通监测方法0 2 1 正常情况下的电动机，由于不可能存在严格意义上的对称以及 材料性能的不完全一致，因此总会存在一定的轴电压和轴向漏磁通。 当故障出现时，不对称程度加大，会引起轴电压和轴向漏磁的增大。通 过监测可以发现某些故障。对轴电压监测而言，需要将电压信号通过 电刷和滑环引出，而这种接触本身就不大可靠，还会引起电压降落，使 本来就微弱的信号产生畸变，因此难以用来做在线监测。据称轴向漏 磁监测方法可以用来检测定子匝间短路、气隙偏心、转子断条、非全 相运行等多种故障。这种方法的主要不足在于需要在端部绕组侧安装 多个探测线圈，且同心度要求高，不太容易满足，目前尚处于研制开 发阶段。 f 、工况性能监测法 这是一种最基本和简单易行的方法，主要监测量为常觌的工况 量：电动机的电压、电流、输出功率，外加测温元件所测量的定子绕 组、铁心及转轴等部位的温度。电动机在一定的负载下，定子电流、 输出功率、几个部位温度均有定值或在一定的范围内。当电机的性 太原理工大学硕士研究生学位论文 能劣化时，波动的范围将超过正常的数值，此时即认为电机出现了异 常，再结合其他监测手段提供的信息，加上检修中积累的经验，通过综 合分析，给出性能劣化的可能原因。这种方法成本低，可靠性较高，但 在其他辅助监测方法不具备的情况下，难以对故障进行定位，只能作 出大致估计，也不能发现早期故障。 g 、基于参数辨识的故障监测方法o ” 一般来说，对象的输入量和输出量是可以测量的，内部参数和状 态变量不一定是可测量的。如果故障特征直接反应在可测量上，便可 根据正常情况下可测特征量的变化范围，确定适当的闷值。当特征量 超过该阈值时，就可作出故障结论。实际上，一般的可测量往往不能直 接反映故障。如果能建立对象的数学模型，当存在故障时，对象的输出 量、内部参数及状态会发生相应的变化。通过可测信号，利用适当的 方法就可以对系统的状态和内部参数进行估计，监测状态变量和内 部参数的变化，再根据它们与故障的对应关系进行故障分析和定位。 这种方法的准确程度取决于所建数学模型的准确程度。模型的准确固 然重要，选择哪种形式的模型参数同样重要。为了实现故障的分离或 定位，最好选用那些能唯一确定物理参数的模型参数。参数辨识的方 法较多，如最小二乘法、极大似然法、互相关法、辅助变量法、随机 逼近法和自适应法等。 2 3 3 3 故障在线监测 随着生产的发展，生产装备更为先进和现代化，其标志主要是大 型化、高速化、连续化和自动化，设备变得更加精密和复杂，设备故 障造成的经济损失和影响也越来越大，因此设备维修方式和检查( 监 视) 方法更加受到关注。 设备维修方式主要有事后维修、定期维修和状态监测三种类型。 状态监测是最先进和合理的维修方式，它是以监测和诊断技术为基础 的，通过对设备运行状态的监测，发现并消除可能的故障，避免突然 事故的发生。这种维修方式是以设备的状态作为检修标准，由于通过 2 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 监测可预知设备缺陷和故障发展趋势，因而可以有计划地安排检修， 从而能适应当今现代化生产中设备运行和维修的要求，是目前正在为 越来越多企业和部门采用的一种维修方式。 现代状态监测方法分为离线监测和在线监测。离线监测的特点是 监测周期为间断的，但是定时的，监测点的位置是固定的。机器的状 态信号由人工采集，由计算机进行处理和存储，在监测过程中，发现 检测值超限就能报警，根据积累数据可作趋势分析。其缺点是不能对 迅速发展的故障作出及时的反应和预测。 在线监测是通过安装在设备上的传感器，随时可以获取机器运行 的各种状态信号，可对机器进行连续的监测，其特点是能在早期阶段 发现故障，并严密监视其发展情况，实现提前报警。这样就有可能选 择在最合适的条件下有准备的停机和检修设备，因此能节约时间并减 少损失。 由于科技进步和生产发展，各种类型的电机和机组的单机容量日 趋增大，数量越来越多。很多电机和机组处于生产线上和系统网络中 的关键位置，因而都要求有极高的可靠性。一旦出现事故，影响生产 和造成的停产损失都是巨大的，而且还可能会造成人身伤害和设备毁 坏的恶性事故。因此，电机的在线监测和诊断技术越来越受到人们的 关注。 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章异步电动机故障建模及其仿真 随着经济建设的发展和电气化程度的提高，电机设备已被广泛 应用于工业生产的各个领域，及时而准确地发现电机设备潜在的和 现有的故障是保证生产安全运行的重要措施。因此，研究不同场合 、不同运行状态下电机设备在线故障诊断理论和技术是提高生产设 备可靠运行的保证。 异步电机最常见的各种早期故障按照所处的位置可以分为定子 部分故障和转子部分的故障。定子部分的故障主要是定子绕组故障 ，主要是由绝缘破坏而引起的各种表现形式的故障，如内韶放电、 匝间短路、相间短路和单相对地短路等等。这些故障往往始于电机 内部绕组品质的变化。由于长期运行或过载，特别是频繁地起动及 反向，过电流产生的热量使绕组绝缘层发生质