（电力系统及其自动化专业论文）电机故障在线监测诊断新原理和新技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 且不需定、 转子的电阻和电感参数。以上三种方法均经过了严格的数学证明， 试验结 果与理论分析结论一致，表明以 上方法在各自 的应用范围内效果良 好。 大型汽轮发电 机定子内水冷系统堵塞是定子常见故障之一， 破坏性极大。以往运 行人员主要通过温度报警来发现异常， 此时已 经造成绕组线棒损伤或破坏， 而大量的 测温元件反映的温度信息没能得到充分应用。 为此， 本论文提出了定子聚四氟乙 烯出 水口 和槽部测温元件处的温度模型， 模型全面反映了空心线棒的流通状况、 测温元件 及其与被测对象的接触性能。 通过正常情况下的大量数据， 可以辨识出模型中的参数， 获取正常电 机各种运行状态下的温度标定值。 通过参数的在线辨识还可以 进行空心线 棒流通状况以及温度传感器接触性能监测。 直流电 动机电刷和换向 器的滑动接触， 要求同心度高和接触性能良 好， 否则容易 产生火花， 甚至出现环火，需要有可靠的监测与诊断方法。 参照异步电动机偏心故障 特征， 本文分析了直流电动机偏心故障特征在电 枢电流中的表现形式， 结果既可用来 监测是否存在偏心，还可以估计电动机的速度。建立的模型 ( 电压平衡方程) ，考虑 了各种因素的影响， 其中电刷与换向器之间的接触压降能很好地反映接触性能， 一 这一 模型为早期发现换向性能劣化、避免环火的出现提供了基础. 文章的最后总结了旋转电机状态监测与故障诊断中需要进一步解决的问题。 关键词:旋转电机状态监测故障诊断 鼠笼式异步电动机直流电动机 汽轮发电机 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs t r act r o t a t i n g e l e c t r ic a l m a c h i n e s a re w i d e l y u s e d i n e v e r y i n d u s t r i a l d e p a r tm e n t . w i t h i n d u s t r y p r o c e s s b e i n g m o re a n d m o r e a u t o m a t i c , fl e x i b l e , i n t e g r a t i v e , i n t e l l i g e n t , e x a c t , a n d t h e u n i t c a p a c i ty o f r o t a t i n g m a c h i n e s ( r m ) b e i n g m o r e a n d b i g g e r , o r t h e e ff e c t o f r m b e i n g m o re a n d m o re i m p o r t a n t , t h e e c o n o m i c l o s s c a u s e d b y f a u l t o r u n s c h e d u l e d m a i n t e n a n c e o f r m b e c o m e s v e r y h u g e . a l l t h e s e s h o w t h a t t h e c o n d it i o n m o n i t o r i n g a n d f a u l t d i a g n o s i s o f r m i s i m p e r a t i v e a n d n e c e s s a r y , w h i c h a l s o b r i n g s a l a r g e a m o u n t o f e c o n o m i c b e n e fi t a n d s o c i a l b e n e f it . u n d e r s u c h a b a c k g r o u n d , t h i s t h e s i s s y s t e m a t i c a l 妙 s u m m a r i z e s t h e c o n t e m p o r a ry m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i n g t e c h n o l o g i e s o f p m, f in d s t h e s h o r ta g e s o f t h e p re v i o u s m e t h o d s fi r s t ly . n e w i n d u c t a n c e s c a l c u l a t i n g w a y b a s e d o n w i n d i n g f u n c t i o n , a n d t h re e d i ff e r e n t f a u l t m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s m e t h o d s u s e d i n s q u i r r e l c a g e i n d u c t i o n m o t o r s a r e p r o p o s e d t h e n . s t a t o r w i n d i n g t e m p e r a t u r e m o d e l s f o r l a r g e t u r b o- g e n e r a t o r s a n d t h e d i a g n o s i s w a y f o r t h e h o l l o w s t r a n d b l o c k a g e a re p r o p o s e d a t t h e s a m e t im e . f i n a l l y a n e w a p p r o a c h t o d e t e c t c o m m u t i n g p e r f o r m a n c e i n d c m o t o r s i s p ro p o s e d . t h e re a r e t h re e m a i n f a u lt s i n t h e s q u i r re l c a g e i n d u c t i o n m a c h i n e s : c o i l s s h o r t c i r c u i t i n s t a t o r w i n d in g s , b ro k e n r o t o r b a r s a n d r o t o r e c c e n t r i c i t y . a l t h o u g h c h a r a c t e r i s t i c o f f a u l t s i s a lr e a d y k n o w n , t h e r e i s n o c o m p l e t e t h e o re t i c a l a n a l y s i s y e t . w i t h t h e v i e w s o f b a s i c e l e c t r o m a g n e t i c a n d e l e c t r i c a l m a c h i n e t h e o r y , t h i s r e s e a r c h颐 v e s i n t e r p r e t a t i o n o f m e n t i o n e d t h r e e f a u l t s . t h e s i m u l a t i o n o f a c m o t o r s i s i m p o r t a n t t o t h e d e s i g n , c o n t r o l , o p e r a t i o n a n d f a u l t re s e a r c h o f m o t o r s . a m o n g t h e p a r a m e t e r s i n t h e s i m u l a t in g m o d e l s , t h e i n d u c ta n c e o f s t a t o r a n d r o t o r a r e m o s t i m p o r t a n t . t h e e x i s t i n g i n d u c t a n c e c o m p u t a t i o n a l f o r m u l a e a r e s u i t e d t o t h e n o r m a l c o n d i t i o n . t h e s e f o r m u l a e c a n n o t b e u s e d t o f a u l t c o n d i t i o n ( e s p e c i a l l y e c c e n t r i c i t y f a u lt s ) . a c c o r d i n g t o t h e w in d i n g f u n c t i o n a n d t h e e x p r e s s i o n o f a ir g a p , t h i s t h e s i s g i v e s o u t c o m p u t a t i o n a l f o r m u l a e f o r t h e s t a t o r a n d r o t o r i n d u c t a n c e p a r a m e t e r s i n t h e i n d u c t i o n m o t o r s u n d e r b o t h n o r m a l a n d f a u lt c o n d i t i o n s . s i m u l a t i o n r e s u l t s t a l l y w it h t h a t o f e x p e r i m e n t s , w h i c h i n d i c a t e s c o r r e c t n e s s o f t h e m o d e l s a n d t h e p a r a m e t e r s c o m p u t a t i o n t h e p r e v i o u s m e t h o d s t o a n a ly s i s t h e s p e c t r u m o f l i n e c u r r e n t a l w a y s c a n n o t h i g h l i g h t t h e c h a r a c t e r s o f t h e b r o k e n b a r s in c e t h e fr e q u e n c y o f t h e f a u l t c o m p o n e n t i s v e ry c l o s e t o m 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 t h e p o w e r fr e q u e n c y . t h e r e f o r e th i s r e s e a r c h p r o p o s e s t h r e e d i ff e re n t f a u l t d i a g n o s e m e t h o d : ( i ) t h e m e t h o d b a s e d o n h i l b e r t m o d e s p e c t r u m a n a l y s i s : i t j u s t u s e s t h e s a m p l e o f s i n g l e - p h a s e c u r r e n t , a n d s p e n d s l e s s h a r d w a r e , w h i c h i s m a i n ly u s e d i n t h e r o t o r f a u l t d e t e c t i o n ; ( i i ) t h e m e t h o d b a s e d o n v e c t o r c o n t r o l : i t c a n b e u s e d t o d i a g n o s e a l l k i n d s o f f a u l t s i n s t a t o r a n d ro t o r , n e e d s s a m p l e e a c h p a h s e s c u rr e n t a n d v o l t a g e , a s w e l l a s t h e p a r a m e t e r s o f t h e s t a t o r a n d r o t a t o r . t h e m e r i t o f t h i s m e t h o d i s t h a t i t i s e a s y t o i n t e g r a t e w i t h t h e c o n t r o l s y s t e m ; ( i i i ) t h e m e t h o d b a s e d o n s p e c t r u m a n a l y s i s o f i n s t a n t a n e o u s p o w e r : i t c a n a l s o d e t e c t a l l k i n d o f s t a t o r a n d r o t o r f a u l t s , w h e re t h e r e i s n o t n e c e s s a r y t o g e t p a r a m e t e r s o f t h e r e s i s t a n c e a n d i n d u c t a n c e o f t h e m o t o r . t h e t h r e e m e t h o d s m e n t i o n e d a b o v e h a v e b e e n p r o v e n w it h i n f e re n c e p r o c e s s e s , a n d t h e t h e o re t i c a l a n a l y z in g c o n c l u s i o n s t a l ly w i t h t h e re s u l t s o f e x p e r i m e n t s . a l l t h e s e in d i c a t e t h a t t h e n e w m e t h o d s a r e e ff e c t i v e i n t h e i r o w n a p p l ic a t i o n d o m a i n s re s p e c t i v e l y . t h e h o l l o w s t r a n d b l o c k a g e i n t h e s t a t o r w i n d i n g b a r s i s o n e o f t h e m o s t c o m m o n f a u lt s i n l a r g e t u r b o - g e n e r a t o r , w h i c h i s o f d e s t r u c t i o n t o t h e m a c h i n e s . 玩p o w e r f a c t o r i e s , s t a ff s m a i n l y d e t e c t f a u l t s b y m e a n s o f t e m p e r a t u r e w a rn in g . h o w e v e r , b e f o r e t h e s i g n o f w a rn i n g , th e w i n d i n g h a v e a l r e a d y b e e n d e s t r o y e d a n d h u rt . w i t h i n t h i s w a y , i n f o r m a t i o n re fl e c t e d b y t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e s e n s o r i s n o t s u ff i c i e n c y u s e d i n t h e f a u l t d e t e c t i o n . t h i s r e s e a r c h p r o p o s e s t w o t e m p e r a t u re m o d e l s : o n e f o r t h e s t a t o r t e fl o n o u t e r w a t e r , a n o t h e r f o r t h e s i t e o f t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r i n g s e n s o r s a t t h e s l o t . t h e s e t w o m o d e l s r e fl e c t t h e c i r c u l a t e s i t u a t i o n o f t h e h o l lo w b a r s , c o n t i g u i ty p e r f o r m a n c e b e t w e e n a m e a s u r i n g s e n s o r a n d t h e o b j e c t b e i n g m e a s u r e d . 御 u s i n g t h e d a t a c o l l e c t e d fr o m n o r m a l c o n d i t i o n o f m a c h i n e s , w e c a n i d e n t i f y t h e p a r a m e t e r s o f t h e s e m o d e l s . w e c a n a l s o a c q u i re t h e c r it e ri a o f t h e t e m p e r a t u r e o f m a c h in e i n t h e n o r m a l c o n d i t i o n . w i t h t h e o n - l in e i d e n t i f i c a t i o n o f p a r a m e t e r s , i t i s p o s s i b l e t o m o n i t o r c o n d i t i o n o f h o l l o w b a r s a n d t h e c o n t ig u i ty o f t e m p e r a t u r e s e n s o r s . t h e s l i d e c o n t a c t b e t w e e n b r u s h a n d c o m m u t a t o r re q u i r e s t h e h i g h d e g r e e o f c o n c e n t r i c a n d w e l l c o n t a c t , e l s e t h e r e w i l l b e a r c c a u s e d , a n d c y c l e a r c i n w o r s t c o n d i t i o n . t h e r e f o r e i t n e e d s r e l i a b l e d e t e c t i o n a n d d i a g n o s i s m e t h o d t o p r o t e c t t h e m a c h i n e s . r e f e r r i n g t o th e f a u l t c h a r a c t e r s o f i n d u c t i o n m o t o r s , w e a l s o a n a l y z e t h e e c c e n t r i c i ty b e h a v i o r s o f t h e a r m a t u re c u r r e n t o f t h e d c m o t o r s . t h e o re t i c a l a n a l y s i s i n d i c a t e s t h a t t h e r e s u l t s c a n b e n o t o n l y u s e d t o d e t e c t t h e e c c e n t r i c i ty , b u t a l s o t o e s t im a t e t h e s p e e d o f m o t o r . t h e v o l t a g e b a l a n c e e q u a t io n t a k e s t h e r e l a t i o n s o f m a n y f a c t o r s i n t o a c c o u n t , w h o s e v o lt a g e - d o w n o f t h e c o n t a c t b e t w e e n b r u s h a n d c o m m u t a t o r c a n r e f le c t t h e c o n t a c t 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 p e r f o r m a n c e . t h i s m e t h o d p r o v i d e s a w a y p e r f o r m a n c e , s i m u l t a n e o u s l y a v o i d in g t h e c y c l e t o d e t e c t t h e d e p r a v a t i o n o f c o m m u t e 印a r k f i n a l l y , t h i s t h e s i s c o n c l u d e s t h e r e s e a r c h w o r k a n d p o in t s o u t t h e wo r k . k e y w o r d s : r o t a t i n g m o t o r , c o n d i t i o n m o n i t o r i n g , f a u lt d i a g n o s i s , n e r a t o r , s q u i r r e l c a g e m o t o r , d c m o t o r 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已 经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己 经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 刘含 电 动 机则将电 能 转换 成机 械能 ， 使 生产 机械 完成人们 期 望的各种运动。 随着经济的发展， 发电机的单机容量越来越大， 工业生产的自 动化程 度也越来越高， 如何实 现旋转电 机故障的 早期检测， 避免停机或设备 损坏带来的巨大 经济损失，显得越来越重要. 本章就目 前旋转电 机状态监测与故障诊断技术的研究现状与发展趋势进行了 综 述和 讨论， 并简述了 本文的主要工作及章节安排。 1 . 1 概述 在传动领域，鼠 笼式异步电 动机由于其结构简单、价格低廉、 使用寿命长而占 有 举足轻重的 地位， 应用极为广泛。 直流电 动机则以 其优良的调 速、 制动性能 在控制 要求高的传动领域得到广泛应用， 尤其是钢铁企业的轧制生产线。自 动化、 柔性化、 集成化、 智能化、 精密化是现代 工业的主要特点。 技术进步在大大 提高劳 动生 产率的 同时， 会造成设备故障 对生产的影响显著增加。 新日 铁对上世纪三个不同 年代建造的 热 轧 车间由 于设 备放 障停 机引 起的 损失 进行了 统计 m ， 以5 0 年代 建 造的 热 轧生 产车间 停产损失为1 0 0 0% 6 0 年代建造的生产线停产损失则为2 2 0 %, 7 0 年代生产线的 停产 损失达到 3 7 5 % 。 又如带钢轧制中的退火工段，由 原来的五道工序改造成一道连续退 火生产线， 生产周期减少为原来的1 0 %t 废品率为原来的5 2 %， 节约能源8 2 % 0 ， 操作 人员减少? 2 % ，但是故障造成的 单位时间损失增加了6 倍. 近年来， 随着国民经济的发展， 我国的电力建设也驶入了快车道。 1 9 卯年全国总 装机容量为2 .5 4 亿千瓦， 2 0 0 2 年已 达到3 . 5 3 亿千瓦， 预计到2 0 0 5 年达到3 . 9 亿千瓦。 以2 0 0 0 年的比 例统计， 火电 机组占了 近3 / 4 。 大型汽轮发电 机作为 火力发电 厂的主力 机组，机组的大容量、 高参数化是必然的趋势。 据了解，除了一些热电联产的机组选 用3 0 0 m w外， 2 0 0 0 年以 后兴建的 项目 均普遍使用6 0 0 m w以 上的 超大型机组。 因 此， 随之而来的故障或异常引 起的设备损坏和停机引发的损失也将越来越大。 中国电力企 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 业 联合会2 0 0 0 年电 力可靠性指 标发布会 上提供的2 0 0 m w 以 上机组的相关数据r- l 表 明， 经过多方的共同 努力，原来等效可用系数 ( e a f ) 较高的 机组的e a f 稳中有升， 原本e a f 较低的机组地e a f则得到明显的提高。 但是必须注意到e a f 仍偏低 ( 尤其 是5 0 0 m w以 上容量机组) ， 非计划停运次数较高， 带来的直接或间 接损失明显。 以 某 电厂3 0 0 mw机组由 于定子冷却水系统故障为例， 停机抢修时间达1 0 0 0 小时以上， 少 发电 量达上亿千瓦时，经济损失巨 大。因 此提高e a f 有着极大的经济效益和社会效益。 统计表明，故障原因各种各样，既有设计制造质量问题，也有安装和运行维护方 面的to 题。 为了进一步提高旋转电机的e a f ， 除了提高产品质量、 精心安装、 调试和 正确的运行维护外， 更需要对它们进行可靠、有效的状态监测与故障诊断，以利生产 的合理进行。 1 . 2 旋转电 机状态监测与故障诊断应用现状 自1 9 8 3年原国家经委在 国营工业交通设备管理试行条例中提出 “ 根据生产 需 要， 逐 步采用现代故障诊断与 状态监测技术， 发展以 状态检修为 基础的预防性维修” 以 来， 状态监测与故障诊断技术引起了 大型工业企业和高等院 校极大的重视. 电 力企业在高校和科研院所的技术支持下， 对机组、 变电 站、线路的状态监测进 行了大量的尝试， 取得了明显的经济和社会效益。以 机组为例，除了引 进安装美国本 特利公司或飞利浦公司的振动监视系统外， 还有华中科技大学研制的 “ 汽轮发电机组 工况监测与故障诊断智能专家系统d e s t 、 哈尔滨工业大学和上海发电设备成套设计 研究所联合研制的 “ 汽轮发电机组故障诊断专家系统 mmm d - 2 ”等等。这些系统主 要是针对机组中相对薄弱的汽轮机而设计，监测量主要为振动信号。上世纪 9 0年代 前后，不少发电厂不同程度的采用了国际大电网会议所推荐的 1 0种状态监测方法中 的某些监测手段， 取得了一定的效果。 其他的行业如冶金、 化工、石油等也在积极推 广此类技术， 研究工作方兴未艾，如武汉钢铁公司提出的“ 数字化武钢”工程中，就 明确提出 需要对设备进行状态检修。 与 此同时， 必须理性地评估监侧与诊断系统的实际效果。 国 外产品价格十分昂 贵， 且存在维护不便、因缺少汉化而使用不便等问 题，因 此还难以 在我国普及。 任何一项 技术在其推出的初始阶段， 都不可避免地存在局限性， 尤其是大型旋转电机的故障诊 断系统。由于故障样本收集难度很大，试验研究与 现场情况差异较大，在一定程度上 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 影响了 诊断的可 靠性。 因 此由于种种原因而将已 投入的 监测与诊断系统搁置的 现象时 有发生。 企业需要高可靠性的 产品， 而进口 产品仍占 领着大部分市场。 企业的需求和洋设 备给予的压力，需要我们加大研究力度， 尽快开发更多的、竟争力强的、具有自 主知 识产权的旋转电机的状态监测与诊断设备。 旋转电机状态监测与故障诊断研究综述 ，状态监测与故障诊断方法概述 设备故障诊断技术始于上世纪5 0 - 6 0 年代，随着计算机技术、 传感器技术、 信息 .33 jj祖曰. 技术的飞速发展，加之企业对设备进行状态检修的呼声越来越高，该领域取得了长足 的 发 展 ， 已 形 成 为 一 门 新 兴 的 学 科 ， 称为“ 技 术 诊 断 学 ” ea t-t la l ( t e c h n i c a l d ia g n o s ti c s ) 或“ z 程诊断学” ( e n g in e e r in g d i a g n o s t i c s ) . 设备状态是指设 备运行的工况， 由 设备运行过程中的 各种性能参数以 及设备运行 过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述。 设备状态的类型包括: 正常、 异常和故障三种。设备状态监测是通过测定以上参数，并进行分析处理，根据分析处 理结果判定设备状态。 对设备进行定期或连续 监测， 包 括采用各种测试、 分析判别方 法， 结合设备的历史状况和运行条件， 弄清设备的 客观状态， 获取设备性能发展的 趋 势规律， 为设备的性能评 价、 j台 理使用、 安全运行、 故障诊断及设备自 动控制打下基础. 状态监测需要解决的问题包括: 功 机理研究: 研究设备异常或故障在状态信号中的反映。 状态信号包括各种物理 和化学量，如电气量 ( 电流、电压或其组合) 、 机械量 ( 振动等) 、 热工量 ( 温 度、 压力、流量) 、化学成分等; 2 )信号采集与处理: 通过适当的传感器采集选定的状态信号， 并传输至信号处理 单元; 3 )特征提取: 利用机理研究的成果， 从状态信号中 提 取与设备状态有关的 特征信息。 在状态监测判别出有异常时， 通过故障诊断进一步确定故障的性质、 严重程度、 故障类别、故障部位、故障原因，乃至说明故障发展趋势和对未来的影响。为预报、 控制、剩余寿命预估、调整、维修、治理及事故分析提供依据。 故障诊断方法可分为: -一一. 一.曰侧. .州. .，.，. .州. 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 ) 基于数学模型的方法 此类方法又可分为基于输入输出和信号处理的方法、 基于状态估计的方法、 基于 过程参数估计的方法等 2 )基于人工智能的方法 此类方法也可分为: 基于专家系统的方法 ( 含基于浅知识的方法、 基于深知识的 方法和基于深浅知识的混合方法) 、基于人工神经网络的方法、 基于模糊数学的方法、 基于模糊神经网络的方法、基于遗传算法的方法、 基于故障树的方法等。 1 . 3 .2鼠 笼式异步电动机常见故障及其诊断方法 国内 外 对此做了 大 量的 工 作， 文献 i i i 统计了1 9 9 9 年前二 十多 年时间内 在国 外重 要期刊和会议上发表的该方向 论文和著作， 数量达3 “篇 ( 部) 之多， 充分说明国内 外同行对此的重视程度。 文 献 1 2 1 对石油 化 工行业的2 5 %台1 4 k w以 上的鼠 笼式异步电 动机进行了 详细的 调查和统计， 系统地总结出了 故障与电 机容量、 电 压等级、 运行速度、 继电 保护方式、 防护形式、 运行方式等十来个因素之间的关系。统计表明:鼠 笼式异步电动机的常见 故障包括定子绕组故障 ( 占 1 2 .8 9 %) 、轴承故障 ( 4 1 .7 7 %) 、转子导条和端环故障 ( 7 . 6 4 % ) 、转轴或连轴器故障 ( 4 . 3 %)以 及其他各种故障。 结果与文献 1 3 发表数据 基本吻合。 我国东北电网曾 对8 个发电厂的由同一制造厂生产的1 6 5 台高压电 动机的故障进 行了统计，结果如下: 表1 -8东北电网的统计结果 部位故障性质故障率 定子部分 主绝缘烧损2 3 月% 定子绕组连接线烧损 1 3 . 3 % 定子绕组匝间短路 3 3% 定子引线短路 3 . 3 % 转子部分 转子导条断裂、开焊 3 6 . 7 % 扫膛 8 . 3 % 轴承损坏 1 1 . 7 % 一. . 一.州 曰. . . .， . . 目 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 由 于 使用 环 境的 差 异， 统计 结 果 与文 献 1 2 1 3 1 的 有 些 偏 差， 这是由 设 计、 制 造 工 艺、 材料等诸多因素有关。 主绝缘烧损多数情况是由 匝间短路发展而来， 扫膛与轴承 损坏和偏心有关，因此可以认为定子绕组匝间短路、 转子断条和偏心是主要的三种故 障形式，本论文将对此进行深入的分析与研究。 ( 1 ) 三 种故障的 原因、 特征 1 2 1 ( 1 4 1- 1 1 6 1 1 )定子绕组故障产生原因及特征 定子绕组故障可由 长期过负荷、 恶劣的环境条件、 不正常的电 压等级和电源频率、 振动超标、 冷却性能变差以及服务时间过长等因素引起。 匝间短路是最常见的故障形 式，如不能尽早发现，可能导致接地、相间短路等严重故障的发生。 当 定子绕组出 现匝间短路故障时， 三相绕组平衡被破坏， 会出 现负序电 流分量和 负序阻抗，同时会导致振动加剧。 2 ) 转子导条和端环断裂产生原因及特征 鼠 笼式异步电动机的转子绕组由导条和端环组成， 最常见的故障是断条和端环断 裂。诱发原因主要有: 设计制造不合理、 频繁起停、 交变负载使导条和端环因 冷热循 环而疲劳断裂、电压波动易造成电流过大而过热等。 轻微的故障难以观察到，当故障严重时会引起振动及噪声增大、电流波动。 3) 气隙偏心的原因 及特征 气隙偏心有两种类型， 一种是静态偏心， 它是由 定子内径的椭圆度或装配不良引 起的， 其偏心的位置在空间是固定的， 不随转子旋转而改变位置。 另一种是动态偏心， 是由转轴弯曲、 轴颈椭圆、 机械共振、 轴承磨损等原因引起， 其偏心在空间是变化的。 偏 心时 气隙的 统一计 算公 式 1 7 1 .12 0 ) 为 9 ( 8 , 1 )气( 1 一 k 3 c o s b 一 k d c o s ( y 一 e ) ) ( 1 - 1 式 中 a , 为 气 隙 平 均 长 度 ， 气 为 静 态 偏 心 程 度 ， k d 为 动 态 偏 心 程 度 ， ， 为 转 子 在定子坐标系中的旋转角度， 为定子坐标系中不同 位置沿定子内圆周的角位移。 偏心的故障征兆有气隙磁通畸变，振动及噪声增大、电流波动。 ( 2 ) 监测与故障诊断方法 故障的监测与诊断方法的可靠性与所选择的监侧量密切相关， 对于异步电动机而 言，目前常用的监测量包括:振动量、电气量 包括电流、电压、电阻) 、局部放电 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 量、 轴向 漏磁 通、 轴电 压、 温 度 监 测等， 还 有 基于 参 数 辨识 的 故 障监 测 方 法。 i ) 振动监测 ， 了 “ 习 m 12 9 这 种方 法 是 利用 振 动 传感 器( 有 位置 型、 速 度型 和 加 速度 型) 来 对电 动 机轴 承 或 机座的 振 动 进 行 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， 从而 寻找故 障性质 和故障 部位。 一 般来说， 不同的 故障或 异常 会 产 生 不同 频 率的 振 动。 但 是， 振 动 检 测的 局限 性 较大， 首 先， 振 动 监 测 需 要 提 供 传 感 器的 安 装 部 位， 这 对有 些电 动机比 较困 难; 其次， 振动 信号 受周 围 环境 的 振 动 干 扰影 响 较 大， 在 复 杂的 背 景 干 扰 下， 难以 准 确 判断 故障; 另 外多 种故 障的 特征 频 率 有重 叠( 见 表1 - 1 ) ， 难以 区 分， 需 要进行 更 深 层次 的 分 析 来 进 行分 辨。 表1 - i常见故障的振动特征频率叫 故障类型主要振动频率 转子不平衡 吞 转子不对中几津 寿月 寿, d f , 偏心 静态偏心2 f 动态偏心 关 、j i 转子断条 f ,、j 1 定子绕组故障石 . 2 寿 t4 人 注 : 表 中人 为电 0 频 率 ，f t 为 转 子 旋 转频 率 2) 电流监测 电 流监测是鼠 笼 式异 步电 动机最常见、 最 有效的 监测方式， 一方面是因 为电 流 信 号 容易 采 集， 可以 做成非侵入式，同 时 便于与 保护和调 速系统 集成。 定 子 绕 组出 现 匝 间 短 路 故 障 时， 负 序电 流 和 负 序 阻 抗及 不 平 衡 程 度 14) 163 t2s - fm 可 以作为诊断依据。 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 基 本 槽 谐 波 和 基 波周 围 的 故 障 特 征 谐波分 量。 理 论 分 析 和 试验 表明 ， 基本 槽 谐 波周围 的故障特征谐波分量的频率为1刀 一 圈 ， 阁: f = f.w (r 1 n d ) q - s ) p 土 叼( i - 2 ) 式中 f 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 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 极 对 数 ; 、 为 转 差 率 ; 静 态 偏 心 时 ， 勺 = 0 : 动 态 偏 心 时 ， n d 二 ! ; n * 二 1 ,3 ,5 , e 但是， 这种方法需要完整的转子结构参数， 而且文献 2 9 证明 这些频率的故障成 分能否出 现，还受p 和r 的组合的影响。实际上， 动态偏心和静态偏心不是孤立的， 静 态 偏 心 到 一 定 程 度 必 然 引 起 动 态 偏 心， 二 者 往 往同 时 存 在1221 。 因 此 基 波周 围 的 低 频 故障特征分量对偏心的检测更加方便有效，其频率为: f e c 二 f t m f r ( 1 - 3 ) 式 中 f , 为 转 子 旋 转 频 率 ， 其 大 小 为 f (1 - s ) i p o 当异步电 动机的转子绕组出 现不对称故障 ( 绕线式异步电 动机转子绕组匝间短 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，其特征频率为g a l - g s c 1 - fa i l 几= ( i 士 2 k s ).石k = 1,2 ,3 , . . . ( 1 - 4 ) 从上述分析可知， 采样单个的线 ( 或相) 电 流进行频谱分析， 可以实 现对转子断 条 和转子偏心进行检测。 但是存在两个不足: 第一， 由 于没有利用定子电 流的 相序信 息， 无法检测定子绕组故障; 第二， 常规的异步电 动机额定 运 行时的转差率就小， 一 般不超过0 . 0 5 , 轻载时更小， 式 ( 1 - 4 ) 表明断条故障引起的主要特征频率 ( k = 1 时) 与基波频率很接近， 在频谱曲线中容易被强大的基波所淹没， 难以 突出故障特征。 因 此如何利用综合利用电流、电压信号，更为有效地进行故障监测，是上世纪 9 0 年代 以来的重点。 文献 3 5 一 3 9 提出了 基于p a r k ， 矢量方法 ( p a r k s v e c t o r a p p r o a c h ) 的 异步电 机故障监测方法。 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 ) ( 实际上为我们习惯的静止。 ， 0 ) 坐标下，转换公式为: 。 一 侧 2 / 3 i ， 一 ，/ ,r 1 ， 一 ，1 4 6- ic r.8 二 功 叫% 2 1 ; 一 护 万 tc ( 1 一 5 ) ( 1 一 6 ) 对于理想状态下的异步电 机，转换结果如下 is 一 砂 i m * sin ( om ) ， 二/ 2 1 m 5 ” ( “ 一 “ “ ) (