（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的大中型异步电动机在线监测与故障诊断研究.pdf

摘要 摘要 大中型异步电动机作为国民经济各行业中的关键动力设备，在生产中起着重 要作用。提高大中型异步电动机在线监测和故障诊断水平，对于安全生产，杜绝 电机突发性故障的发生，减少电机维修成本均具有重要意义。本文针对笼型异步 电机容易发生的转子断条故障和转子偏心故障，结合定子电流频谱分析法，提出 了一种以数字信号处理器( d s p ) 为核心的大中型异步电动机在线监测和故障诊断 系统。系统利用d s p 处理异步电机定子电流信号，提取反映电机故障的特征频 率成分，实现异步电机转子故障的在线监测和诊断。采用定子电流频谱分析法， 避免了复杂的数学建模，配合d s p 强大的信号处理能力，简化了系统结构，提 高了故障诊断速度。本文详细论述了定子电流频谱法诊断异步电机断条故障和偏 心故障的原理以及故障特征频率。针对大中型异步电机转差率小，故障特征频率 易被基频淹没的不足，采用合理确定采样频率和采样时长，对定子电流信号进行 加窗处理等方法来突出故障特征频率。本文开发了一套基于t m s 3 2 0 c 5 5 0 7 d s p 的大中型异步电机在线监测和故障诊断系统，详细介绍了系统的硬件组成和软件 实现。本文最后对笼型异步电动机转子故障进行了仿真和实验，给出了仿真和实 验频谱图，验证了系统功能和本文所用方法的有效性。 关键词：异步电动机数字信号处理器在线监测 故障诊断定子电流频谱 a b s 订a c t t h er e s e a r c ho fl a r g ea n dm e diu m a s y n c h r o n o u sm o t o ro n iin em o n it o ri n g a n df a uitdia g n o sisb a s e do nd s p l a 唱ea n dm e d i u ma s y n c h r o n o u sm o t o ri s t 1 1 ek e yp o w e re q u i p m e n tf o r a l l i n d u s 研e so fn a t i o n a le c o n o i n mi t sf h 枷o ni sv e r yi m p o r t a n ti np r o d u c i n g t b i m p r o v et h ei e v e io fo n - i i i l em o n i t o r i n ga n df a u i td i a g n o s i sf o rl a r g ea i l dm e d i u m a s y n c h o n o u sm o t o rh a si m p o r t a 1 】_ ts e l l s ef o rs a f e t yp r o d u c t i o n ，s t o p p i r 培s u d d e nf h 山t s a n dd e c r e a s i n gm ec o s to fm a i n t e n a n c e c o m b i n i n gmm et 1 1 e o r yo fs t a t o rc l l r r e n t s p e c 仃o s c o p i ca 1 1 a l y s i s ，t h i sp a p c ri n t r o d u c eas y s t e mf o ro n - 1 i n em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g i l o s i so fl a g e ra n dm e d i u m 髂y n c h r o n o u sm o t o lt h es y s t e ml l s ed s p t oa i l a l y s i s s t a t o rc 砒e n ts i 印a l ，出a wc h 锄c t e d s t i c 丘明u e n c ym i 娜匝n gm o t o rf a u l t ，w 1 1 i c h r e a l i z eo n l i n em o m t o r i n ga n df n l td i a g n o s i so fa s f l c h r o n o u sm o t o rr o t o rf h m t t h i s m e 山o da v o i dc o m p l e xm a t h e m a 垴c a lm o d e l sa n dc o o r d i n a t ew i mt h ep o w e r f u ls i 掣曲 p r o c e s s m gf i l i l c t i o no fd s p ，w h i c hs i m p l 访e ss y s t e ms 廿u c t i 】1 ea n di m p r o 、7 es p e e do f f a 北d i a g n o s i s t h et l e s i sd i s c u s s 1 et 王1 e o r ya n dc h a r a c 谢s t i c 矗q u e n c yf b rb r o k e n b a r sa n de c c e n t r i c i t yf h u l t s u s i n g s t a t o rc u r r e ms p e c t r o s c o p i ca n a l y s i sm e m o d a c c o r d 协gt om ed e f e c t so fs m a l ls l i p 枷oa 1 1 df a u l tc h a r a c t e r i s t i cs i d e - 丘e q u e n c y s u b m e 唱e db yb a s e f k q u e n c ye a s i l y ，u s e m e t h o do fa d dw i i l d o w c t i o na n d r e a s o n a b l es 锄p l e d 缸ea 1 1 ds t 印t od e 甜w 纰r o t o rs t a t o rc 峨n t ，州c ho u t s t a n 曲l g c h a r a c t e r i s t i cs i d e - 矗e q u e n c yt l l i sp 印e rd e s i 髓as y s t e mo fo n l 曲m 伽j t o r i n ga n d f 孤l t d i a g n o s i s f o r l a r g e a n dm e d i 眦 郴h r o n o u s m o t o rb a s e d o n t m s 3 2 0 c 5 5 0 7 d sp “sh a r d w a r cs 咖c t l l r ea n ds o 脚a r er e a l i z a t i o ni sd e t a i l e de x p l 咖 a ti a s t ，删to f m es 叫玎e i c a g ei n d u c t i o nm o t o ri ss i m u l a t e da n de x p 甜m c n t e d ，t h e s p e c 缸d s c o p i c 鲫ho f s i i n u l a t i o ns t a t et h ee f f i c i e n c yo f m em e 也o da n dm es y s t e m k e y w o r d s ：a s y n c l l r o n o u sm o t o r d s po n i i n em _ o i l i t o r i n g f a u l td i a 9 1 1 0 s i ss t a t o rc u r r e n ts p e c t m m 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公丌发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。 学位论文作者签名： d 5 年罗月弓r 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期问论文工作的知识产权单位属于焦作工学院。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文 被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：互! 互星指导教师签名 2 0 0 5 年乒月弓f 日 1 绪论 1 绪论 1 1 大中型异步电动机在线监测和故障诊断的意义 异步电机是各种生产中广泛使用机电能量转换装置，随着现代工业的发展， 生产中采用的异步电机数量不断增多，单机功率不断加大。特别是大中型异步电 动机是工业企业的最重要的电力负荷和动力设备，从大型矿井的卷扬设备，风机， 井下水泵，到钢铁厂的轧机，从大型港口的皮带机到造纸厂的造纸机械，大中型 异步电机无处不在。据统计，各类电机，特别是大中型异步电动机的用电量占到 工业企业全部用电量的3 4 强。其在生产中的地位和作用都是十分重要的，很多 时候，这些电机发生故障，所带来的损失将不仅仅是电机损坏，对整个生产过程 来说，这些故障带来的损失都将是灾难性的i l 】【2 】【3 】。 大量事实和统计数据表明1 5 】【6 1 【8 】【9 】，电机故障特别是大中型异步电机故障所造 成的损失和维修电机的费用都是巨大的，多年来，电机的维修都是采用故障后维 修或定期检修的方法，这种维修方法耗费巨大的人力、物力，设备停机也对生产 造成直接的影响，最重要的是这种维修方式不能从根本上杜绝电机突发性故障的 发生。 如果能够对重要部位，重要地点的大中型异步电动机，运用在线监测技术， 及时评估电机的运行状态，并对故障实行早期预报，在其功能失效或部分失效以 前能够预防或维修，避免恶性事故和不必要的停机所造成的损失，消除对人员和 设备的安全威胁，就可以显著的提高电机设备利用率，减少维修费用，延长电机 的使用寿命h 】f 5 】 6 】【7 】【3 】。 从长远的观点来看，开展对异步电动机的在线状态监测和故障诊断研究，对 于理解异步电动机的薄弱环节和各种故障的内在演化机理，优化电机的设计与制 造，从根本上改善电机的运行特性，减少电机故障的发生几率提供了宝贵的原始 数据。 因此，针对大中型异步电动机开展有针对性在线监测和故障诊断的研究，对 于提高企业生产效率和经济利益，对于提高我国电机制造水平和工艺都有重要的 意义。 河南理工大学硕士学位论文 1 2 国内外大中型异步电动机在线监测和故障诊断的现状及发展 趋势 设备故障诊断技术是一个古老的话题，自从机器问世以来，设备故障诊断技 术就随之产生了，至今设备故障诊断技术已经发展到了以传感器技术和计算机技 术为主的诊断阶段，这个阶段开始于6 0 年代末，7 0 年代初，由于传感器技术的 发展，使得对各种状态信号的提取和测量变得更加容易，计算机引入到故障诊断 中来，弥补了人在数据处理上的低效率和不足，这种建立在信号量测基础上的诊 断技术，能够实现在设备不停机的情况下，对设备状态进行监测和分析，判断设 备是否存在异常或故障、故障的部位和原因以及故障的劣化趋势，以确定合理的 检修方案和时间。这项技术包括检查和发现异常、诊断故障类型和部位、分析故 障状态和发展趋势三个基本环节，同时也包括检测技术、信号处理技术、识别技 术、预测技术四项基本技术。这门学科的出现，已在各生产部门和技术领域得到 了广泛应用，促进了设备维修体制的一次革命，使设备维修体制从传统的故障后 维修和预防维修，逐步转变为预知维修( 状态维修) ，显著减少了故障停机损失， 提高了设备运行的可靠性，降低了维修费用【5 】【6 】嗍1 9 】。 同样，设备监测和故障诊断方法也在不断地作适应性变革，经历四个阶段的 发展： ( 1 ) 依靠人的五官感觉和简单工具进行检查和监视； ( 2 ) 利用简单的检测仪器进行检查和监视； ( 3 ) 离线状态监测； ( 4 ) 在线状态监测： 其中在线状态监测是通过安装在设备上的传感器，即时获取机器运行中的各 种状态信号，可对机器进行连续的监测，其特点是能在故障发展萌芽阶段就检测 出故障，并严密监视其发展状况，实现故障的提前预知，这样就有可能选择在合 适的条件下做有准备的停机和设备检修，节约时间并减少损失。 在线状态监测，能够提供设备运行和维修两方面的信息，它所提供的趋势分 析信息能进一步改进设备维修计划，使设备维修更加准确有效，更节约费用，操 作者通过它所显示的状态信息及时、不断改进设备操作方式，进一步提高设备运 行的可靠性和效率，这两者的经验和积累数据，又向设备设计者和制造者提供了 改进设备性能和可靠性的重要信息。随着计算机硬件与软件技术水平的不断提高， 1 绪论 它们与监测和故障诊断技术相结合，新的功能完善的综合在线监测系统也不断问 世，在进行在线监测的同时，还具备故障诊断，故障趋势分析功能，为实现预知 维修提供了有效的技术手段【2 】 8 】【9 1 。 设备的状态监测和故障诊断过程分为三个步骤：( 1 ) 拾取反映设备运行状态的 信号、( 2 ) 从信号中提取反应设备状态或故障信息的特征信息，( 3 ) 依据特征信息 识别设备状态或对故障进行诊断。7 0 年代末期，在线监测和故障诊断技术被引入 异步电机特别是大中型异步电机运行维护和制造中来，立即显示出其巨大的优越 性。 鉴于大中型异步电动机重要作用和地位，对于大中型异步电动机的在线监测 和故障诊断，国内外很早就有人进行这方面的研究，特别是近二十年来，该领域 不断吸收科学技术发展的新成果，从理论到实践都有迅速的发展。异步电机在线 监测和故障诊断技术已经发展成集数学、力学、高电压技术、信号处理、电子技 术、信息工程和人工智能等各种现代科学技术为一体的新兴交叉学科。 目前，国、内外大中型异步电动机的在线监测和故障诊断研究主要集中在以 下几个方面： ( 1 ) 大中型异步电机故障机理的研究。 异步电动机故障机理研究的目的是了解故障的形成和发展过程，掌握故障的 内在本质及特征，是电机在线监测和故障诊断学科的基础。其研究方法依赖于相 关的基础学科，建立恰当的数学或物理模型，求出模型的解析解或近似解，从中 总结出一般性的规律。由于异步电机故障动力学方程的非线性特征，很难得出精 确的解析解。所以目前异步电机故障诊断的核心问题仍是如何全面的掌握电机的 运行状态信息，分析各种故障的表现特征以及对故障特征的有效识别，从而正确 的区分电机发生的各种故障以及故障发生的部位和程度1 0 j 【1 l 】【1 2 l 【13 1 4 】。 ( 2 ) 大中型异步电机在线监测和故障诊断技术的研究。 大中型异步电机在线监测和故障诊断技术的研究一直是这个领域的热点，大 体上说，异步电机监测和诊断技术分为三大类：电磁的，机械的，化学的。 电磁类的异步电机监测和诊断技术主要有轴向漏磁通法，局部放电法，定子 电流法三种【1 0 】【1 1 】1 1 5 】【1 6 【17 1 。轴向漏磁通法：利用电机本身结构的不对称性所引起 得轴向漏磁通以及故障时不对称程度加大所引起得漏磁通变化来判断电机是否发 河南理工大学硕士学位论文 生故障。局部放电法：利用局部放电现象与电机绝缘性能之间的对应关系，拾取 放电信号或放电脉冲进行分析和识别，以判定电机绝缘寿命。此法主要用于大型 高压电机的监测。定子电流法：利用定子电流的频谱分析来进行电机故障监测和 诊断，其实质是将异步电机定予绕组当作一个探测线圈来检测故障。当电机出现 故障时，定子电流将被调制，从而出现与各种故障相对应的频域变化，通过监测 定子电流的频域变化来监测故障。 机械类的异步电机监测和诊断技术主要有振动分析法和转速波动法【坫】【1 7 1 。振 动分析法：电机振动信号的频谱分析法也是目前应用较多，研究较深入的方法之 一，通过对电机振动信号的各种处理和分析来诊断电机故障。转速波动法：利用 故障时电机转速起伏特征来监测电机的运行。 化学类的异步电机监测和诊断技术主要有气体分析法和油分析法两种【”l 。气 体分析法：异步电机绝缘材料的主要构成物是合成有机物，该法通过对这些有机 物发生劣化和炭化时所释放的气体进行分析，根据气体的成分和含量来判断电机 是否发生故障。油分析：对电机的润滑油进行采样分析，根据其中金属碎屑的含 量来判断电机是否发生故障。 ( 3 ) 大中型异步电机在线监测和故障诊断方法的研究 该技术领域目前研究活跃，常用的监测和诊断方法一般来说也分为三类：基 于解析模型的方法、基于人工智能的方法、基于信号处理的方法【2 】【6 】【8 】【9 】o 常规的 基于数学解析模型的诊断方法，以系统的数学模型为基础，其优点是能深入系统 本质和动态特性，并能做到实时诊断，缺点是在系统模型复杂或系统存在非线性 特性时不易实现。电机发生故障时的数学模型一般是非线性的，因此将人工智能 技术应用到电机在线监测和故障诊断中是近几年来电机故障诊断研究的热点【1 8 】， 特别是专家系统、神经网络和模糊数学都已经逐步渗透到电机故障诊断中来，也 取得了一定的成果。在线监测和故障诊断的智能化是该学科的发展趋势，还需要 作大量的工作。目前异步电机在线监测和故障诊断中应用最为广泛的仍然是基于 信号处理的方法，该法回避了建立故障电机数学模型的难点，将采集到的反映电 机运行状态的信号进行处理，提取敏感的反映电机故障的特征信息。常用的信号 处理方法分为时域分析方法、频域分析方法、时频分析方法三类，如f o u r i e r 变换、 短时f o l l r i e r 变换、w 血g c r 分布等，随着科技的发展，小波变换等技术越来越广泛 地被应用于电机在线监测和故障诊断领域。 l 绪论 ( 4 ) 异步电机监测、诊断仪器和系统的开发与研究 任何技术和方法最终都要落实到具体的监测和诊断系统的开发上来，随着电 子技术和计算机技术得飞速发展，电机监测和故障诊断装置和仪器已经出现了商 品化的产品，8 0 年代开始，国、内外陆续开发出以信号分析为基础的先进分析仪 器和专用的离线式或在线式电机状态监测和故障诊断系纠1 】【j 0 1 【1 3 】。主要有g e 公司 的m i t i l 矾系统，e n 公司的m p u l s e 和m m 系统以及p h i l i p s 公司的 r m s 7 0 0 旋转机械监测系统。国内这方面产品只有小批量的生产，具有代表性的是 清华大学研制的笼型异步电动机转子断条在线监测仪。还有北京东方振动和噪声 技术研究所的i n v 3 0 3 3 0 6 型智能信号采集和处理分析系统。目前，电机监测和故 障诊断装置主要是向着便携化，智能化，经济化以及与电机的继电保护集成化方 向发展。另外，远程分布式电机在线监测和故障诊断系统也将是下一步的研究热 点。 1 3 以d s p 为核心构建异步电机在线监测和故障诊断系统 目前，大中型异步电动机在线监测和故障诊断系统一般是引进国外的成套产 品，不仅价格昂贵，而且大多针对大型发电机，需要进行一定的改造才能适合异 步电机需要，费时费力。国内开发的产品多为项目成果，大多针对特定的对象， 缺乏通用性。广大用户迫切需要一种价格合理，可靠耐用，使用维护方便的大中 型异步电机在线监测和故障诊断系统。 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i 驴a 1p r o c e s s o r ) ，是一种专门用于进行数字信号 处理运算的微处理器，它主要用于实时实现各种数字信号处理算法。自从1 9 8 2 年 德州仪器t i ( t e x a si n s 廿u m e n t s ) 公司推出具有里程碑意义的i m s 3 2 0 c 1 0 系列数字信 号处理器以来，数字信号处理器发展迅速，得到了广泛应用。和传统的通用微处 理器相比，d s p 普遍采用特殊的硬件结构和软件指令，以提高数字信号处理器的运 算速度，适应高速数字信号处理应用的要求。 异步电机在线监测和故障诊断的核心即是对电机运行中状态信号进行处理和 变换，以期得出反映异步电机故障类型、故障程度及其发展趋势的各种故障特征 信息。以往异步电机在线监测和故障诊断系统多以单片机为核心构建下位机，下 位机仅仅执行简单的信号采集和预处理工作，信号的处理和故障的判断要依赖远 端的上位机。这种组合式的监测和诊断系统不仅很难做到实时监测，而且系统复 1 绪论 ( 4 ) 异步电机监测、诊断仪器和系统的开发与研究 任何技术和方法最终都要落实到具体的监测和诊断系统的开发上来，随着电 子技术和计算机技术得飞速发展，电机监测和故障诊断装置和仪器已经出现了商 品化的产品，8 0 年代开始，国、内外陆续开发出以信号分析为基础的先进分析仪 器和专用的离线式或在线式电机状态监测和故障诊断系纠1 】【m 】【1 3 】。主要有g e 公司 的m 【t i l 酣系统，e n 公司的m p u l s e 和m m 系统以及p h i l i p s 公司的 r m s 7 0 0 旋转机械监测系统。国内这方面产品只有小批量的生产，具有代表性的是 清华大学研制的笼型异步电动机转子断条在线监测仪。还有北京东方振动和噪声 技术研究所的n 3 0 3 3 0 6 型智能信号采集和处理分析系统。目前，电机监测和故 障诊断装置主要是向着便携化，智能化，经济化以及与电机的继电保护集成化方 向发展。另外，远程分布式电机在线监测和故障诊断系统也将是下一步的研究热 点。 1 3 以d s p 为核心构建异步电机在线监测和故障诊断系统 目前，大中型异步电动机在线监测和故障诊断系统一般是引进国外的成套产 品，不仅价格昂贵，而且大多针对大型发电机，需要进行一定的改造才能适合异 步电机需要，费时费力。国内开发的产品多为项目成果，大多针对特定的对象， 缺乏通用性。广大用户迫切需要一种价格合理，可靠耐用，使用维护方便的大中 型异步电机在线监测和故障诊断系统。 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i 萨缸p r o c e s s o r ) ，是一种专门用于进行数字信号 处理运算的微处理器，它主要用于实时实现各种数字信号处理算法。自从1 9 8 2 年 德州仪器t i ( t e x a si n s 们】m e n _ t s ) 公司推出具有里程碑意义的t m s 3 2 0 c 1 0 系列数字信 号处理器以来，数字信号处理器发展迅速，得到了广泛应用。和传统的通用微处 理器相比，d s p 普遍采用特殊的硬件结构和软件指令，以提高数字信号处理器的运 算速度，适应高速数字信号处理应用的要求。 异步电机在线监测和故障诊断的核心即是对电机运行中状态信号进行处理和 变换，以期得出反映异步电机故障类型、故障程度及其发展趋势的各种故障特征 信息。以往异步电机在线监测和故障诊断系统多以单片机为核心构建下位机，下 位机仅仅执行简单的信号采集和预处理工作，信号的处理和故障的判断要依赖远 端的上位机。这种组合式的监测和诊断系统不仅很难做到实时监测，而且系统复 端的上位机。这种组合式的监测和诊断系统不仅很难做到实时监测，而且系统复 河南理工大学硕士学位论文 杂、价格昂贵，对操作人员素质也有较高的要求。本文尝试将d s p 数字信号处理器 应用到大中型异步电动机在线监测和故障诊断中来，利用d s p 这种专门的信号处理 器件快速处理异步电机运行状态信号，以期达到根据信号处理结果实时监测和快 速诊断大中型异步电动机故障的目的。为此，本文采用t i 公司新一代低功耗、高 性能t m s 3 2 0 c 5 5 0 7 d s p 作为系统核心，利用d s p 强大的数字信号处理能力和丰富的 软硬件资源构建适合现场实际需要的功能完善，性价比和可靠性高的大中型异步 电机在线监测和故障诊断系统。系统采用快速傅立叶算法f f t ( f a s tf o 嘶e r t r a l l s f b n ) 处理异步电机定子电流信号，提取反映电机故障的特征频率，达到了快 速提取故障特征信息的目的。本系统能够做到实时监测，而且维护操作简便，系 统不需外联上位系统，本身能够独立在线运行。 考虑到现场实际使用情况，本文以大中型笼型异步电动机作为监测和诊断对 象，故障诊断方法采用定子电流频谱分析法。 本文力图实现大中型异步电机在线监测和故障诊断系统仪器化的研究和开发 工作，异步电机在发生各种故障时的机理和行为过程目前还不是很清楚，获得准 确有效的故障特征信息还有一定的困难。因此本文仅仅对基于d s p 的大中型异步 电机在线监测和故障诊断系统的设计研究上做出一定的探索和尝试。 综合以上所述，本文主要研究内容如下： 1 参考现有文献，分析和研究大中型异步电动机常见故障特别是转予部分故 障的故障原因、故障机理和故障发展过程。 2 详细分析了定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子断条故障和转子偏心故 障的原理和故障特征频率。 3 基于d s p 的大中型异步电机转子部分故障在线监测和诊断系统硬件设计 和软件实现。 根据上述研究内容，本文结构安排如下： 第二章：介绍了笼型异步电机的基本结构和工作特性。详细阐述了转子断条 故障和转子偏心故障的产生原因和故障发展过程，定子电流频谱法诊断异步电机 转子断条故障和转子偏心故障的原理以及相应的故障特征频率。 第三章：基于d s p 的异步电机在线监测和故障诊断系统的总体设计。 第四章：监测和诊断系统硬件设计，包括信号采集和变送通道，d s p 最小系 统设计，人机接口设计。 6 l 绪论 第五章：监测和诊断系统软件的设计和实现。 第六章：定子电流频谱法m a t l a b 仿真和实验研究。 第七章：结论。 2 定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子故障 2 定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子故障 2 1 异步电机概述 对异步电机进行在线监测和故障诊断，必须了解异步电机的基本结构和工作 特性。异步电机由定子和转子构成，定、转子之间有一个很小的气隙。异步电机 定子磁场是一个由三相交流电产生的旋转磁场，该旋转磁场和电网频率同步。其 转子是一个短路绕组，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，并建立起一个转子磁场。由于定、转子磁场相互作用产生 了电磁转矩，转子轴上就输出机械转矩。因转子磁场是由定子磁场切割感应而生， 因此它和定子磁场就不可能同步，电机的转速和同步转速就不相等，这就是异步 电动机称谓的由来【2 1 】阎。 异步电机转子导体切割定子磁通感生电动势和电流，因而产生电磁力和转矩， 所以转子转速必定低于定子旋转磁场的转速，即转予转速低于同步转速，它们的 差值称作转差速度，转差速度用同步转速的百分比表示时称为转差率s ，s 用式 2 1 表示： s ：堡二堡 ( 2 1 ) 其中同步转速，m i n ； 转子转速，r m i i l ； 异步电机定子由导磁用铁心，导电用绕组和固定铁心和绕组的机座构成。定 子铁心一般由硅钢片叠成，片间涂有由有机物构成的绝缘结构以减少定子铁耗。 定子内圆冲有槽，槽内安放定子绕组。为了固定绕组，槽口放置有绝缘材料制作 的槽楔。绕组由许多绕组组件连接而成。每个组件由铜线绕制成形后包以绝缘材 料构成。机座主要用于固定和支撑定子铁心。同时为了支撵转予，在机座两端设 有端盖，大型电机则设有专门的轴承座。 异步电机转子由导磁用铁心，导电用绕组和固定铁心，传递转矩用转轴构成。 转子铁心同样由硅钢片叠成，铁心外圆冲有槽，槽型根据绕组型式不同分为多种。 转子绕组一般分为绕线式和鼠笼式两种。鼠笼式绕组在每一个转子槽内放置一根 铜条或铝条，在两端各用一个铜或铝的端环加以固定。转轴用于固定铁心和传递 转矩用，一般还装有冷却用风扇和支撑转轴用的轴承。 河南理工大学硕士学位论文 异步电机在定、转子之间存在空气隙，气隙的大小对异步电机性能影响很大， 为了改善性能，提高效率和功率因数，气隙一般都做的很小，且尽量均匀。 异步电机具有供电方式简单，维护方便，运行可靠等特点，但异步电机气隙 小，启动电流大，工作环境恶劣，这些都导致异步电机容易发生故障。 2 2 笼型异步电机常见故障 笼型异步电机相较绕线型异步电机而言，具有结构简单、维护方便、运行可 靠、价格便宜等特点，因此笼型异步电机在国民经济各个部门中得到广泛应用， 本文以笼型异步电机作为在线监测和故障诊断的对象。 笼型异步电机故障按照故障发生的部位可以分为定子部分故障和转子部分故 障。按照故障的性质可以分为电气故障和机械故障，电气故障主要包括定、转子 绕组故障年口转子鼠笼故障，机械故障则主要包括转予偏心故障和轴承故障1 】【6 】。 笼型异步电机之所以发生各种各样的故障，这与电机在运行过程中所受到的 各种内外部影响的作用是分不开的，这些影响主要由电磁应力，热应力，机械应 力，环境应力( 灰尘、潮湿、化学等) 综合作用造成。笼型异步电机容易发生的 常见故障有： ( 1 ) 定子绕组故障 绝缘系统是异步电机电气系统中的薄弱环节，绝缘系统容易受到老化、磨损、 过热、振动、潮湿、灰尘多种因素的影响。电机工作过程中各种电磁应力和机械 应力的综合作用导致绝缘性能下降，继而出现绕组击穿引起绕组匝间短路、相间 短路或接地故障。这种故障随着近年来定子绕组设计和制造技术上的进展和绝缘 系统新材料、新工艺的不断使用，故障几率相较以前大大降低。 ( 2 ) 转子鼠笼故障 笼型异步电机的转子由导条和端环构成，鼠笼转子最常见的故障是断条、端 环断裂、弯曲变形。造成这些故障的原因除了制造过程中的工艺问题和质量缺陷 ( 铸件不合格、转子强度不够、焊接不良) 以外，更重要的是异步电机在工作的 过程中频繁的启、停和交变负载所带来的冷热循环使得导条和端环承受过大的热 应力和机械应力而疲劳损坏。 ( 3 ) 转予本体故障 转子本体故障主要指的就是转子的气隙偏心故障。转予的气隙偏心故障主要 l o 2 定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子故障 有两种：一种是静态偏心，这种偏心形成的主要原因是定子内径椭圆或者安装过 程中的误差导致定、转子不同心，其特点是气隙的最小位置相对于定、转子的空 间位置是固定的。另一种是动态偏心，其形成原因是转轴弯曲、轴颈椭圆、轴承 损坏，其特点是气隙的最小位置相对于定子的空间位置是旋转的，在空间的位置 是变化的。一般来说异步电机发生偏心故障时，都不是绝对意义上单独的静态偏 心或动态偏心，二种偏心往往同时存在。 上述这些故障，都会按一定的模式或机制发展：从最初的缺陷逐渐发展为故障。 这些故障不仅会导致电机电流增大、效率下降、转矩下降，严重时造成扫镗等恶 性故障的发生。电机的各个部件，从劣化到损坏，都是一个逐渐发展的过程，在 发生这些故障之前，电机总会出现电磁的，机械的，绝缘的及冷却系统的劣化征 兆。如果我们能在电机发生故障损坏之前及时监测到反映电机劣化状态的各种征 兆，并对将要出现的各种故障发出警报，我们就能及时采取措施对电机进行维修 或者更换劣化的部件，从而避免各种严重故障的发生，保证电机的安全运行。所 有这些都促使人们很早就开展对异步电机的在线监测和故障诊断研列1 】【6 】1 8 】1 9 】。 统计表明，笼型异步电机故障大部分属于转子部分故障。本文以笼型异步电 机转子断条故障和转子偏心故障作为研究的重点。 2 3 异步电机常用在线监测和故障诊断方法 7 0 年代末以来，随着传感器、计算机、高速工业通信技术的发展与应用，异 步电机在线监测和故障诊断技术得到了广泛的重视和研究，国内外相关文献均有 大量的论述。简单的说，异步电机的在线监测和故障诊断就是实时的采集反应异 步电机运行状态的各种电气的、机械的、物理的信息，对这些信息运用各种分析 和处理技术进行加工，根据加工结果最终判断电机是属于正常运行还是发生了异 常，从而识别电机是否发生故障。 异步电机在线监测和故障诊断技术通过对电机状态参数的采集和分析，实现 了在电机不停机的情况下，确定电机是否发生故障，提取电机故障类型，故障部 位、故障程度和劣化趋势等信息。实现了异步电机从故障后维修、定期检修到预 知维修的变革，大大提高了电机运行的可靠性和经济性，显著提高了企业的经济 效益。 常用异步电机在线监测和故障诊断方法有如下几种： 河南理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 定子电流频谱分析法 定子电流频谱分析法是目前最常用、研究最多的一种异步电机在线监测和故 障诊断方法【7 【1 4 i 。此法主要用来监测电机转予部分故障。正常的异步电机，其 定子电流只含有电源基波频率的分量，当电机转子部分发生故障时，电机定子电 流将会受到转子故障的调制，出现非基波频率的谐波分量，我们可以通过监测定 子电流的频谱变化来判断电机是否发生故障。 ( 2 ) 振动信号频谱分析法 异步电机的振动信号中蕴含了丰富的信息，监测振动信号并对之进行有效的 处理和分析，能够获得反映电机各个部分故障的振动参数( 振幅、振动形式、振 动频谱成分) 的变化，系统的研究这些变化就能够有效的评估电机的运行状态， 发现电机的故障【2 】。振动监测面临的主要困难是电机振动的形式和传递方式过 于复杂，且受到现场环境因素影响较大，如何有效的区分各种振动以及确定各种 振动在每种故障发生的过程中所起的作用大小将是下一步努力的方向。 ( 3 ) 局部放电监测法 局部放电监测法主要用于高压大型电机。由于制造缺陷或者是使用环境的影 响，电机的绝缘系统老化导致局部放电现象的发生。利用局部放电现象与电机绝 缘性能之间的对应关系，在定子绕组出线端或者定予中性点引出线处拾取放电脉 冲或放电信号进行分析和识别，以判定电机绝缘寿命，此法对监测电机早期绝缘 劣化非常有效，但确定基准放电量阙值较为困难，且很难消除各种干扰 1 】【2 1 。 ( 4 ) 轴向漏磁通法 异步电机不可能是完全对称的，因此总会存在一些轴向漏磁通，当电机发生 故障时，电机的不对称加剧，轴向漏磁通就会随之发生变化，监测这些变化就可 以诊断异步电机是否发生故障1 心。此法需要在电机上安装多个探测线圈，难度较 高。 ( 5 ) 转速波动法 正常的异步电机，其转速在一个很小的范围内波动。当电机转子部分发生故 障时，将会使电机转速发生起伏，通过精确的测量异步电机转速的变化可以用来 判断电机转子部分是否发生了故障【1 】【2 1 。 ( 6 ) 工况性能监测法 通过采集异步电机的电压、电流、功率，以及电机主要部位温度等常规量， 综合电机正常运行时各个参数的波动范围以及平时积累的运行和维修经验，综合 1 2 2 定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子故障 分析确定电机是否异常。此法不需要复杂的设备和仪器，但对监测人员的素质和 数据的准确性提出了较高的要求，且对早期故障缺乏有效的判断标准【2 】。 以上各种异步电机的在线监测和故障诊断方法均在实际应用或实验中取得 了一定的效果和作用。比较以上各种监测和诊断方法，定子电流法具有突出的优 点：定子电流法可以全面的反映电机的信息。电机本身可以被认为是一个传感器， 定子电流能反映整个系统各部分变化情况。定子电流法采用非侵入式测量，直接 从定子绕组上采集电流，精度较高，噪声水平低。信号的采集也不影响电机的正 常运行，而且几乎不受环境的影响，是比较理想的检测方法。其它方法对各种传 感器的安装均有较高的要求，成本较高，且传感器使用环境恶劣，易受各种噪声 的影响，严重影响了故障诊断的准确性。因此，定子电流法迅速取得了广泛的重 视与研究，成为当今异步电机在线监测技术的主流。本文选用定子电流频谱分析 法诊断笼型异步电机转子部分故障。 2 4 定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子断条故障 2 4 1 笼型异步电机转子断条故障概述 笼型异步电机转子绕组发生的故障中，最常见，危害性最大的就是转子断条 故障 2 1 【1 2 l 。鼠笼式异步电动机转子笼条断裂、开焊，端环断裂、弯曲变形是其常 见故障。断条故障发生的原因主要有：( 1 ) 异步电机制造过程中的缺陷或者瑕疵， 比如铸铝笼工艺不良造成的细条、空心条，焊接笼焊接质量问题导致的虚焊。( 2 ) 异步电机运行过程中操作不当和恶劣的工作环境影响。( 3 ) 异步电机频繁的启动和 制动操作。异步电机启动时，由于异步电机的漏电抗和电阻很小，造成了异步电 机启动电流很大，常常达到正常运行电流的5 7 倍，而且启动时间又很短，笼型绕 组将承受很高的机械应力和热应力，这使得导条和端环在高应力的作用下疲劳断 裂。 转子断条故障是按照一定的机制发展的。某些笼条因为各种原因带病运行， 这些笼条就在缺陷处发生过热，过大的热应力和机械应力超过了其所能承受的应 力极限，这些笼条便发生断裂。当电机的某根笼条断裂后，原来在该笼条内流动 的电流将在其相邻两侧的笼条内流过，断条相邻的笼条就会流过更大的电流并承 受更大的热应力和机械应力，从而加快了相邻笼条的断裂。就这样断条故障不断 的发展下去最终导致更加严重的故障发生。 河南理工大学硕士学位论文 轻微的断条故障一般不会严重影响异步电机的运行，通常会带来功率损耗的 增加、转差率的增大，但是如果任其发展下去，则会显著增加电机启动时间，产 生强烈的振动、过热现象，甚至发生扫镗故障。所以，尽可能早的发现异步电机 断条故障的发生，及时更换故障电机才是保证安全生产的关键。 2 4 2 转子断条故障诊断原理和特征频率 理想的笼型异步电动机定子电流频率和电源频率是一样的。但是当异步电机 转子部分发生断条或是其它故障时，转子回路不再对称，进而对定子电流产生调 制作用，定子电流就会发生畸变，出现表征转子不对称的边频带，最明显的故障 征兆就是在定子电流频谱图上与电源频率相差两倍转差频率( 2 旷) 的位置将会 各出现一个边频带【2 】【9 】【1 1 】【j 2 】【1 4 l 【l5 1 。 一台极对数为p 的笼型异步电机，当电源供电频率为，时，工作时定子绕组 产生的磁动势m ，其基波表达式为： m l = 墨1 s i n ( 删一p 口) ( 2 2 ) 其中足与极对数，绕组系数有关的常数； 定子绕组每相匝数； ，1 定子电流： 一电源角频率，= 2 万； 口初相角： 转子绕组相位角： = 臼一，r( 2 3 ) 其中国，转子旋转角速度； 对于两极( p = 1 ) 电机来说，其磁动势为 = 蜀1 j 1s i n 【 一，弦一纠 ( 2 4 ) 转子转速与定子旋转磁场转速之差即为转差率，转子绕组在定子旋转磁场的 作用下，将感应电势并产生电流，建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动势， 转子磁动势基波表达式为： m 2 = 足2 | v 2 ，2s i n 【( 一，) f 一例 ( 2 5 ) 其中丘与极对数，转子绕组系数有关的常数； m 转子绕组每相匝数； 2 定子电流频谱法诊断笼型异步电机转子故障 ，转子电流； 当转予存在故障时，例如，有一根断条时，转子电流的磁动势将被s i n 2 西所调 制，这时转子绕组磁动势将变为下式： m 2 = k 2 2 ，2s i n ( 出一国，弦一纠s m 2 ( 2 6 ) 因此 珊：! ! ! 罢兰蔓 。s 【( 一，) f 一3 卜c 。s ( 。一出，弦+ 妒】) ( 2 7 ) 由于转子磁动势与定子磁动势是相互平衡的，将式( 2 3 ) 代入，则反映到定子 的磁势表达式： 肌。：研：! ! ：圣生 c 。s ( + 2 国，弦一3 口卜c 。 ( 国一2 珊，v + 口】) ( 2 8 ) 对于两极异步电机，转差率： s ：竺二竺( 2 9 ) 甜 即彩，= ( 1 一j ) 脚( 2 一l o ) 将式( 2 一l o ) 代入式( 2 8 ) 可得： ，”，；! 1 2 1 ；l 量 c 。s ( 3 2 j ) & 譬一3 曰卜c o s ( 1 2 s ) 吐f 一目】) ( 2 一1 1 ) 上 分析式( 2 一1 1 ) 就可以发现，磁动势表达式中的第一项分量含有3 甜和3 护，此 分量将在三相定子绕组中产生一个零序电动势，此电动势对电源电流并无影响。 第二项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2 j 国的分量，这个分量将使异步电 动机定子绕组中出现一个比电源电流角频率低2 j 国的三相电流分量，它与电源电 流频率十分接近，由于它的调制作用，定子电流将会出现节拍性交化，电流周期 性的脉动将使定子电流表指针发生摆动，也使电动机的转矩随之脉动，从而使异 步电机转子转速也将按2 倍滑差频率而波动。转速波动将使异步电动机的电流在以 电源频率为中心，在2 矿上、下限之间变化，由于电动机定子中三次谐波磁通的 调制作用，这种转速与电流的波动将更加明显。大量的实验和理论分析均证明， 当笼型异步电机转子发生断条时，定子电流中围绕基频将出现频率为2 盯的边 频，其中一2 旷的边频是由转子断条故障直接引起的，称为转子断条的特征频率， + 2 旷的边频是由于转子转速的脉动引起的。从边频电流的幅值以及它与基频电流 1 5 河南理工大学硕士学位论文 幅值的差值大小或是比值大小，就可以推断出断条故障的严重程度。这就是定子 电流频谱分析法诊断笼型异步电机断条故障的原理。 实际上，笼型异步电机发生断条故障时，情况远较以上分析的过程更为复杂， 除了2 矿的边频以外，还有更多的高次谐波分量将在定予电流中调制出更高频率 的频率成分，只不过这些高次谐波的幅值都很小，几乎可以忽略不计，不利于检 测和判断。因此，我们就选取2 旷的边频信号作为转子断条、端环故障的特征信 号。 许多研究和实验表明【1 】【4 】【1 2 】【1 4 1 【15 1 ，通过采集异步电机定子电流信号，对其进行 频谱分析，根据定子电流频谱图中是否出现2 矿的边频分量来诊断异步电机转子 断条故障是可行的。文献 1 实验给出了正常电机和发生断条故障电机的定子电流 频谱图。 实验对一台四极( 2 ) 异步电机在不同故障状态和负载条件下均采集了定子电 流并进行了频谱分析，测得了电机基频和边频电流分