（电机与电器专业论文）感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：l 豫毒嚼 学位论文使用授权说明 勿) 年多月z 厂日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做储魏睬每骼新獬夕专1 ；扩月讲 l 感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 摘要 感应电机由于结构简单、运行可靠、维修方便，在现代化工业中得到大 量应用。随着现代工业的发展，生产自动化程度的提高，感应电机的运行 状态直接影响到工业生产的正常进行。因此对于感应电机在线监测与故障 检测尤其重要。 论文在感应电机定子匝间短路故障数学模型研究中，从感应电机的基 础电磁关系和数学模型出发，分析内部故障特征中绕组阻抗变化来推导参 数关系式，将不对称参数引入感应电机原始的相轴线模型中，建立感应电 机故障数学模型并进行数字仿真与物理实验，分析定子电流波形，当故障时， 对应定子电流幅值明显变化，为研究感应电机定子故障特征和检测方法提 供理论依据。 论文在感应电机定子匝间短路故障检测方法研究中提出三种检测方 法并分别进行数字仿真。提出在p a r k 变换基础上对其进行矢量模函数的构 造，通过分析是否存在二倍基频分量来进行判断故障；提出连续的快速傅 里叶变换方法，通过对定子电流信号进行抵消基频分量的算法，使故障特 征更加明显；提出分析定子电流相位差与负序电流相结合的方式来对定子 故障程度进行检测，以上方法可以使故障特征表现突出，有效判断故障严重 程度。 通过对感应电机定子故障理论分析与检测方法研究。提出感应电机故 障在线监测系统设计方案，对该系统的基本结构、整个装置的软硬件设计 与主要实现功能进行详细叙述。 关键词：感应电机匝间短路在线监测故障检测 l r e s e a r c ho ns t a t o rw i n d i n gi n t e r t u r ns h o r tc i r c u i tc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l t sd e t e c t i o no ni n d u c t i o nm o t o r a b s t r a c t o na c c o u n to ft h e i rs i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ， i n d u c t i o nm o t o r sa r ew i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r i a ls y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e mi n d u s t r i a ls y s t e m s ，d e g r e eo fi n c r e a s ef a c t o r ya u t o m a t i o n , i n d u c t i o nm o t o r s r u n n i n g s t a t ed i r e c t l ya f f e c t st h en o r m a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h ef a i l u r ea n a l y s i sa n d d e t e c t i o no nt h ei n d u c t i o nm o t o ri se s p e c i a l l yi m p o r t a n t i nr e s e a r c ho ft h ei n t e r - t u r nf a u l t so nt h ei n d u c t i o nm o t o r , t h i st h e s i sp r e s e n t sav i e w so f e l e c t r o m a g n e t i ca n de l e c t r i c a lt h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r s ，t h e m o t o r s t y p i c a lf a u l t si sa n a l y z e d ，b a s e do nt h ef a c tt h a tt h ep a r a m e t e r so fw i n d i n gi m p e d a n c e w i l lc h a n g ea st h er e s u l t so fi n t e r i o rf a u l t s ，t h en e wi n d u c t i o nm o d e lf o ri n t e r i o rf a u l t si s t r a n s f o r m e df r o mt h eo r i g i n a lp h a s ea x e sm o d e lo ft h r e ep h a s ei n d u c t i o nm a c h i n e su s i n gf o r t h ep a r a m e t e r so fm o t o r ss t a t o ra r eu n b a l a n c e ，t h r o u g ht h em o t o r st y p i c a lf a u l t si ss i m u l a t e d ， t h ef a u l t s s t a t o rc u r r e n tw a v e f o r ms i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h ea m p l i t u d eo fn o r m a ls t a t o r c u r r e n t ，t h e i rf e a t u r e sa r ed i s c u s s e d i nr e s e a r c ho ft h ef a u l t sd e t e c t i o no nt h ei n d u c t i o nm o t o r , t h i st h e s i sp r e s e n t st h r e e d i f f e r e n tf a u l td i a g n o s em e t h o d sa r ei n t r o d u c e df o ri n d u c t i o nm o t o rs t a t o rw i n d i n gf a u l ta n d t h et h r e em e t h o d sa r ea l lv a l i d a t e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n , an e wm e t h o db a s eo nt h ep a r k t r a n s f o r m a t i o ni s p r e s e n t e d , i tc o n s t r u c t st h es q u a r eo ft h ep a r k sv e c t o rm o d u l u st h r o u g h a n a l y z i n gw h e t h e rt h ep a r k sv e c t o rm o d u l u ss q u a r es i g n a lc o m p r i s e st w i c et h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c yc o m p o n e n tt oj u d g et h ef a u l t ；am e t h o db a s e do ni m p r o v e df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i si n t r o d u c e d ，i nw h i c ht h es t a t o rc u r r e n ts i g n a lw o u l db eo f f s e tb a s e b a n db ym o d i f i e df a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，s oi ts o l v e dt h es u b m e r g i n gp r o b l e mt h a tt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f f a u l ti so b v i o u s ；am e t h o db a s e do np h a s ed i f f e r e n c ea n dn e g a t i v es e q u e n c ec o m p o n e n t m u t a t i o ns i g n a la st h ef a u l tf e a t u r e si sp r e s e n t e d ，t h i sm e t h o dc a nc o r r e c t l yd e t e c tt h es e v e r i t y o fs t a t o rf a u l t b a s e do np r e v i o u st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e t e c t i o nm e t h o d s ，i n i t i a li n d u c t i o nm o t o r i i i i i m o n i t o r i n g ；f a u l td e t e c t i o n 目录 a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 2 感应电机故障检测方法发展与现状2 1 3 本文主要工作3 第二章感应电机定子绕组故障数学模型研究4 2 1 定子绕组正常与故障状态下参数分析4 2 1 1 正常状态下定子绕组参数分析4 2 1 2 定子匝间短路故障时参数分析5 2 2 感应电机定子故障数学模型建立6 2 2 1 感应电机正常状态下数学模型方程6 2 2 2 感应电机内部故障数学模型方程8 2 3 仿真实验结果9 2 4 本章小结1 2 第三章感应电机匝间短路故障检测方法研究1 3 3 1 定子绕组故障特征分析1 3 3 2 基于p a r k 矢量变换的定子匝间短路故障检测方法1 4 3 2 1p a r k 矢量法原理1 4 3 2 2p a r k 矢量变换的定子匝间短路故障检测与仿真1 6 3 3 基于连续快速傅里叶变换的定子匝间短路故障的检测方法2 0 3 3 1 快速傅里叶变换原理2 0 3 3 2 检测方法的基本思路2 0 3 3 3 仿真实验结果2 2 3 4 基于三相电流相位差以及负序电流的匝间短路故障诊断检测方法2 3 3 4 1 故障特征的理论与分析2 3 3 4 2 对称分量法与三相电流相位算法在匝间故障检测的应用2 5 3 4 3 定子电流相位差与负序分量检测方法基本思路2 7 3 4 4 仿真实验结果2 7 3 5 实验与结果分析3 0 3 6 本章小结3 5 第四章感应电机故障状态监测平台开发3 6 4 1 系统工作原理与方案设计3 6 i v 4 2 系统硬件设计3 7 4 2 1 模拟量检测电路3 7 4 2 2a d 转换电路3 9 4 2 3 系统通信电路4 1 4 2 4 硬件系统抗干扰设计4 2 4 3 下位机软件设计4 3 4 3 1 主控制器程序4 4 4 3 2a d 数据采样4 4 4 3 3 串口通信程序4 5 4 4 上位机软件设计4 6 4 4 1 数据接收与存储设置4 7 4 4 2 电机参数与阈值的设定4 9 4 4 3 故障诊断判断。5 0 4 5 本章小结5 l 本文总结5 2 参考文献。5 3 附录5 5 附录l 实验电机接线图与实物图5 5 一、电机绕组接线图5 5 二、实验电机实物图5 5 附录2 感应电机状态监控系统部分硬件实物图5 6 一、系统下位机电路板5 6 二、系统采样电路板5 6 致谢j 5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 8 v 广西大掌硕士学位论文 感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论弟一早 三百下匕 电能是国民经济中各个部门应用最广泛的能源，而利用电能进行的生产、传送、分 配和使用都必须通过电机对电能进行转换来实现，是工业生产活动以及日常生活中常用 的重要设备。在机械、冶金、石油、化工、纺织等企业中的各种生产设备也都是广泛采 用不同规格大小的电动机作为动力来拖动，在交通运输业中的电力机车的牵引、矿用上 的井提升机、化工用的压缩机、钢厂用的轧钢机以及农业上的排灌和收割加工等，电机 都是不可缺少的动力机械。对于一个发达的工业国家来说，感应电机消耗的电能占总体 电能消耗的4 0 , - - 6 0 ，任何一个国家都离不开电机行业的发展【1 3 】。由此可见电机在国民 经济和人民生活水平中起到的重要作用，是应用最广泛的机械，也是主要的用电设备。 电机作为重要的驱动设备，电机是否能正常工作对于保证生产过程顺利运行是十分 重要的。由于感应电机结构简单、运行稳定，在正常运行情况下，使用寿命较长，但由 于工作环境恶劣、自身绝缘老化、电机制造水平与装配、质量检修等方面的制约以及大 型电机在运行中长期处于高速运转和高电压的工作状态下，有时人为的操作不当甚至违 规操作时，会使电机的寿命大大折扣。由此可见感应电机故障的发生不可避免，特别是 随着现代企业自动化水平与系统规模的增大，当电机故障时不仅会电机自身损坏，而且 会影响整个生产系统，造成重大经济损失与社会影响【4 1 。因此保证电机在生产系统中安 全稳定运行具有重要意义。 通常情况下对处于重要位置的大型电机的故障保护措施是采用各种技术可靠的电 动机继电保护设备，即将继电器设定某一阈值，当电机运行与状态参数达到或超过继电 器设定值后，保护设备就会切断电路，停止运行。继电保护措施的主要种类有：振动超 限保护、负序保护、逆电流保护、过速保护掣5 1 。 继电保护系统功能的应用技术已经很完善，但它只有当被监视的参数出现突变与设 定的阀值不相符时才动作，也就是说它只能是在事故发生后采取行动，而且即使当继电 保护装置成功动作，电动机突然切断而使整个生产流程意外终止，仍然可以导致重大的 经济损失，为了能让电机故障造成的损失降低，迫切希望可以对电动机的状态进行监测 以应对突发故障的发生【们。 感应电动机的故障监测与诊断一般是通过在线监测电动机的相关运行状态参数( 如 电压、电流、振动等) ，判断设备是否处于正常状态，评估故障的存在性，若故障存在 则进一步来判断故障发生部位、严重程度及发展趋势，从而针对故障的确定合理的检修 方案，达到减少停机损失，提高设备运行可靠性、降低维修费用的目的。因此，对于研 究各种在线监测、诊断系统对电机故障的诊断和分析，可以及早的发现故障并及时消除 故障，保证电机可靠运行和安全生产，具有十分重要的理论意义和社会经济价值。 广西大学硕士掌位论文 感应电机定子绕组故障在线监调q 与检测方法研究 1 2 感应电机故障检测方法发展与现状 由于感应电机内部系统的关联性，电机故障的起因和征兆往往是由电路系统、磁路 系统、绝缘系统、机械系统等多个系统相关联产生的，往往是一个故障征兆对于多个故 障起因，因此对于故障的准确诊断带来难度。例如：当电机定子绕组发生故障时，电机 会出现三相电流明显不平衡并产生负序电流，当故障比较严重时，电机噪声增大、运行 时振动剧烈等特征。因此对电机处于异常故障状态时的故障机理分析，对于电机故障引 起的电气量( 例如电功率、电流、电压等) 与非电气量( 温升、噪声、振动等) 的变化都按 照一定的规律变化，从而使我们能够通过这些物理量的变化来检测和诊断故障类型、分 析原因。 电机的故障检测一般分为离线与在线监测，传统的离线监测方法都是通过简单仪器 来如振动计、转速表、声级计等来对电机进行现场检测，一般的检查周期都是间断定时 的，定量检测而且随机性较大，不能对电机的运行状态及时的反馈信息，而且在非运行 状态下的检测，并不能代表电机运行时的状态，因此更加需要对电机进行在线监测与故 障诊断。 感应电机定子绕组在线故障监测方法是1 9 8 5 年f l ：l w i l l i a m s o n 和m i r z o i a n 首次提出【7 1 ， 在线监测诊断是指将电机的运行参数如：电压、电流、功率等进行运行中的监测，将得 到的相应信号来进行处理由此来判断电机的运行状态是否处于故障、故障类型和严重程 度，这样就可以在电机运行的情况下来对电机的状态进行评估判断，进行实时了解。 对于感应电机匝间短路在线故障诊断与检测，国内外很多学者都进行了相应的研 究，主要方法有： 不平衡电流法：运用不平衡电流的检查来判断检验电机故障，因为在理想情况下当 用电流互感器来检测电机的三相电流时，互感器初级线圈中三相电流矢量和为零，在次级 线圈中就没有电流通过，当相间不平衡时，次级线圈就会感应出不平衡电流产生负序电 流，由电流的大小来判断故障严重程度，操作简单，可以作为检测电机故障使用，但由于 电机本身具有一定的不对称性及其电源的不平衡，使该方法受到一定限制【引。 p a r k 矢量法：该法是将三相坐标系中的厶如七转换成静止的筇坐标系下，经过变换 后使得到在筇坐标系下f 。，f ，的合成轨迹电机正常状态下接近于圆，当电机出现故障时， p a r k 矢量轨迹变成一个椭圆，从而对电机故障进行诊断。同样也是由于电机自身原因， 即使电机正常时，p a r k 矢量轨迹也是接近于圆，当故障较轻时，由于变化量并不明显以 及受到电源不对称影响，增大对故障诊断的难度【9 1 。 坐标变换法：一般是通过将信号变成不同坐标系对故障特征进行提取来诊断，信号 应用于定子绕组匝间短路故障检测可以有效避免电源电压不平衡、频率波动以及负荷波 动等因素的影响【1 0 1 。 还有通过对电机瞬时功率进行分解来得到仅由定子故障引起的的负序电流来判断， 2 感应电机定子绕组故障在线监渭q 与检溯q 方法研究 这种方法可以排除由于电源不平衡所产生的负序电流并有效的计算出电机自身不对称 性与非线性对负序电流的影响，但是需要对电机电抗参数进行准确测量计算j ；还有提 出振动信号分析，通过检验电机运行时电机外部各个点检查到的信号频谱来分析电机运 行状态【1 2 】；提出磁通检测法，是当定子发生匝间短路故障时，由于气隙磁通会发生改变 并产生相对应的谐波，通过放入检测线圈来检验轴向漏磁通的大小和变化来对故障进行 诊断【1 3 】；提出当电机匝间故障时，绕组的自感，互感都会发生变化，定子电流相位也会 随之变化，通过检测相位差来判断定子匝间短路故障的方法【1 4 】。 此外，近些年还出现了多种对于电机故障检测的方法，例如：随着人工智能的发展， 采用神经网络，模糊逻辑，数据融合，系统参数辨识法等也都在电机故障检测诊断中等 得到广泛的应用【1 5 r 丌。但是可以说现有的电机故障诊断方法还有很多不足之处，由于感 应电机本身复杂的电磁关系以及在其外部工作条件的不同、电源的不对称、电网频率的 波动、负载的变化等因素都会给电机的故障诊断带来不利的影响，而且当电机处于早期 故障期间时，故障特征并不明显，在这种复杂的情况下给诊断正确性增加难度，现阶段 实用有效的监测手段是通过对电机的大量历史数据进行比较，通过专家系统来进行阈值 对比，但由于设备投入大，技术要求高并不能得到广泛的推广，所以在实际工作中，在 对感应电机故障进行诊断来判断是否进行停机检修也是具有相当大的难度。 1 3 本文主要工作 本文对感应电机定子匝间短路故障分析和检测方法研究完成如下： 对感应电机的各种故障类型进行描述并总结当前感应电机定子匝间短路故障检测 方法的优缺点，指出存在问题。 从感应电机的基础电磁关系和数学模型出发，对定子绕组故障特征进行理论分析。 针对内部故障特征从绕组阻抗变化出发推导参数关系式，将不对称参数引入感应电机原 始的相轴线模型中建立出感应电机故障数学模型并进行数字仿真与物理实验，为研究感 应电机定子匝间短路故障特征分析和诊断方法提供理论依据。 对于感应电机的定子绕组匝间短路故障检测，提出三种诊断方法并分别进行数字仿 真。提出p a r k 变换基础上的矢量模函数的构造，通过分析是否存在二倍基频分量来进行 判断故障；提出连续快速傅里叶变换方法，通过对定子电流信号进行抵消基频分量的算 法，使故障特征更加明显；提出以分析定子电流相位差与负序电流相结合的方法来对定 子故障严重程度进行故障特征的检测。 阐述感应电机初步故障在线检测系统的设计方案思路，主要内容为该系统的基本结 构、整个装置的软硬件设计与主要实现功能。 对本文的主要工作进行总结，并且对今后工作的改进提出意见。 3 广西大掌硕士掌位论文感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 第二章感应电机定子绕组故障数学模型研究 仿真是现有阶段比较流行的工程技术手段，基本思想是通过系统的物理或者数学模 型的建立去研究一个实际中的或是设计中的过程，以寻求实际系统过程运行规律与变 化。对于感应电机的故障诊断，通过仿真来对故障产生的机理和故障特征进行分析是这 种比较重要的途径，有助于从理论上分析故障特征并通过仿真来对故障的进行分析。 对于感应电机的典型的仿真模型一般是通过坐标变换法对电机状态的模拟仿真，如 采用著名的p a r k 变换模型【l 引，但是由于p a r k 变换模型是基于电机三相参数对称的情况下 来进行对电机状态的模型，在解决电机外部控制问题上比较方便，但是当电机发生故障 时，由于内部参数发生了变化，在分析电机内部故障问题上由于难以对其由气隙磁场引 起的各电抗参数和各相分量的关联问题进行准确的修正，这并不适应对故障电机的模 拟。因此寻求更加有效的电机故障仿真模型才能对电机故障提供理论依据。 本章内容为从感应电机的定子参数的基本参数关系出发，分析了定子在匝间短路故 障情况下参数的变化规律结合感应电机原始相轴性模型，建立适应感应电机在对称与不 对称关系下的电机数学模型，可以深入分析不同故障状态下电机各个参数的变化规律， 为后续的故障检测方法研究提供依据。 2 1 定子绕组正常与故障状态下参数分析 2 1 1 正常状态下定子绕组参数分析 当电机正常运行时，定子侧的阻抗参数的求取方法计算公式如下【1 9 】： 定子绕组每相电阻计算公式为： = k ：p w 筹 ( 2 - 1 ) 式中：k , - 表示为集流效应中的电阻增加系数；p 。表示为基准温度下的导体电阻率( u x m ) ；1 表示定子绕组每相线圈匝数；乞表示为线圈每半匝的平均长度( m ) ；墨表示为导 体的横截面积；口表示为定子绕组的并联支路数。 在电机不同位置中由定子电流所产生的漏磁场也有所不同，因而其产生的磁链情况 也有所不同，对于感应电机来说，定子绕组漏抗通常包括：槽漏抗、谐波漏抗以及端部 漏抗三部分。其计算公式如下： 定子槽漏抗计算公式： 4 顽地等( 2 - 2 )，吁 定子谐波漏抗计算公式： 广西 定子端部漏抗计算公式： 艺l = 4 7 呒二二l 0 丸l( 2 4 ) 厂 因此，定子漏抗可表示为： l ：l + 勤l + t 。：4 a j l o u o 2 。盯( 九l + 九，+ 丸1 ) ( 2 - 5 ) 式中：石表示为基波频率；j l l 。表示为真空导磁系数；p 表示为电机极对数；g 表示为每 极每相槽数；0 表示为电机电枢轴向计算长度；九。、九。、九。表示为定子绕组的槽比漏 磁导、谐波比漏磁导、端部漏磁导( 具体计算公式与电机槽型结构和绕组构成的不同而 有相应区别) 。 2 1 2 定子匝问短路故障时参数分析 当定子绕组发生匝间短路故障时，做如下假设： ( 1 ) 忽略电机匝间短路后绕组相间互感的变化； ( 2 ) 忽略匝间短路部分在相邻线圈上引起的去磁作用； 通过以上假设可以认为电机匝间短路时定子绕组非故障相的阻抗参数没有变化，故 障相阻抗参数减少，这里设有刀匝发生了匝间短路故障，用“= m - - 7 来代替( 2 1 h 2 5 ) 中的公式，从而可以得到电机故障后的故障相的阻抗参数关系式如下： 旷弧萼 ( 2 - 6 ) x a l ：4 n j p o 塑趟0 ( 九。+ 九。+ 九。) ( 2 - 7 ) 当定子发生故障后，故障相如上述公式所示阻抗值减少，其减少值为： a 吒i = r l i - r l = 詈= 焉，i ( 2 8 ) 瓴。= 。厂一。= 4 顽p 。掣o ( 九。+ 九。+ 九。) ( 2 - 9 )。 p 口 。 5 r = 儿 ，耳= n ， 飞s = m 3 s + m i r 飞r = m 0 s + m j r 式中：为定子磁链向量；为转子磁链向量。 6 抗参数 机参数 磁动势 磁链的 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 电流向 ( 2 1 2 ) ( 2 t 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 广西大学硕士学位论文感应电机定子绕组故障在线监测与检锕q 方法研究 甲。= 三三 ，甲，= 三三 必，= ，+ m 甜= 三s 口三，d 三。仃 + 二篓：二篓：! a 。= + 砌。= 三，j 三，仃三，仃 + 二篓：二篓：! m ，= m 。= ms r c o s 0 枷o s ( p 一等) 从，c o s ( 8 + 姿 j m 。c o s 0 m , , c o s ( 0 + 芋) m , s c o s ( 8 告) m , , c o s ( o + 孚) j ms ，c o s 0 从，c o s ( p 一娶) j m r s c o s ( 0 一孚) j m 。c o s 0 m ，, c o s ( o + 姿) ， 批c 。s ( d 一孚) ， m ，c 。s ( p + _ 2 7 7 ) j ms r c o s 0 m , , c o s ( o + 孚) j 必, , c o s ( o 一姿) j ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 式中：丝为定子电感矩阵，由定子漏感矩阵坩与其互感矩阵m ，组成；m 为转子电 感矩阵，由转子漏感矩阵三陌与其互感矩阵m ，组成；虬为转子电流对定子磁链作用的 互感矩阵；m 。为定子电流对转子磁链作用的互感矩阵；0 为定子a 相与转子a 相间夹角。 其中m 仃= m04 电机运动方程： = 瓦蛾q + ；鲁 ( 2 2 1 ) 婴：p ( 2 - 2 2 ) d t 式中：疋为电磁转矩；毛为负载转矩；j ) 9 电机转动惯量；p 为电机极对数，r q 为电 动机旋转阻力系数，q 为转子机械角速度。 电磁转矩方程： 7 1j r_j 2 2 2 2 胍坛胍 胁胁胁 一 一 一 广西大学硕士学位论文感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 = 丢腿警( 2 - 2 3 ) 2 2 2 感应电机内部故障数学模型方程 当感应电机定子绕组出现匝间短路或断路故障时，会使原来对称的各绕组参数如阻 抗、电流等产生不对称状态 2 2 , 2 4 1 ，这里假定定子a 相绕组发生匝间短路故障( 电机y 接) ， 如图2 1 所示： 图2 1 感应电机a 相匝间短路故障 f i g 2 - 1i n d u c t i o nm o t o r ss h o r tc i r c u i tf a u l ti nap h a s e f z a 0 0 z l = l0 乙0l ( 2 2 4 ) 【0 0 z c j 当定子绕组a 相引入外接电阻来模拟故障时，电机内部的参数也随之改变，此时三 相阻抗改变，即： z 2 = l 0 z 二0 z a 00 i 10 0z 式中：z , 4 = z o l z _ ，z ；= z 6l z b z ( ；= z c7z c o 由上式可导出不对称矩阵厂= z 正石 分别对应电机三相参数；使五= 厂乙， 当定子参数对称时，石= = 五= 1 ；当某相参数发生不对称变化时，z 1 由该项阻值 感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 由于三相阻抗发生变化，随之产生对定子三相电流、定子电感矩阵及定子电 子的互感矩阵的相应变化。 综合式( 2 1 0 h 2 2 4 ) 由此可推导出感应电机相轴线新模型为： u s - 斛s + 等 o = r j , + 警 飞s = f ms ：f ls + f ms ，ir 飞r = m ，8s + mr ir 2 3 仿真实验结果 根据式( 2 2 5 ) - ( 2 - 2 8 ) 建立的感应电机内部故障数学模型，运行m a t l a b 动态 序语言对一台6 极、1 1 k w 、3 8 0 v 、5 0 i - i z 磊l 笼异步电动机( y 9 0 l 6 型号) 进行定子 路数字仿真，这里假定三相异步电动机三相y 接，外部供电电源三相对称并且稳定 改变不对称矩阵参数变化来模拟电机稳定运行后定子侧( a 相绕组故障) 正常运行 2 、5 的匝间短路故障情况，仿真结果如下图所示： 图2 2 定子三相电流正常状态运行情况 f i g 2 - 2n o r m a ls t a t eo ft h r e e - p h a s es t a t o rc u r r e n t 9 广西大掌硕士学位论文感应电机定子绕组故障在线监钡q 与检洌q 方法研究 图2 - 3 定子a 相绕组2 匝间短路故障 f i g 2 32 o f s t a t o rw i n d i n gi n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l ti nap h a s e 图2 - 4 定子a 相绕组5 匝间短路故障 f i g 2 - 45 o f s t a t o rw i n d i n gi n t e r - t u r n s h o r tc i r c u i tf a u l ti nap h a s e 图2 5 转子三相电流正常状态情况 f i g 2 5n o r m a ls t a t eo ft h r e e - p h a s er o t o rc u r r e n t 1 0 一s糖诤罂嚣暑爵m设 一s器曾霉疑蒜降越 一s爆曾霉囊嚣m鬈 l 一 感应电机定子绕组故障在线监测与检铷g 方法研究 图2 - 6 定子匝间短路故障后转子电流变化图 f i g 2 - 6s t a t o rs h o r tc i r c u i tf a u l ta f f e c tt h er o t o rc u r r e n tc h a n g e s 图2 7 正常情况下电磁转矩图 f i g 2 - 7n o r m a ls t a t eo fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e 时向( 1 ) 图2 8 定子匝间短路故障下的电磁转矩图 f i g 2 - 8s t a t o rs h o r tc i r c u i tf a u l ta f f e c t e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ec h a n g e s 从图( 2 2 h 2 8 ) 可以看出，当感应电机出现a 相匝间短路故障时，通过对正常、2 匝数故障、5 匝数故障中可以看出随着定子匝间短路故障匝数的增加，故障相的电流 幅值随着匝间短路数的增加而增大，定子电流出现波动，而且从感应电机的转子三相电 流图与电磁转矩的正常情况与匝间短路情况下相比较也可以看出当定子匝间短路故障 时，转子电流与电磁转矩都会出现相应的波动，也证明了定转子间在出现故障时会相互 干扰对定子电流产生影响，这样我们就可以通过对定子电流的频谱分析来提取故障特征 进行故障诊断，通过感应电机的定子匝间短路故障模型的建立来进行电机故障状态数学 仿真，可以为后续的定子匝间短路故障检测分析提供理论依据和实验数据。 感应电机定子绕组故障在线监顿q 与检调口方法研究 2 4 本章小结 在本章中，运用m a t l a b 程序完成感应电机定子匝间短路故障的数学模型建立与仿真 结果的分析，根据定子匝间短路故障时参数特性结合感应电机原始相轴模型，通过引入 不对称矩阵来建立电机内部故障数学模型，对电机出现匝间短路故障时定子三相电流的 变化以及故障时转子电流与电磁转矩的变化结果进行分析，为下一章对匝间短路故障的 检测分析提供理论依据与实验数据。 广西大掌硕士掌位论文感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 第三章感应电机匝间短路故障检测方法研究 通过前文的介绍，当感应电机出现定子匝间短路故障时，从仿真实验结果中可以得 知定子电流中会发生突变，幅值、相位、频率等都会出现变化，而且与匝间短路匝数有 关。本章主要内容首先对定子绕组故障特征进行分析，并提出将定子电流信号进行p a r k 变换后进行故障特征提取的检测方法；同时也提出以定子电流信号的边频特征、相位差 与负序电流突变信号相结合的故障特征的检测方法。 3 1 定子绕组故障特征分析 当感应电机定子绕组中某相出现匝间短路故障时，三相绕组的对称性就会随之改 变，由于定子与转子之间的磁耦合关系，当定子绕组产生故障时，转子绕组中也会感应 出与定子绕组相对应的故障特征信号，该信号也会因定、转子间的耦合关系而从定子侧 的电流中表现出来，从上章的电机故障时转子电流波形仿真图中就体现出这个特征，因 此若能将在定子电流信号中的绕组故障特征频率分析出来就能以此特征来判断定子故 障的程度【4 ，2 5 1 。 感应电机每相绕组是由若干线圈串、并联构成的，以定子a 相为例，在忽略高次谐 波及其并联支路数为1 的情况下，每相绕组的磁势为： 脚) = 詈等，羲知c o s v o s i n ( 2 矿+ t p ) ( 3 - ) 式中：等为每相安匝数；为v 次谐波的分布系数；k 。为基波分布系数( 分布系数均 小于1 ，且谐波系数越高分布系数越小) ；0 为槽距角；f 为电源基波频率：刀= 1 ，2 ，3 ，。 根据电机学理论可推导出，当定子三相绕组对称时( 每相间相差1 2 0 0 电角度) ，定子 电流将产生三个单相绕组磁势，而三相磁势在空间的分布和随时间变化上都相差1 2 0 0 电 角度，其它两相磁势表示为： 唧) = 昙等，妻，知c o s v ( 0 + 1 2 0 。) s i n ( 2 矿+ 1 2 0 。删( 3 - 2 ) w ) = 昙等，蠢。知c o s v ( 0 - 1 2 0 。) s i n ( 2 妒- 1 2 0 。m ( 3 - 3 ) 综合式( 3 - l h 3 - 3 ) 得出三相绕组的合成磁势为： 1 3 l p a r k 变换是建立感应电机数学模型的中常用的变换方法，它是将三相a b c 坐标系变换 到静止的两相d 、g 坐标系下来分析电机状态的一种数学方法 2 1 】，基本原理图如图3 1 所 示： 1 4 广西大掌硕士掌位论文感应电机定子绕组故障在线监胡g 与检钡口方法研究 i c i q 图3 1 轴系坐标变换图 f i g 3 - 1a x i sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n m 匝 i d 在三相a b c 坐标系下和两相d 、g 坐标系下，绕组匝数分别是膈口砸，两组坐标系下 都通过正弦交流电并产生合成磁势：f s ，两组坐标系都是以旋转，按图上所示两者的 合成磁势相等，当设定a 相坐标系轴与拥坐标系轴重合时，可以推导出如公式( 3 5 ) 和 ( 3 - 6 ) ： m i a = n + 舰c o s ( 1 2 0 。) + f cc o s ( 2 4 0 。)( 3 5 ) 勺 屹= o + 心s i n ( 1 2 0 。) + 朋。s i n ( 2 4 0 。)( 3 - 6 ) 式中：屯、i b 、i c 分别为三相坐标系下三相绕组电流，幻、乇分别为两相坐标系下绕组一 电流。 由式( 3 5 ) 和( 3 6 ) 得到矩阵形式为： n 削2 一m 为了得到矩阵变换，加入式( 3 - 8 ) ： 1 1 2 o 鱼一 2 u i o = 船v ( 屯+ 屯+ t ) 当感应电机三相对称时，i o = 0 ，从而得出矩阵为： m 川2 万 l j 由可变换矩阵可逆推导出： kk 1 l 一一 2 n 压 u 一一 2 1 5 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) b如如 liioii卫 rcj一，_。一2以一2 0b0 上击可 l 广西大学硕士学位论文 感应电机定子绕组故障在线监测与检测方法研究 一n ；压，k ：一1矿2 、丁一i 综合式( 3 7 ) 一3 9 ) 可以推导出三相坐标系到两相坐标系的p a r k 变换方程为： ；： = 存 1 2 2 ( 3 一l o ) 3 2 2p a r k 矢量变换的定子匝间短路故障检测与仿真 通过上面的p a r k 变换原理，可以将电机定子三相电流屯，i b ，屯从三相坐标系转换到d 、 g 坐标系下可以得到如下公式： 耐= 屈一嘉一去t p 幻= 去如一万1 t(3-12) 驴忑一万k 式中：屯，i b ，i c 分别是电动机定子三相电流， 在理想情况下，该三相电流按正弦规律变换并相互相差1 2 0 0 ，如下公式： ii 。= i 。c o s ( c of ) i 6 = ，。c o s ( t 一1 2 0o )( 3 - 1 3 ) lf 。= i 。c o s ( f +