（电力电子与电力传动专业论文）sati故障诊断方法及其智能化装置的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o rw i t hs q u i r r e l - c a g ea l u m i n u m - r o t o ri sw i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e a n d l o w p r i c e t h ep e r f o r m a n c e o ft h e a l u m i n u m r o t o ra f f e c tt h eq u a l i t yo ft h em o t o li no r d e rt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo ft h em o t o r a n dt e s tt h ea l u m i n u m r o t o ra u t o m a t i c a l l y , w ew r i t et h i st h e s i s ：r e s e a r c ho nt h ef a u l t d i a g n o s i sm e t h o d sf o rt h es a t i s h o r tf o rs q u i r r e l c a g ea l u m i n u m r o t o ro ft h r e e p h a s e i n d u c t i o nm o t o r ) a n di n t e l l i g e n te q u i p m e n t w i t ht h ev i e w so fb a s i ce l e c t r o m a g n e t i ca n de l e c t r i c a lm a c h i n et h e o r y t h i st h e s i s g i v e si n t e r p r e t a t i o n ，f a u l t c h a r a c t e ra n di t sc a u s a t i o no f t h ef a u l t so ns a t i t h ec o m m o ni n d u c t a n c ec o m p u t a t i o n a lf o r m u l a ea r es u i t e dt ot h en o r m a lc o n d i t i o n t h e s ef o r m u l a ec a n n o tb eu s e dt of a u l tc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h ew i n d i n gf u n c t i o na n d t h ee x p r e s s i o no fa i rg a p ，t h i st h e s i sg i v e so u tc o m p u t a t i o n a lf o r m u l a ef o rt h es t a t o ra n d r o t o ri n d u c t a n c ep a r a m e t e r si nt h ei n d u c t i o nm o t o ru n d e rb o t hn o r m a la n df a u l tc o n d i t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t st a l l yw i t ht h a to fe x p e r i m e n t s ，w h i c hi n d i c a t e sc o r r e c t n e s so ft h em o d e l s a n dt h ep a r a m e t e r sc o m p u t a t i o n t h ep r e v i o u sm e t h o d st oa n a l y s i st h es p e c t r u mo f l i n ec u r r e n ta l w a y sc a n n o th i g h l i g h t t h ec h a r a c t e r so ft h eb r o k e nb a rs i n c et h ef r e q u e n c yo f t h ef a u l tc o m p o n e n tj sv e r yc l o s et o t h ep o w e rf r e q u e n c y t h e r e f o r et h i sr e s e a r c hp r o p o s e st h r e ed i f f e r e n tf a u l td i a g n o s e m e t h o d ：( i ) t h em e t h o db a s e do nh i l b e r tm o d es p e c t r u ma n a l y s i s ( i i ) t h em e t h o db a s e do n v e c t o rc o n t r o l ( i i i ) t h em e t h o db a s e do ns p e c t r u ma n a l y s i so fi n s t a n t a n e o u sp o w e r w e c h o o s et h em e t h o db a s e do ns p e c t r u ma n a l y s i so fi n s t a n t a n e o u sp o w e ri nt h er e s e a r c h h a r m l e s s d i a g n o s i sb a s e do nu l t r a s o n i cc a ns h o wt h ef a u l to ft h et h es a t iv i s u a l i z e d w ec a nn o t i c ea l lt h ef a u l to fs a t is u c ha sc r a c k ，a i rb u b b l ea n do t h e r s w i t ha l lt h ef a u l t - a n a l y s i sa b o v e ，w es c h e m e dt h ed i a g n o s i sm e t h o d sa n de q u i p m e n t o fs a t i ，m a i n l yi n c l u d et h es t r u c t u r eo ft h ee q u i p m e n t ，t h es e n s o rp a r t sa n ds oo n t h i s t h e s i sw h i c hi n c l u d e t h e k n o w l e d g e o f e l e c t r i c s ，m a g n e t i c s ，a c o u s t i c s ， m a t h e m a t i c s , m e c h a n i s mi sh a r dt os o l v e ，w ea r en o th a v ee n o u g ht i m ea n dm o n e yt o f i n i s h e dt h es a m p l eo fd i a g n o s i se q u i p m e n t ，a n dw eh o p et h a tt h ec o m e rc a nf i n i s hi t k e y w o r d s ：s a t i ，f a u l td i a g n o s i s ，i n t e l l i g e n t “ 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 在传动领域，三相交流鼠笼式异步电动机因具有结构简单、价格低 廉、运行可靠、维护方便等优点而成为生产中使用最为广泛的能量转换 装置，在工农业生产中得到了广泛应用。特别是近年来随着交流调速技 术的发展，鼠笼式异步电动机在一些高性能传动领域也占有了一摩之地。 统计表明异步电动机实现了工农业生产中一半以上的能量转换，其运行 状态直接决定了生产线的安全以及产品的质量【l l 。 实际生产过程中s a t i ( s q u i r r e l - c a g ea l u m i n u m r o t o ro ft h r e e p h a s e i n d u c t i o n m o t o r ) 由于工艺原因，可能存在瑕疵。转子铝条气泡、转子铝 条断裂、转子铝条偏心、转予铝条细窄不匀以及劣质铝合金等问题都将 严重影响电动机的性能。这些问题严重影响电动机的效率和起动、运行 特性，还会造成转子不对称并且是电动机质量的一大隐患1 2 1 1 3 1 。 综上所述，s a t | 性能的优劣，直接影响电动机整机质量的高低。因 此研制s a t i 性能测试装置，自动、快速、准确地检测转子性能，严格 地控制电动机产品质量，具有重要的现实意义。 1 1 研究的现实意义 异步电动机由于其优良的性能得到了广泛的应用，实现了工农业生 产中一半以上的能量转换。而s a t i 性能的优劣，直接影响电动机整机 质量的高低。因而从生产源头上控制异步电动机质量，优化能源的转化 就显的尤为重要。 三相鼠笼式异步电动机在实际生产过程中铸铝转子由于工艺原因， 可能出现铝条或端环中有杂质、气泡、断裂、细窄不匀以及劣质铝合金 等问题，这些都将严重影响电动机的转子性能，从而严重影响电动机的 整体质量【2 i 【引。为了从生产源头上严格控制出厂三相鼠笼式异步电动机 的质量，研制s a t i 性能测试装置，自动、快速、准确地检测转子铝条 性能，严格地控制电动机产品质量，就显的尤为重要，也为电动机生产 武汉理工大学硕士学位论文 企业自动快速准确地检测转子毛胚铝条质量缺陷提供了一条途径。 本课题从工业生产需要出发，拟通过对转子铝条在电参数、磁场分 布以及超声波无损检测等方面综合测试。该智能测试装置能自动快速准 确地检测出转子铝条中的断裂条、细窄条、气孔条、偏心条、劣质条等 不合格转子铝条，并可得出转予是否合格的结论，且能将检测信息存储、 屏显和打印输出。 根据中国鑫磊工贸有限公司在生产s a t i 压铸过程中所出现的技术 难题( 转子铝条断裂、细窄不匀以及劣质铝合金等问题，由于铝条在转 子槽里面，外面很难检测严重影响电动机成品质量) 。武汉理工大学 自动化学院智能电器课题组对此技术难题非常感兴趣并愿意解决此技术 难题，通过精心策划研究，拟定了研制s a t i 性能测试装置的技术方案。 在本方案中将计算机技术和电力电子技术有机地融合在一起，软、硬件 相互配合达到了预期的且标。 经过这个课题的研究，我不仅对s a t i 压铸过程有了深入的了解、 对其缺陷的产生有了大概的认识，而且对这些缺陷的机理分析有了初步 的概念。在进行深入的理论分析的基础上，结合计算机和电力电子方面 的知识，充分发挥主观能动性，在导师指导下，在课题组的共同努力下 完成了该智能测试装置的初步设计。 1 2 研究动态与现状 鼠笼式异步电动机的故障诊断可以说是一个比较“古老”的话题，在 2 0 世纪初各国的研究人员就纷纷开始研究，一直到现在还是世人不断努 力的方向之一1 5 1 1 “。目前国内外进行的研究工作着重于已经装配好的电 动机的转子断条和偏心故障诊断技术的发展上。 当存在转子断条或静、动态偏心时，气隙中会产生谐波磁通量，它 在定子线圈中产生感应电流，由于它对供电频率的调制作用，引起铁心 振动及转矩和转速等技术参数和定、转子电阻的变化1 7 】。因此把这些变 化作为故障特征信号，以此迸行故障诊断。在故障特征信号的提取与分 析方面计算机技术的应用使电动机的发展经历了并继续经历着一场持久 的深刻的变化1 8 】。主要表现在三个方面： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算机使电动机的运行控制变得更为简便，也更为可靠，并使电 动机能以在线检测方式实现故障诊断和运行维护的智能化。 ( 2 ) 非线性特性和动态行为分析为分析传统电动机学中的研究难点 提供了一条有效的途径：计算机辅助分析( c o m p u t e r a s s i s t a n t a n a l y z e 简 称c a a ) 及数值仿真技术。这种技术可以虚拟实际系统，包括实际系统 难以实现的理想或极限运行工况以及各类故障行为的预示【9 1 ，这也为在 电动机生产的初始阶段发现电动机的潜在隐患提供了一种解决的思路和 方案。 ( 3 ) 借助于计算机和现代数值方法能从综合物理场的角度研究电动 机内的物理现象，求解出电动机内各类场的分布，电感参数等 1 0 l 。 电动机转子的故障诊断技术是在电动机技术和设备故障诊断技术的 基础上发展和变化而来的一个新的领域。在转子的故障诊断方面已经做 出的主要工作包括1 2 l 【4 l ： ( 1 ) 转子故障机理研究：研究转子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1 1 1 1 ： ( 2 ) 转子故障信号采集与处理：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 ) 转子故障特征提取：利用机理研究的成果，从状态信号中提取与 由转子故障特征有关的各种物理化学表征。 目前有关三相笼式异步电动机故障检测的方法虽然多种多样，但是 这些检测方法基本上都是针对已装配好的成品电动机。其中可以加以借 鉴的技术有l lz 】： ( 1 ) 发电机转子交流阻抗测试技术1 3 1 4 i 。转子交流阻抗测试通过捕 捉发电机在各种运行状态下的相关电压、电流、电抗、扭矩、漏磁参数 实现转子交流阻抗的计算。这种技术采用最先进的单片机、a d 转换技 术，其信号的采样、计数、测频、运算全部实现数字化和智能化，大大 提高了测量的精度和工作的可靠性1 5 】【1 6 儿1 7 1 。在这方面另外一种比较成 熟的技术是基于微处理器控制，用标准样本比较的方式测定绕线转子的 质量【18 1 。 ( 2 ) 转子交流阻抗测试技术 1 9 1 20 1 。捕捉电动机在运行状态下的相关 武汉理工大学硕士学位论文 电压、电流、电抗、扭矩、漏磁等参数并通过数据处理得到转子交流阻 抗。这种方法可以采用单片机、d s p 等数字化和智能化设施来实现，并 且可提高测量的精确度和准确度。另外还可以采用基于微处理器的标准 样本比较转子性能测试法【2 1 1 【22 1 ，并且这种方法是一种比较成熟的技术。 ( 3 ) 其它相关测试仪。北京盛汇恒科贸有限责任公司生产的0 4 b p r 压铸转子测试信号传感器可以自动完成压铸转子的测试信号的捕撮。 0 6 m 微处理器的压铸转子测试仪可以实现对中小型压铸转子的自动测 试，它可以测试转子的断条、气隙、气孑l 、磁条偏转角度、铝材料质量， 剩磁等，并且可以显示和存储响应波形，打印相关信息。这个测试仪可 以应用在实验室，质量中心和中小型生产线上，美中不足的是在测试中 需要人工装载。 通过以上介绍可知对铸铝转子的研究较多的停留在转子质量的在线 检测方面，对于转子毛胚的质量检测一直是一个薄弱环节。而在本课题 中，要求事先检测未装配转轴转子的铝条性能是否合格。这样以来我们 不但要借鉴转子质量的在线检测方面的理论和技术，而且还要考虑转子 毛胚的安装固定问题以及克服安装偏心对测试的影响。 1 3 本文完成的主要工作 该课题来源于企业实际生产中的技术攻关难题，课题研究从企业生 产实际需求出发，对s a t i 性能的测试进行了深入的研究和精心的策划， 设计了关于s a t i 性能的电测( 电流电阻参数测试) 、磁测( 磁场分布测 试) 以及声测( 超声波无损检测) 等综合测试方法与装置。具体而言： ( 1 ) 电测：即分别测量转子绕组( 铝条) 的电阻和电流，在正常情况 下，所测得的转子铝条电阻值越小( 电流值越大) ，表征转子铝条性能越 好。 ( 2 ) 磁测：即利用集成霍尔器件组成的聚磁检测器进行缺陷漏磁场检 测，由于这种检测装置所检测的信号信噪比大，因此其检测准确度很高。 ( 3 ) 声测：即利用超声波探测转子绕组( 铝条) 的缺陷( 诸如端环裂 缝、铝条裂缝、铝条气泡等) ，缺陷越多，转子铝条性能越劣。 这些检测工作完成以后，将这些检测信息送到微处理器中进行综合 4 武汉理工大学硕士学位论文 处理，并和标准转子信息进行比较，以得出转予是否合格的结论，并且 还能将检测信息存储、屏显和打印输出。 具体而言，每章的主要研究工作如下： 第l 章，对该课题的研究现状与动向进行了深入的探究。并客观地 分析了该课题研究的现实意义。 第2 章，结合s a t i 生产工艺，仔细研究了s a t i 缺陷产生的原因， 并对s a t i 故障诊断的策略进行了分析与研究，为后续章节提供s a t i 故 障诊断的理论方法与相关设施蔸定了基础。 第3 章，全面系统地分析和研究了s a t i 故障的产生机理，并建立 了异步电动机的仿真模型，为仿真实验提供了理论依据。 第4 章，提供了s a t i 故障诊断的理论方法。由于故障成分的频率 很接近电源频率，因此使用传统的线电流频谱分析方法往往难以捕捉断 条故障特征。为了实现两个频率信号的分离以及断条信号的捕捉和辨识， 文中采用并改进了下列三种方法： ( 1 ) 基于h i b e r t 模量频谱分析的s a t i 故障诊断方法。 ( 2 ) 基于矢量控制s a t i 故障诊断方法。 ( 3 ) 基于瞬时功率频谱分析的s a t i 故障诊断方法。 第5 章，构建了s a t i 故障诊断的具体设施，并精辟论述了电测、 磁测和声测的基本工作原理、数据和图象处理方法。 第6 章，精心策划了该测试装置的相关机械结构和传感器组件等设 施。 第7 章，对课题研究工作进行了总结，并对有待完善和今后需要继 续研究的问题进行了客观的综述。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章转子铝条常见故障 转子铝条承载了感应电动势、感应电流和电磁转矩，是整个电动机 的核心部件之一，它的质量好坏直接影响着电动机质量的好坏。转子铝 条常见故障有断条、气泡、粗细不匀、劣质铝合金等。 2 1 压铸转子生产工艺简介 早期鼠笼转子制作是通过用焊接方式连接插入鼠笼槽内的金属铜条， 焊接后在铜条端部形成一闭合回路。由于铜导体有价格成本高、焊接铜 导体的工艺难掌握、不利于规模生产等缺点，鼠笼转子采用焊接方式的 工艺被逐渐淘汰。随着工业化向前发展，出现了许多机械自动压铸组合 机床，如离心压铸机、立式压铸机、卧式压铸机等机械化设备【2 】。 卧式压力铸铝由于工艺操作简单( 易于规模化的生产) 、制造方便( 省 去了转子铁芯紧固件) 、转子结构对称紧凑( 易于达到机械上的平衡) 等优 点而得到广泛推广应用。其生产工艺可简洁概括如下 3 】 1 0 】： ( 1 ) 转子叠片。用电子秤称量一定数量的经发蓝工艺处理的转子冲 片，将转子冲片按冲压方向顺序排好，并按规定的斜槽角度在设备上进行 叠压和套上假轴。 ( 2 ) 熔铝。熔铝工作可同时进行，将铝锭放入已处理好的坩锅内进行 熔铝，熔铝特别是控制好浇铸铝水温度是整个压力铸铝的关键工艺之一， 将对转子质量产生重大影响。 ( 3 ) 去杂质。铝水在浇注前还必须进行除去杂质、灰尘等清化处理， 将干燥的清化剂压入坩埚底部并沿水平游动，清除液面上的渣滓，并将 覆盖剂均匀撒入液面后保温在7 l o 7 3 0 待用。 ( 4 ) 压力铸铝和退假轴。对压铸模进行预热，并吹扫干净，然后将转 子铁芯放入模具中，调整好压铸工艺参数，进行压铸。压铸好的转子经 过冷却后褪去假轴，这样一台转予毛胚就形成了。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2s a t i 常见故障现象及起因 后续检测只是对质量问题的弥补，如果可以把可能产生的质量问题 减少到最低程度，保证产品质量的稳定，是厂家更愿意看到的结果。转子 铸铝缺陷使电动机整机性能变坏，因此，要提高产品质量，必须严格铸铝工 艺，在实际生产中要根据具体情况及时分析检查各类缺陷，采取相应措施 加以排除h o l 。 生产阶段转子铝条常见故障现象及起因p 3 简要总结如下： 厂隔离断条：转子铝条内部形成隔离而断裂 ，断条 热断条：脱模过早，铝液流出：热套铝条拉力不够 辈l l 张力断条：外界压力大于铝的强度导致断裂 铝l 条lr 缩孔：铝液凝固时局部得不到足够的铝液补缩 常c气泡4 嚣l l 气孔：铝液凝固过程存在气体 障i 粗细不匀：离心作用下铝水浇的不足 l 、鸯质铝合金：劣质原料、杂质末除尽 当转子铝条的故障比较轻微时，一般难以观察到，当故障严重时会引 起振动及噪声增大、电流波动。转子故障对电动机整机性能的影响详见 第3 章。 2 3s a t i 故障测试对策 故障的测试与诊断方法的可靠性与所选择的测试量有密切的关系， 对于异步电动机而言，目前常用的测试量有【6 】【7 】：振动量、电气量( 包 括电流、电压、电阻) 、轴向漏磁通、轴电压等，此外还有基于参数辨识 的故障测试方法。 ( 1 ) 振动测试：利用振动传感器检测位置变化、速度变化或者加速度 武汉理工大学硕士学位论文 变化来实现对电动机轴承或机座的振动的测试。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，不同的故障或异常产生不同频率 的振动。但是，振动检测的局限性很大，首先，振动测试需要提供传感 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2 1 ，表中“为电源频率，f r 为转子电 流频率) ，难以区分，需要进行更深层次的分析来进行分辨。 表2 i 三相异步电动机常见故障的振动特征频率 故障类型主要振动频率 转子不平衡f r 转子轴向不对中 f r ，2 f , ，3 f , ，4 f r 静态偏心 2 f l 偏心 动态偏心f r ，f l 转子断条 c ，f l 定子绕组故障 f t ，2 f l ，4 f l ( 2 ) 电流测试：电流测试是鼠笼式异步电动机最常见、最有效的测试 方法，主要是因为电流信号容易采集，利用此方法制造的测试设备可以 做成非侵入式，便于与保护和调速系统集成1 1 2 1 。 理论分析和试验表明，故障情况下谐波分量的频率为： 厶= ；【( n a ) ( 1 一s ) p ( 2 k 一1 ) 】 k 2 l ，2 ，3 ( 2 - 1 ) 式中f t 为外加电源的频率；n 为鼠笼式异步电动机的转子铝条数；p 为电动机的极对数；s 为转差率；n d 为偏心参数，静态偏心时，n d = o ； 动态偏心时，n o = l 。 这种方法需要完整的转子结构参数，而且这些故障成分能否出现， 还受p 和n 的影响。实际上，动态偏心和静态偏心往往不是孤立存在的， 静态偏心发展到一定程度必然会引起动态偏心，二者往往同时存在。因 此，利用低频故障特征分量对偏心进行检测十分方便有效，其频率为： 厶= ；m f , ( 2 2 ) 式中f r 为转子电流频率，其大小为f 1 ( 1 - s ) p 。 武汉理工大学硕士学位论文 当转子铝条和端环呈现高阻态或断裂时，定子绕组电流中会出现基 频周围的边频带，其特征频率为： 石= ( 1 2 k s ) f , k = l ，2 ，3 ( 2 3 ) 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。但是常规的异步电动机额定运行时 的转差率很小，一般不超过0 0 5 ，轻载时更小，式( 2 3 ) 表明断条故障引 起的主要特征频率( k = l 时) 与基波频率很接近，在频谱曲线中很容易被强 大的基波所淹没，难以突出故障特征。 基于p a r k 矢量方法的异步电动机故障诊断方法的原理是：将定子三 相电流从( a ，b ，c ) 坐标下转换到静止坐标( n ，b ) 下，转换公式为h s ： = 4 2 3 i j 一( 1 4 6 ) i b 一( 1 4 6 ) i c( 2 4 ) p = 4 1 2 i b 一4 1 2 i c ( 2 - 5 ) 对于理想状态下的异步电动机，转换结果为： ：x - 6 1 * 广s i n ( t o t ) ( 2 6 ) ：4 6 i 。+ s i n ( 耐一7 ，2 )，m p 一：一 l z 。，j 其中i 。为相电流最大值，为外加电压角频率。可以看出，此时由 i 。，i b 形成的矢量的轨迹为一以原点为中心、6 ，。2 为半径的圆。实际 上由于制造工艺、安装方式、材料性能等方面的原因，正常电动机的矢 量轨迹只能接近为圆。当出现各种故障时，该轨迹会偏离圆轨迹，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联系。 还有一种e x t e n d e dp a r k s 矢量方法，该方法结合了电流频谱分析和 p a r k s 矢量分析方法的特点1 1 9 】。先将三相电流信号转换成i 。，i b 分量， 然后对i f 。+ f l ( 称为p a r k v e c t o r m o b u l u s ) 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过于接近难以分离的问 题。该方法的不足在于平方运算的引入不利于复合故障的检测。 利用现代信号处理手段对电流信号进行处理，来达到突出故障特征 的目的是电动机故障诊断研究的一个重要方向，尤其以小波分析的应用 最为活跃。小波分析被誉为“数字放大镜”，在信号的消噪、分频段滤波、 9 武汉理工大学硕士学位论文 奇异性检测等方面有着特定的优势。主要用于处理非稳定性信号，对于 稳定性信号优势不明显。 ( 3 ) 基于瞬时功率的测试与诊断方法：同时采样电压和电流信号，并 由它们构成瞬时功率，通过对瞬时功率的分析来进行故障测试与诊断， 是近年来的一种新途径。瞬时功率可分为由单个线电压和线电流构成的 瞬时功率，以及三相线电压和三相线电流构成的平均瞬时功率。前者对 转子侧故障较为有效，后者可以用于各种故障的测试与诊断。 ( 4 ) 轴向漏磁通和轴电压测试：j 下常情况下的电动机，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，总会存在定的轴电 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。通过测试它们可以发现某些故障。 这种测试方法需要在异步电动机转轴驱动端面上安装至少4 个与转 轴同心的、相互之问相差9 0 。的探测线圈，利用毕奥沙伐定理计算出端 部电流所产生的漏磁场与故障位置的关系，由探测线圈所感应的电压信 号来确定故障的大致范围。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。对轴电压测试而 言，需要将电压信号通过电刷和滑环引出，这种接触本身就不太可靠， 还会引起电压降落，使本来就微弱的信号很容易产生畸变。 ( 5 ) 基于参数辨识的故障测试方法：通常，被研究对象的输入量和输 出量都是可以测量的，内部参数和状态变量却不一定可以测量。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，确定适当的阈值。当测试出来的特征量超过该阈值时，就可做出被 测件故障的结论。 实际上，一般的可测量往往不能直接反映故障。在这种情况下，通 过建立对象的数学模型，故障发生时，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，测试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的分析和定位。这种方法的准确程度取决于 所建数学模型的准确或精确程度。 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。有学者认为转子铝条断裂时会使 i o 武汉理工大学硕士学位论文 等值电路中的的转子电阻参数增大，可以通过辨识转子电阻参数是否增 加来判定故障是否存在。但该结论中所使用的数学模型是异步电动机对 称状态下得到的，出现故障时，对称性被破坏，再沿用对称状态下的数 学模型值得商榷。 ( 6 ) 低频信号注入法：为了解决转子断条时基波周围的边频成分容易 被强大的基波淹没的问题，可以在定子绕组中注入低频信号。如图2 1 所示，低频信号发生器产生的低频电流信号经过互感器与电源信号混合， 一并旌加到电动机定子绕组上。由于低频电流信号只注入一相绕组，因 而会产生一定的附加脉振磁势。分析表明：当注入低频信号的频率为f i 时，由于注入信号的影响，转子断条时定予绕组中将感应出频率为 ( 2 2 s ) f | 士f i 的电势和电流。很明显，这些频率的特征成分是不会为基波 信号所淹没的。 来自电 原一盏b 至互感器 低频信号发生器 机 图2 1低频信号注入法原理示意图 不过这种方法也存在明显的不足：第一，硬件复杂，需要增加信号 发生器和电流互感器，第二，低频信号电流和气隙磁通作用会产生新的 交变转矩，增大电动机的振动与噪声。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章转子故障机理分析 转子故障是作用于转子的各种压力综合作用引起的，所以故障发展 过程中电动机的各种物理化学表征就成为检测故障特征信号与判断电动 机状态的依据。当转子出现断条或静、动态偏心时，气隙中会产生比较 严重的谐波磁通量，在定子线圈中产生感应电流，由于它对供电频率的 调制作用，引起铁心振动及转矩和转速等技术指标的变化1 4 j 。本章正是 在此基础上对转子故障进行了研究与分析，并在此基础上建立了鼠笼式 异步电动机转子无故障和有故障情况下的仿真模型。 3 1 概论 本部分从基本的电动机理论和电磁原理出发，深入分析了转子故障 情况下，定子电流频谱中各种特征频率成分( 1 千2 缸) _ ，；的产生机理，并将 该特征频率和偏心故障特征频率_ ，：m y , 区分开来，为后续故障测试与诊 断工作的展开打下了理论基础。 ( 1 ) 转子故障对电动机性能的影响1 0 儿2 3 1 转子故障可以分为转子断条、转子气泡、铝条粗细不匀、劣质铝合 金等，但是它们并不是孤立没有联系的，在实际测试中，转子故障一般 都可以归结为转子断条。转子故障对电动机性能的影响见表3 1 。 由表3 1 可以知道，转子断条、转子气泡、铝条粗细不匀几种故障 状态下外在表现和对电动机性能的影响基本一样，没有过大的区别。而 且这些故障也并不存在严格的区分，在绝大多数情况下，这些故障是同 时作用在电动机转子上的。 对于工业生产来说，在大多数情况下，只需要知道产品合不合格， 而对于这些分界并不明显的故障现象并不会深究。所以一般情况把端环 断裂、转子气泡、铝条粗细不匀都归结为转子断条，只是认为转子断条 的程度略有差别。在这种情况下也可以认为劣质铝合金故障是每一根铝 武汉理工大学硕士学位论文 条都有相同程度的轻微断条的一种特例。 监于此，后续部分将主要分析电动机转子断条这一故障。 表3 1转子故障对电动机性能的影响 转子断条转子气泡铝条粗细不匀劣质铝合金 隔离断条、热断铝液凝固过程离心作用下铝劣质原料、 产生原因 条、张力断条存在气体水浇的不足杂质未除尽 轻微故障难以 轻微故障难以轻微故障难以 觉察；故障严重 觉察；故障严重觉察；故障严重 外在表现时引起振动及 时引起振动及时引起振动及整体出力能 噪声增大，电流 噪声增大、电流噪声增大、电流力下降 波动；甚至破坏波动；甚至破坏 波动 转子的静平衡转子的静平衡 整机转子电阻整机转子电阻整机转子电阻 整机转子电 对电动机 增大。起动转矩增大，起动转矩增大。起动转矩 阻增大。起动 性能的影 减小，损耗增大，减小，损耗增大，减小，损耗增大， 转矩减小， 效率降低，转差效率降低，转差效率降低，转差 响整体出力能 率大及整机温率大及整机温率大及整机温 力下降 升高等升高等升高等 ( 2 ) 转子断条故障特征的研究f 。2 儿2 4 j ( 2 珂 如前所述，当转子出现断条故障时，定子电流中会出现频率为 以= ( 1 2 砖) z 、k = l ，2 , 3 的故障特征电流，其中频率为( 1 2 s ) f , 的电流为 最基本的故障特征成分。下面介绍其产生原因。 无故障鼠笼式异步电动机的所有转子铝条均匀分布，设转子铝条数 为n ，可将转子绕组看成是n 相对称绕组。当出现断条故障时，转子电 路结构上原有的对称性被破坏。 当定子外加三相对称电压时，定子三相基波电流会产生圆形旋转磁 势只。该磁势建立的旋转磁场将在转子绕组中感应频率为s f i 的交流电 势及同频率的电流。由于转子已不再对称，转子绕组产生的磁势为椭圆 型，该磁势可以分解成相对于转子的正转分量e 和反转分量最：。前者 与定子磁势e 相对静止，后者相对于定子参照系的转速为( 1 2 s ) n l ，因而 1 3 , 武汉理工大学硕士学位论文 会在定子绕组中感应出频率为( 1 2 s ) f t 的电势和电流。这种频率的电流构 成了转子断条故障的主要特征【2 矾。 基波和频率为( 1 - 2 s ) f i 的电流分量可分别表示为： i l = i ic o s ( o x 一口j ) j ；【卜2 ，) 2 h ，) c o s ( - 2 s ) a , , t 一。，) ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 式中为外加电源的角频率，1 1 、m ，) 、6 1 和口“。分别为基波、 频率为( 1 2 s ) f l 的特征成分的幅值和初相位。 不考虑故障影响的情况下，气隙基波磁通可表示为： ( f ) = 巾c o s t 一6 )( 3 3 ) 式中m 和分别为基波磁通的幅值和初相位。 于是，基波电流和基波磁通作用产生的转矩为： 五= 3 删ls i n ( a ，一口，) = 正。s i n 一 式中p 为电动机的极对数，t l 。为该转矩的幅值。 一恒定分量，这也是异步电动机进行能量转换的基础。 ( 3 - 4 ) 可见，该转矩为 频率为( 1 2 s ) f l 的电流分量和基波磁通相互作用产生的转矩为： 五i 一2 ，) o ) = 3 p 弘1 - 2 ”s i n ( 2 s a l ，t 一( 口，一口( 1 知) ) ) ：互i - 2 s ) r as i n ( 2 s m 卜一( 口，一口( 1 2 ，) ) ) ( 3 - 5 ) z - ( 3 5 ) 表明五m ，) ( f ) 以2 s f j 的频率交变，从而会引起转子转速的交 变分量a m ，( ，) 。 再结合拖动系统的增量型运动方程： ，坐竺盟：峨。) ( f ) d t l j j 、7 式中j 为拖动系统的转动惯量，砟为转子的旋转角速度。 积分可以计算出转矩的波动引起转速的波动值： 1 4 ( 3 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 岘= 吉心m “伽一 一3p010-2,)c。s(2s埘一(of#-；。(i-2s)(3-7)2m o o 、 ：一等挚咖研一( g t # - - 口( 1 - 2 s ) ) 2 d 切 、 转速波动幅值为： = 等( 3 - 8 ) 可见，该幅值与拖动系统的转动惯量成反比，转动惯量大时，可以 将转速的波动加以“滤除”。 与转子旋转角速度相比，有： 百a c o , m = 面a t i - 2 , ) 兰訾 ( 3 - 9 ) 百2 面三百 u 其中：( o r = ( 1 - s ) 竺兰竺 pp 显然南千转子转谏的波动会停从定子仞i 观测的机械角度发生变化： ，口= z 尝，z = c a 厶t - 2 埘 ) c o s ( 2 s c o t - ( - ：口t - 一：， ，4 。一。， = 一会芳s t n c z s 甜七，嘞。， 这样基波磁通的相位也发生相应的变化，可以重新改写为： 矿( ，) = 中c o s ( 耐一q 一! i ：；妾孑s i n ( 2 s 耐一( 哆一口。j ) ) ) = m c 。s ( 删一q ) c 。s ( ! 篡：戛孑s i n ( 2 s 耐一( 哪一q 。j ) ) ) ) ， ( 3 一1 1 ) + 嘶n ( 耐一) s i n ( 气筹警s i n ( 2 s 研一( a # - - o l ( 1 _ 2 s ) m 将上式中号墨爱等s i n ( 2 s 耐一( q q 。，) ) 对应的角度的正弦和余弦函 数按级数形式展开，并取其第一项，可得： 武汉理工大学硕士学位论文 ( f ) = 西c 。s ( 科一q ) 斗p 4 a s t 2 0 j - 脚2 2 ) , s i n ( 2 j 耐一( 一口( 1 也) ) ) s i l l ( 耐一) = 。c 。s ( 耐一口) + ：竺会；羞i c 。s ( 1 2 s ) c w a ( 1 _ 2 s ) ) ( 3 - z ) 一c o s ( 1 + 2 j ) 耐一( 2 a 一c ( i 2 ，) ) ) 此时的磁通在基波分量的基e st ，增加了频率为( 1 ：9 2 s ) f 的磁通附加 分量，它们将在定子绕组中感应出同频率的电势和电流，分别表示如下： e 。：，= 一w ! ! ： ；j 薏( - 一2 s ) 甜s i n ( ( - 2 s ) 叫- - g r ( 1 _ 2 s ) ) ( 3 一3 ) p ( 1 。) = w 竺饕严( 1 亿蛐( ( 1 亿妒( 2 唧：j ) ) ) ( 3 1 4 ) 式w 为定子每相绕组的有效匝数。因( 1 t 2 s ) f lj o b 差不大，这两个附 加感应电势遇到的阻抗相差无几，均认为为z ，这样附加电流可表示为： 札：j ) 挚笔墨毙乎( 1 墙蛐( ( 1 地矽- - 口( i - 2 s ) 。) ( 3 - 1 5 ) j ：【1 + ：。亍半= w 多毙乎( 1 他触( ( 1 亿胪( 2 0 # - - 1 a ( 1 _ 2 s ) ) ) ( 3 - 1 6 ) 由以上分析过程不难看出，当转子绕组出现断条故障时，首先在定 子绕组中产生频率为( 1 2 s ) f ，的电流分量i o 2 。、，该分量和气隙磁场作用， 产生以2 s f l 频率波动的转矩，进而使气隙磁通出现频率为( 1 千z s ) f , 的成 分，在定子绕组中感应出同频率的电势和电流。因此，考虑转速波动影 响时，频率为( 1 2 s ) a 的电流由。，】和。，) 共同构成。如果将上述过程 进一步分析，定子电流中频率为( 1 + 2 s ) a 的成分所产生的旋转磁场将在 转子绕组中感应出频率为3 s f i 的电势和电流，从而在定子绕组中感应出 频率为( 1 4 s ) f 的电流，依此类推，不难解释( 1 千2 b ) ，；电流成分出现的 原因。 ( 3 ) 转子偏，b 对转子断条故障的影响与识别【2 6 】 由于本课题研究的转子是尚未安装转轴的转子毛胚，所以在测试过 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 程中会存在不可避免的偏心现象。文章第4 章详述在偏心现象不可避免 的情况下，怎样通过转子偏心和断条的故障特征频率来区分这两种故障。 本部分将主要对偏心和断条的故障特征进行区分，完成偏心故障特征的 机理分析。 偏心包括静态偏心和动态偏心两种形式，往往同时发生。复合偏心 时的气隙长度为： 艿( 口，t ) = 民【1 一k ，c o s o k dc o s ( g o ，f 一口) 】 ( 3 - 1 7 ) 式中6 。为平均气隙长度，k 。为静态偏心程度，西，= ( 1 一s ) c a p 为转 子旋转角频率。 假设定转子绕组正常，定子外加电压为对称的三相正弦波，则由三 相绕组产生的合成磁势的k 次谐波可表示为： 五( 口，f ) = c o s ( 甜一印力 ( 3 - 1 8 ) 根据磁路理论，磁密、磁势和磁号之间的关系为： b ( o ，f ) = f ( o ，t ) 2 ( o ，f ) ( 3 - 1 9 ) 式中旯= 肌8 。 为使公式简洁，假设偏心不严重，对气隙的倒数进行简化，f o u r i e r 展开之后取低次项，可得： 1 d = 。1 - 三。 1 + k , c o s o + k d c 。s ( c o , t - 0 ) 】( 3 - 2 0 ) 定子k 次谐波磁势产生的磁密表达式为： 母b ( 口，f ) = 等生，0c o s ( t o t - , p o ) p + tc o s o k sc o s ( 脚, t 一口) 】 ，m 2 尝，k c o s ( 删一幼o + 等【c o s ( 耐一( 印_ 1 ) 0 + c o s ( 耐一( 印“妒) 】 + 皂【c o s + q ) f 一( 助+ d o + c o s ( o o 一啡) ，一( 助一1 ) 扔】) ( 3 - 2 1 ) = 酩c o s ( a t 一印回+ 碟杠”c o s ( 谢- ( k p 1 ) 口+ 础妒”c o s ( c o t - ( k p + i ) 0 ) + 口0 9 + 1 【c o s ( + ，) f 一( 1 p + 1 ) 护+ 量亭肇_ 1 c o s ( ( o 一国，) f 一( 助一1 ) 国】 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 利用定转子坐标系之间的关系0 = 脚，+ x