（电机与电器专业论文）基于负序旋转磁场的感应电机转子故障检测.pdf

摘要 a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o r sa r ew i d e l yu s e di nt h ei n d n s t r i a la n da g i l e u l t u r a lp r o d u c t i o n 笛 d r i v e r s i nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r kt o t a l1 0 a d t h ei n d u c t i o nm o t o r sc o m p o s e sa b o v e 6 0 w i t ht h ee l e c t r i cq u a n t i t y am o t o rf a i l u r en o to n l yc a nr e s u l ti nd a m a g et ot h e m o t o r , b u ta l s oc a na f f e c t st h en o r m a lp r o d u c t i o na n dl i f eo fp e o p l e w h i c hw i l lc a u s e f i n a n c i a ll o s s e sa n ds e r i o u sf a i l u r e s t a t i s t i c a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h er o t o r b r o k e nb a rf a u l t w h i c ha c c o u n tf o rn e a r l yl o o f t o t a li n d u c t i o nm o t o rf a i l u r e s ，i st h e m e s tf a m i l i a rf a u l tf o ri n d u c t i o nm o t o r s c o n s e q u e n t l y , r e s e a r c h e so nr o t o rb r o k e nb a r f a u l td i a g n o s i sa b l et od e t e c tt h i sk i n do ff a u l ta ta l le a r l ys t a g ea n da l s ot oa l l o wf o r c a r e f u l l yp l a n e dr e p a i ra c t i o n sa r co fg r e a ts i g n i f i c a n c e i no r d e rt og u a r a n t e et h em o t o r si ng o o dq u a l i t y ，e n a b l et h em o t o r sn o r m a l l y a p p l i e dt oe a c hr e a l mo fp r o d u c t i o n ，m o s te l e c t r i c a im a n u f a c t u r i n gd oe x p e r i m e n tt o e x a m i n i n gi ft h em o t o r sa r eh e a l t h y b e f o r et h em o t o r sl e a v ef a c t o r y r o t o rq u a l i t y e x a m i n a t i o ni sa l ll m p o r t a n tp a r t a tp r e s e n tt h eu n i v e r s a lm e t h o dt od i a g n o s i sr o t o rf a i l u r eu s e ( 1 + 2 s ) l ( si s s l i p ，正i s e l e c t r i c a ln e t w o r kf r e q u e n c y ) f r e q u e n c y c o m p o n e n t 髂t h ef a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c 1 1 1 e s om e t h o d sa l lh a v eo b t a i n e dg o o de f f e c tw h e nm o t o r so p e r a t i n g w i t hl o a d b u tw h e nm o t o r so p e r a t i n gw i t h o u tl o a d s l i pb e c o m ev e r ys m a l l c a u s e st h e f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i cc o m p o n e n ta l s ov e r ys m a l la n dh a r dt oe x a m i n e i ft h el e a v e s f a c t o r ye x a m i n a t i o nc a nc a r r i e do nu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o 1 0 a d t h ee x p e r i m e n t w o u l db em o r ec o n v e n i e n ta n de a s i e rt oo p e r a t e t h i sp a d o rp r o p o s e dan e wm e t h o dt o d i a g n o s i sr e t o rf a i l u r ew h e nm o t o r s o p e r a t i n gw i t h e u tl o a d n l em e t h o du s e st h r e e p h a s ei m b a l a n c e dv o l t a g es o u r c e 船 p o w e rs u p p l y t h e ( 3 2 s ) y , f r e q u e n c yc o m p o n e n t 船t h ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c w 池t h e f u n d a m e n t a lv o l t a g ec o m p o n e n ta n di t sh i l b e r tt r a i l s f o r m a t i o na se l e m e n t s a r e f e f e n c ec o o r d i n a t et r a i l s f o r m a t i o nm a t r i xi sc o n s t r u c t e d a f t e rt h r e et i m e sr e f e r e n c e c 0 0 r d i n a t et r a n s f o i m a t i o n , t h es t a t o rc u r r e n t sa r et r a n s f o r m e di n t ot r i p i es y n c h r o n o u s s p e e dr o t a t i n gr e f e r e n c ec 0 0 r d i n a t e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cc o m p o n e n t sa r ee x t r a c t e d ，a n d t h er o t o rf a u l ti sd i a g n o s e d t h es a m em e t h o dh a sb e e nu s e di ns i n g l e p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n er e t o rf a i l u r e d i a g n o s i s m e a n w h i l e t h ei n f l u e n c eo f u n b a l a n c e dm a s si sa n a l y z e da n de l e m e n a t e d k e y w o r d s ：t h eu n b a l a n c e do p r a t i o no ft h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r ；s i n g l e - p h a s e i n d u c t i o nm o t o r ；r e f e r e n c ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ；r o t o rb r o k e nb a rf a u l td i a g n o s i s ； f a u l ts e v e r i t yf a c t o r ；i m b a l a n c eo f m a s s i i 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 感应电机也称为异步电机是一种交流电机，主要作为电动机用。与其它各种 电机相比，感应电机具有结构简单，制造容易，运行可靠，效率较高，价格低廉， 坚固耐用，维护方便等优点。它在工农业生产，交通运输、国防等部门和日常生 活中获得最广泛的应用。例如，中小型轧钢设备、各种机床、起重机、鼓风机、 水泵、轻工机械和农副产品加工设备以及日常生活中的家用电器及医疗器械等 等，大都是用感应电机拖动的。在电网的总负荷中，感应电机用电量约占6 0 以 上【1 7 , 1 引。 感应电动机按其供电电网的相数，又可以分为三相感应电动机和单相感应电 动机两类。和容量相同的三相感应电动机相比，单相感应电动机的体积较大，运 行性能也较差，所以都只能制成小型和微型的产品。在我国，除了一些特殊需要 的专用电机外，目前大多数属于微型驱动电机，即机壳外径不大于1 6 0 毫米，或 轴中心线高不大于9 0 毫米，功率在7 5 0 瓦以下【憎, 2 0 l 。由于单相感应电动机可以直 接使用普通的民用电源，所以广泛地应用于各行各业和日常生活，作为各类工农 业生产工具、日用电器、仪表仪器、商业服务、办公用具和文教卫生设备中的动 力源，与人们的工作、学习和生活有着极为密切的关系。 电机的正常工作对保证生产过程的安全、高效、敏捷、优质以及低能耗运行 意义十分重大。在正常的运行条件下，感应电机结构比较牢固，使用寿命也比较 长，能够保证安全可靠的运行，但是其寿命终究是有限的。故障隐患也会随着电 机的老化而增加。在一些特殊的运行条件下，比如高温高压、潮湿等恶劣的环境 和反复启动、制动等复杂的运行机制，更容易导致电机故障。再加上电机本身某 些结构设计不合理，生产制造时存在的缺陷以及在电机使用过程中人为的操作不 规范甚至违章操作，更增加了电机发生故障的可能性【l5 ”j 。据不完全统计，全国 每年烧毁电动机数量约3 0 0 万台，容量在l o 亿千瓦以上。每年仅电动机在烧毁过 程中就耗电数亿万度，修理费高达数1 0 0 亿元。由于电动机故障造成停工停产损 失更是难以估计。因此，应采取各种积极的维护措施来消除或减少故障隐患，研 究开发先进可靠的电动机状态监测与故障诊断技术和方法，具有极其广阔的应用 前景。 1 2 电机故障诊断技术综述 1 2 1 电机故障诊断技术的发展概况 感应电机是由定子、转子、轴承和气隙等几个部分组成，因此最常见的故障 主要有定子故障、转子故障、轴承故障和气隙偏心等【”卫川。 浙江大学硕士学位论文 定子故障主要为定子绕组故障，是由绝缘破坏而引起的形式的故障，如内部 放电、匝间短路、相间短路和单相对地短路等等| 2 5 2 6 刀】。 转子故障主要为导条和端环故障，电动机频繁启动、制动和过载运行，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，引起故障p 啪j ”。 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【3 6 j 7 j ”。 气隙偏心故障主要是由于长期运行中电机负载过重，使得轴承过热而发生弯 曲变形，造成转子与定子之间的气隙不均匀，有时候也会因为安装不良引起。气 隙偏心有两种类型：一种是静态偏心，是由定子铁心内径的椭圆度或装配不正确 造成的，与转子位置无关；另一种动态偏心，是由转轴弯曲，轴径椭圆、l 临界转 速时的机械共振、轴承磨损等造成的，其偏心位置在空间是变化的，通常与转子 位置和旋转频率有关【3 4 j ”。 电机故障诊断技术目的就在于，能够在电机发生以上故障的早期，及时的检 测出来，并采取有效的措施，避免事故的发生。 电机故障诊断技术的研究始于六十年代，从这个时期开始，电机故障诊断技 术就形成了一个专门的研究领域。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，其中少数己发展成为正式产品。我国对电机故障诊断 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。自二十世纪九十年代以来的十几年间，伴 随着现代信号处理技术的迅速发展，加上测试技术的飞速发展，该技术也取得了 突飞猛进的进步 3 9 , 4 0 4 ”。 传统的电机故障诊断方法有：电流分析法，通过分析电流频谱对电机故障进 行诊断；绝缘诊断法，对电机的绝缘结构的性能进行检测，判断是否出现绝缘缺 陷；温度检测法，对电机各部位的温度进行监测；振声诊断法等等。 现代电机故障诊断技术常分为三类：基于解析模型的方法、基于信号处理的 方法和基于知识的方法。 由于基于解析模型的方法需要建立被诊断对象的较为精确的数学模型，而很 多情况下对象的数学模型较难建立，因此基于数字信号处理的方法和基于知识的 方法较为常用。 数字信号处理方法较常用的包括傅里叶变换方法、小波变换方法等；基于知 识的方法不需要系统的定量数学模型，且引入了诊断对象的许多信息，可以充分 地利用专家诊断知识等，常用的方法包括专家系统方法、模式识别方法和神经网 2 浙江大学硕士学位论文 络等方法。理论和实验表明，对于应用电流检测法对感应电机进行故障诊断，基 于数字信号处理和基于知识的方法是比较有效的。 1 2 2 感应电机转子故障诊断方法研究现状 感应电机的转子断条十分常见的电机故障之一，发生的概率高达1 0 ，转子 断条故障将导致电机出力下降，运行性能恶化。更严重的是，如果电机转子笼条 断裂后没有及时发现，而是继续使用，会使断裂笼条周边笼条的应力增大，断条 故障扩大，导致电机烧坏的现象，甚至还会由于转子扫膛而擦伤定子铁心，导致 整机报废，造成很大的损失。因此，必须对转子故障进行监测，在故障发生的早 期，把故障检测出来并及时维修，避免事故停机以及恶性事故的发生，这对安全 生产具有非常重要的意义。 当电机处于异常运行或故障状态时，必然会引起电压、电流、转矩、功率等 量的变化，而通过这些反映电机运行状态的物理量在故障前后的变化规律，可以 研究出各种电机故障诊断地方法。其中定子电流信号相对于其它参数受环境等外 界影响较小，而且在定子绕组中安装电流传感器较方便，信号也较容易采集，因 此长期以来是电机故障诊断的主要参数。 当感应电机转子发生断条故障时，定子电流中引入频率为磊，= ( 1 2 j ) ，= ( ， 为转差率，正为电网频率) 故障特征分量 i , 4 2 , 4 3 , 4 4 】。通过检测电机定子电流中是否 存在该频率特征分量及该频率特征分量大小来判断电机是否存在转子故障及故 障严重程度，这就是基于定子电流分析的转子断条故障诊断的基本思想。近年来， 随着信号分析技术以及各种人工智能算法的飞速发展，为了能够在电机故障早期 及时准确地检测出故障，专家学者们提出了许多基于电机定子电流信号处理的故 障诊断方法： ( 1 ) 傅立叶变换方法：傅立叶变换方法直接对定子电流信号进行频谱分析， 根据频谱中是否存在( 1 2 s ) f , 的故障特征分量来判断转子有无断条。通常情况 下，直接用傅立叶变换方法进行频谱分析并不能够有效的诊断出电机的故障。这 是由于转子故障特征分量在故障初期相对于基频分量的幅值 l i d , ，而且电机稳态 运行时转差率s 一般很小，导致故障特征分量和基频的频率十分接近。由于傅立 叶分析时的频谱泄漏的影响。故障特征往往被基频和环境噪声淹没而难以识别， 使检测( 1 2 s ) z 频率分量是否存在变得非常困难【1 4 5 1 。 为了解决傅立叶变换方法，工频分量泄漏淹没故障频率分量的问题，提出了 连续细化的傅里叶变换方法、短时傅立叶变换等改进的方法，取得了一定的效果。 ( 2 ) 自适应滤波法i 删和h i l b e r t 变换法h 1 ：这两种方法相同之处在于，在对 浙江大学硕士学位论文 定子电流信号进行频谱分析之前首先进行预处理，消除工频分量，以突出故障特 征量。 自适应滤波法是对定子电流进行自适应滤波处理，抵消定子电流基波分量， 在频谱图中突出( 1 2 s ) f , 频率故障特征分量，从而可以实现转子断条故障的诊 断，提高了故障检测的灵敏度。但是，作为简单的滤波过程，它也有可能过滤掉 故障特征分量，给有效的诊断带来困难。 h i l b e r t 变换法是对给定信号作希尔伯特变换，变换后的信号幅值不变，相位 作9 0 度改变。将变换前、后的信号作平方和，得到一新信号，对其进行频谱分析， 看是否存在2 识频率分量来判断有无断条故障。但是这种方法在异步电动机负载 波动较大时，难以区分负荷波动与转子断条故障，容易出现误判。 ( 3 ) 小波分析法唧1 】：由于电机转差率在启动过程中是连续变化的 ( 1 _ j 寸0 ) ，所以转子故障特征分量的频率( i 一2 j ) ，：在电机启动过程中也是变化 的，利用具有非平稳信号分析能力的小波变换技术对电机启动过程进行分析，通 过分析定子起动电流信号，根据小波脊线的波形来判断有无断条故障。这种方法 能有效消除基频分量的影响，具有抗噪声干扰性好，检测的准确性高的特点，在 电机转子故障诊断技术的发展历程中具有突破性的进展。但是由于其不能对电机 随时进行检测而使得应用场合有一定的局限性，而且该方法在断条数很少时，存 在灵敏度低的缺点，且难以给出电机故障严重程度的判断。 基于小波变换的故障诊断方法无需对象的数学模型，且对于输人信号的要求 较低，计算量不大，灵敏度高，克服噪声能力强，在故障诊断领域取得越来越广 泛的应用，作为处理和分析信号的工具有强大的生命力，是一种很有前途的故障 诊断方法。 ( 4 ) p a r k s 矢量方法 5 2 j l 5 4 , j $ l ：基于p a r k s 矢量方法的异步电机故障监测 方法，可以克服用傅里叶变换和小波分析方法作频谱分析进行故障诊断时候，特 性频率分量幅值较小，与基频分量太接近，容易被基频泄漏淹没这一缺点。该方 法的原理是将三相静止坐标系中的定子电流信号变换到两相静止叩0 坐标系中， 定义与f 。的合成矢量为p a r k s 矢量，则电机正常时，p a r k s 矢量在a 口o 坐标系中 的轨迹为一个圆形，而当电机出现转子断条故障时p a r k s 矢量在。够0 坐标系中 的轨迹变为一个椭圆的模式，通过对比p a r k s 矢量在平面上对应轨迹的不同即可 实现转子故障的识别。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，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。应用p a r k 矢量变换法对检测信号处理， 4 浙江大学硕士学位论文 具有频率分辨率高、检测准确度高的特点，但该方法却难以预测早期故障，只有 当故障发展到一定程度时才对轨迹有影响。因此，该方法需要克服的难点是如 何尽早发现故障。 ( 5 ) 基于人工智能的诊断方法【1 0 9 , 1 7 1 1 , 1 i l l , 1 1 1 3 , 1 8 4 , j l l 8 , 近年来，基于人工智能的诊 断方法得到了迅速发展，模糊逻辑、模式识别、数据融合、专家系统、神经网络、 支持向量机等智能方法都在电机故障诊断领域得到成功应用。这些方法以大量的 历史故障数据和专家的经验知识为基础，建立相应的输入输出映射关系，实现 电机故障的判断及分类。与传统的故障诊断方法相比，人工智能方法充分地利用 专家诊断经验知识和历史故障数据。不需要建立复杂的数学模型，具有强大的联 想记忆和分类能力、自适应和自学习功能在故障诊断领域起着特有的作用。当同 时对几类故障进行故障诊断时，通常采取其他方法，例如前述的傅立叶变换、小 波分析等数字信号处理方法与人工神经网络相结合的方法。 ( 6 ) 基于双p q 变换的感应电机转子故障诊断方法：文( 8 ) 提出了一种有效 的转子故障诊断方法。该方法利用电网电压基波正序分量及其h i l b e r t 变换构造 了新的坐标变换矩阵，该矩阵是三相定子坐标系与同步速度坐标系以，吼，0 之间 的变换矩阵。利用该矩阵将电机定子三相电流变换到正向旋转的同步速坐标系 下，可以得到电机定子三相电流中的工频分量变成了电机的有功功率p 和无功功 率q 的负值，以此定义该变换为p q 变换。而电机发生转子故障时，定子电流中 引入频率为厶= ( 1 2 s ) f , 故障特征分量经p q 变换后成为2 识的低频，而且在 p q 坐标系下的轨迹为一个椭圆。电机正常时，电机有功无功功率在p q 坐标系中 对应于一个点；当电机发生转子断条故障时，由于故障特征分量的影响，其有功 无功功率在p q 坐标系中则对应于一个椭圆。通过对正常和故障电机有功无功功 率在p q 坐标系中对应模式的识别即可实现转子故障的检测。 该方法将转子断条故障诊断转化为p q 坐标系下点和椭圆识别的问题，不仅 能够克服频谱分析方法工频泄漏的影响，还克服了p a r k s 矢量方法分析时，故 障早期图形识别难的问题。p q 变换矩阵的构造，避开了同步速坐标系变换时电 网频率的计算，使该方法不受电网供电频率波动的影响。 该方法还分析了电机故障与负荷波动的区别，通过对故障电机及负荷波动电 机有功无功功率在p q 坐标系下对应椭圆方向的识别，实现了电机负荷周期性波 动与转子故障的可靠区分。以直接由转子故障引起的功率分量幅值为转子故障特 征，得到了一个完全独立于电机惯量及负载等级的故障严重程度因子。通过实验， 证明了该方法是十分有效的。 1 3 论文选题及所做工作总体结构 目前普遍方法都是以转子故障时定子电流中引入的( 1 2 s ) z ( j 为转差率， 浙江大学硕士学位论文 疋为电网频率) 频率分量作为故障特征，进行转子故障的诊断。这些方法在电 机负载实验中都取得了很好的效果。但是在电机空载时，由于转差率s 很小，使 得( 1 2 s ) ，频率故障特征分量的幅值也很小，很难检测的到。 一般的电机制造企业，为了保证电机出厂时的质量，使电机能够正常的应用 于各生产领域，在电机制造完成投入使用之前，必须进行出厂实验，检查电机是 否正常无故障，其中转子质量的检测是非常重要的一部分。而电机的出厂检测如 果能在空载下进行，将有效提高实验的简便性，更易于操作。 本文在阅读学习了大量国内外学者对三相感应电机转子故障诊断方法研究 的基础上，提出了一种电机空载时转子断条故障诊断的方法，该方法采用三相不 平衡电压源对电机供电，以定子电流中引入的( 3 2 s ) f 频率分量作为故障特征。 利用电机端电压及其希尔伯特变换构造坐标变换矩阵，对定子电流进行三次坐标 变换，将定子电流变换到三倍同步速旋转坐标下，有效抽取了空载时的故障特征， 实现了转子断条故障的诊断。 本文还用相同的方法对单相感应电机转子断条故障进行了分析。在单相感应 电机空载实验中，发现了转子重心偏移的对定子电流的影响，解决了如何消除影 响，分离出转子断条故障特征的问题。 本论文主要做了如下工作： 第一章：在阅读了大量国内外相关技术研究文献资料的基础上，说明了电机 故障诊断技术的研究意义，阐述了感应电机常见故障及其机理，总结了国内外现 有常用的电机转子故障诊断方法及各自优缺点。最后，提出了本文研究的选题并 给出了本论文的主要研究内容。 第二章：简述了非圆形气隙磁场的基本原理。在此基础上，分析了在非圆形 气隙磁场下感应电机转子故障时，将会在定子电流中感应出频率为( 1 2 s ) z 和 ( 3 2 s ) 疋的故障特征分量，并详细推导了该频率分量产生的机理。 第三章：对文( 8 ) 提出的基于p q 变换的三相感应电机转子故障诊断方法 进行了仔细研究，以此为背景，提出了基于三次同步速旋转坐标变换的感应电机 转子故障诊断方法。利用电机电压基波分量及其h i l b e r t 变换构造了同步速坐标 变换矩阵，该矩阵是定子坐标系与同步速旋转坐标之间的变换矩阵。利用该变换 矩阵对定子电流进行三次坐标变换，将频率为( 3 2 s ) f , 的故障特征分量提取出 来，并通过对点和圆的识别区分正常和转子断条故障电机，实现转子断条故障的 检测。通过实验，验证了方法的可行性，也发现了理论分析与实验结果不一致的 地方，提出了进一步要解决的问题和研究方向。还给出了电机故障严重程度因子 的表示方法。 6 浙江大学硕士学位论文 第四章：分析了造成理论推导与实验结果不一致的原因，提出了转子重心偏 移对定子电流的影响。通过详细推导发现，当转子出现重心偏移时，将会在定子 电流中引入一组不同频率的电流分量，其中有一个分量与转子断条故障特征电流 分量频率相同，对实验结果产生干扰，造成实验结果与理论分析不符。利用这一 组干扰电流分量是相位相同的同步信号这一特点，从实验结果中消除转子重心偏 移地影响，提取出断条故障特征分量，取碍了很好的效果。 第五章：总结了论文的研究成果和创新之处，并对今后的工作进行了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于负序磁场的感应电机转子故障检测机理 2 1 概述 感应电机作为驱动装置在工农业生产中得到了广泛应用。其鼠笼型转子绕组 是电机的副边绕组，不由电源直接供电，而是由定子绕组产生的磁通感应产生电 能，转子绕组中感应电流的大小和频率均与转差率有关。当电机起动时，转子绕 组在短时间内将流过很大的电流，通常为稳态运行时的4 7 倍，使笼条承受很大 的冲击力，并很快升温，产生热应力，端环还要承受较大的离心应力。反复的起 动、运行、停转，使笼条和端环受到循环热应力和变形，由于各部分的位移量不 同，受力不均匀，使笼条在转子槽内不能充分紧固，最终导致笼条和端环因应力 分布不均而产生疲劳断裂。 在转子结构设计和制造工艺上也会存在一些问题。对于大容量的感应电机， 一般采用铜条作为转子导条，会有导条与端环局部焊接不良等情况的出现；对于 中小型的感应电机，包括单相感应电机，转子一般采用铝压铸的方式，在制造过 程中，容易出现转子导条有气泡甚至断条的情况，这些都会导致电机在投入使用 之前就出现了转子故障。 因此，一般的电机制造企业为了保证电机出厂时的质量，使电机能够正常的 应用于各生产领域，在电机制造完成投入使用之前，必须进行出厂实验，检查电 机是否正常无故障，其中转子质量的检测是非常重要的一部分。 目前转子故障检测的普遍方法都是以转子故障时定子电流中引入的 ( 1 2 s ) z ( j 为转差率，石为电网频率) 频率分量作为故障特征，进行转子故障 的诊断，这些方法在电机负载实验中都取得了很好的效果。但是在电机空载时， 由于转差率j 很小，使得( 1 + 2 s ) f , 频率故障特征分量的幅值也很小，很难检测的 到。 如果电机的出厂测试都需要在负载条件下进行，将会给操作带来很大的不 便，特别是对大型的感应电机，负载实验更是难以实现。能够找到一种合适的方 法，使电机的出厂检测如果能在空载下进行，将有效提高实验的简便性，更易于 操作。 采用不对称电压源对电机供电，以定子电流中出现的f 3 - 2 s ) f ，频率分量作为 故障特征，就能有效的实现电杌空载时的转子断条故障检测。 本章详细分析了感应电机不对称运行时转子断条故障的检测机理。 浙江大学硕士学位论文 2 2 非圆形磁场下感应电机转子故障机理分析 2 ，2 1 三相感应电机在不对称电压下运行 分析三相感应电机在不对称电压下运行的基本方法是对称分量法，即将不对 称电压分解成正序分量、负序分量和零序分量的三个对称的三相系统，然后分析 电机在各个分量单独作用下所得到的结果，再把它们叠加起来就得到电机在不对 称电压下的实际运行情况。 本文研究的三相感应电机定子绕组采用y 接法而无中线，则无零序电流，只 需分析正序和负序两个分量，将定子端不对称电压分解成正序和负序两个分量， 取大的分量作为正序电压q + ，小的分量作为负序电压驴一。 电机在三相对称正序电压以+ 系统作用下，由定、转子正序电流五+ 和厶+ 系 统产生的合成磁动势丘+ 将在气隙中建立正序的旋转磁场巨，而由转子电流的有 功分量厶。+ 与豆相互作用产生正序的电磁转矩虬+ 和电磁功率匕+ 。正序系统 的分析和计算公式与电机正常运行时完全一样。 同样，电机三相负序电压矾一系统的作用下产生负序的五一、厶一、e 一、豆、 m 一和p 聊一。电机的总电磁转矩蚝为虬+ 与m 删之和。 负序系统与正序系统的主要差别在于转差率的不同。转子对正序磁场的转差 率以为： l ：生竺：j 尼 转子对负序磁场的转差率为： j ：刍二! 二竺2 ：2 一! l = 竺：2 一j 一 啊啊 电机运行时，正序旋转磁场与转子转向一致，产生的正序电磁转矩肘。+ 为 驱动性质。负序旋转磁场与正序旋转磁场转向相反，因此与转子转向也相反，负 序电磁转矩m 一为制动性质。 可见，由于负序磁场的存在，致使电机最大转矩减小，过载能力降低，定、 转子铜耗增加，效率降低，温升提高，因此感应电机不允许在长期严重不对称电 9 浙江大学硕士学位论文 压下运行。 2 ，2 。2 单相感应电机 单相感应电机的发展已有近百年的历史，早在上世纪二、三十年代就大致奠 定了它的理论基础和基本结构。通常，根据起动和运行方式的特征，单相感应电 机可以分为单相电阻起动感应电机、单相电容起动感应电机、单相电容运转感应 电机、单相电容起动及运转感应电机、单相罩极感应电机。本论文的研究实验采 用单相电容运转感应电机。 图2 1 为电容运转电机的接线图。 苴 相 交 流 电 源 工 作 电 容 图2 - 1 电容运转式单相感应电机接线图 如图可见，单相感应电机定子有主绕组和副绕组，它们的轴线在空间相差9 0 。 电角度，由同一个单相交流电源供电。在副绕组回路中串接有一个电容器，不论 在起动还是运行时，主、副绕组都同时接通电源。 对称运行的三相感应电机与单相感应电机最大的区别在于两者气隙磁场的 性质是不同的。就基波磁场而言，在三相感应电机中，三相绕组通常是对称的， 在三相对称绕组中通以三相对称电流就会在电机的气隙中建立圆形旋转磁场。在 电机的正常运行范围内，基波磁场的变化很小。而在单相感应电机中，有两种情 况：在仅由主绕组单独激磁且转速为零时，气隙磁场为脉振磁场，这就是单相感 应电机没有副绕组时的起动状态；在一般情况下，气隙磁场为椭圆形磁场，而且 1 0 浙江大学硕士学位论文 在运行过程中，磁场的椭圆度将随负载而变，给电机性能带来很大影响。可见为 了研究单相感应电机的基本原理，必须从气隙磁场入手。 一、脉振磁势 只考虑基波时，接通电源，定子单相绕组中将会产生i = 2 ，c o s o ) s t 的电流， 单相绕组通单相交流电就会产生脉振磁势。以电机气隙圆周方向的空间坐标为 叉，令主绕组相轴位置为坐标原点( x = 0 ) ，可得沿气隙圆周空间分布的基波磁 势表达式为： f ( x ，f ) = fc o s x c o s 讲，t = f 2c o s ( x - ( d , t ) + 等c o s ( x + ( o s t )1 ) = 六( 工，f ) + a ( x ，f ) 幅值：，：三立z 。k 圳i ( 2 - 2 ) 石口 。 式中：乙。为绕组的串连导体数； p 为电机的极数； ，为电流有效值： q 为基波电流的角频率。 f ：c x , t ) = 委c o s ( x - - o ) ，t ) 是正序磁势； l ( x , t ) = 姜c o s o + ( o s ，) 是负序磁势。 可见，脉振磁势可以分解成幅值减半，速率相等而转向相反的两个圆形旋转 磁场。定子正序磁势建立的正序磁场与转子感生电流产生的正序磁场叠加成为合 成的气隙正序磁场，产生对应的正序电磁转矩；定子负序磁势建立的负序磁场与 转子感生电流产生的负序磁场叠加成为合成的气隙负序磁场，产生对应的负序电 磁转矩。 浙江大学硕士学位论文 t o 7 一 图2 - 3 单相感应电机机械特性曲线 正、负序电磁转矩的方向相反，大小与转子的转速相关。由图2 - 2 ，单相感 应电机机械特性曲线可见，当转子转速n = 0 时，正、负序电磁转矩大小相等、方 向相反，合成电磁转矩等于零，电机不会自己起动：当转子转速n 0 时，设转 子转向与正转磁场转向相同时作为转速的正方向，由图可见，正序电磁转矩大于 负序电磁转矩，作为驱动转矩，而负序转矩作为制动转矩。负序磁势的存在，将 使电机损耗增加，效率降低，合成电磁转矩下降，机械特性变软。更重要的是导 致电机起动转矩为零，因此仅有单绕组的感应电机是不能自起动的，需要一个副 绕组作为起动绕组，帮助单相电机起动，同时在电机运行过程中改善电机的运行 状况。 二、椭圆磁势 通常，单相感应电机的定子上嵌有主、副两相绕组，它们的轴线在空间上夹 角为目电角度，副绕组中串入适当地电容后再与主绕组并联接入电网。因此，主 绕组电路是感性的，副绕组则可能是容性的，主绕组电流在时间上落后副绕组电 流一个相位角妒。可以写出主、副绕组分别产生的定子基波磁势厶和五。 主绕组m ： 厶( x ，) = 巴c o $ ( x 一口) c o s ( o ) ，f 一矿) = 年c o s ( z 一甜，r ) + ( 妒一口) 】+ 争c o s 【( 工+ 曲，f ) 一( 妒+ 口) 】 ( 2 3 ) 二 = ，m ( 工，) + 兀。( x ，t ) 式中： 厶( x ，) = 每c o s ( x 一国，f ) + ( 妒一口) 】是主绕组正序磁势； 新江大学硕士学位论文 尼，( 石，f ) = ! c o s o + ，) 一( 妒+ 口) 是主绕组负序磁势。 副绕组a ： 正( x ，) = 兄c o s 工c o s 山，t ：粤c o s ( x - - a tx t ) + 争c 。s ( x + c o , t ) ( 2 - 4 ) = ( z ，f ) + 五。( 工，t ) 式中： 厶( z ，f ) = 等c o s o q f ) 是副绕组正序磁势5 厶( 石，f ) = 鲁c o s + q r ) 是副绕组负序磁势。 定子的合成磁势为： f ( x ，f ) = 六( 工，t ) + 五( x ，f ) = _ ( x ，f ) + 五。( x ，) + _ ( x ，f ) + 兀，( 工，f ) = e f i 。( x , f ) + - ，k ( x ，f ) 】+ 五。( x ，f ) + 五。( 工，f ) 】 ( 2 - 5 ) = 一( x ，f ) + 五( x ，t ) 式中： 乃( x ，f ) = 二( x ，f ) + _ ( x ，t ) ：墨2c o s ( x - - q t ) + 冬c 。s ( x - o j , t ) + ( 妒一矽) 】 2 - 6 为两绕组合成正序磁势。 五( x ，t ) = 0 ( x ，t ) + ，k ( x ，f ) = 冬c o s ( x + w , t ) + 每c 。s ( x + ( - o a t ) - ( 缈+ o ) 1 弘乃 为两绕组合成负序磁势。 由( 2 - 6 ) 式子和( 2 7 ) 式可见，通常情况下，有主、副两相定子绕组共同产生的 合成正序磁势与合成负序磁势，两者方向相反，而大小不同，它们共同作用，产 生空间合成旋转磁势，电机产生旋转转矩，能自行起动，此时，合成正序磁势起 驱动作用，合成负序磁势起制动作用。合成磁势幅值矢端点的轨迹是一个椭圆， 这就是椭圆磁势。 总之，椭圆磁势可以分解为两个速率相等、转向相反而幅值不同的旋转磁势。 当正、负序磁势大小相等时，就是脉振磁势：当负序磁势为零时，就成为圆形磁 势了。 浙江人学硕士学位论文 2 2 3 电磁关系示意图 通过感应电机的电磁关系示意图分别对非圆形磁场下感应电机转子正常时 和转子故障时两种情况进行分析： i 、非圆形磁场下感应电机转子正常时 定子电流频率旋转磁场速度 转子电流频率 图2 - 3 转子正常时电磁关系示意图 如图所示，电机定子基波电流在气隙中建立椭圆磁场，可以分解为两个速率 相等、转向相反而幅值不同的旋转磁场。其中正序磁场以角速度峨旋转，负序 磁场以角速度。旋转。正序磁场以相对速度j q 切割( 1 - j ) 角速度旋转的转子 导条，在转子根导条中感应出频率为s a 的正序转子电流；负序磁场以相对 速度( 2 一蛔切割( 1 一s ) q 角速度旋转的转子导条，在转子 r 根导条中感应出频率 为一( 2 一j ) 彳的负序转子电流。由于转子正常，相对称绕组中流通相对称电 流- 其中，正序转子电流在气隙中建立角速度为的旋转磁场，负序转子电流 在气隙中建立角速度为- - g l j 的旋转磁场。转子气隙磁场又在定子绕组中感应出基 波电流。 浙江大学硕士学位论文 2 、非圆形磁场下感应电机转子故障时 定子电流频率 旋转磁场速度转子电流频率 图2 - 4 转子故障时电磁关系示意图 如图可见，当电机出现转子故障时，定子侧和转子侧都不对称，定子气隙磁 场中以角速度。旋转的正序磁场以相对速度蚴切割转子导条，在转子导条中感 应出频率为j 一的转子电流。由于转子出现断条故障，转子不对称，转子电流 分成正序分量和负序分量两部分，正序分量在气隙中建立角频率为q 的转子磁 场，在定子绕组感应出基波电流；负序分量在气隙中建立角频率为( 1 2 s ) c a 的转 子磁场，在定子绕组中感应出频率为( 1 2 j ) 的电流分量，这种情况与三相感应 电机转子断条时相同。 以角速度m 旋转的负序定子磁场，以相对速度( 2 - s m 切割转子导条，在转 浙江大学硕士学位论文 子导条中感应出频率为- ( 2 一馥行的转子电流。由于转子出现断条故障，转子不对 称。转子电流分成正序分量和负序分量两部分，正序分量在气隙中建立角频率为 一峨的转子磁场，在定子绕组感应出基波电流：负序分量在气隙中建立角频率为 ( 3 2 s ) w 。的转子磁场，在定子绕组中感应出频率为( 3 2 s ) f 的电流分量，该频率 分量就是单相感应电机转子断条故障时特有的特征频率电流分量。以该频率分量 作为对象，以检测出该频率电流分量作为判断单相感应电机转子断条故障的依 据就是本论文说要解决的问题。 2 3 转子断条故障特征 详细推导单相感应电机转子断条故障( 1 2 s ) f , 和( 3 - 2 s ) f 频率故障特征电 流分量的产生机理： 将式( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 化简： 定子主、副绕组合成正序磁势： 力f ) = 厶( t f ) + 厶( x ，f ) ff = ： c o s ( x 一国f ) + 二 c o s ( x 一，) + ( 妒一口) 】 ( 2 8 ) = 乃c o s ( x f - o ，+ 办) 其中： 乃= 止每+ 譬c 。s ( 伊一剀2 + 【手s i 嘶一剀2 ，等粤酬删) c o s 办2 上七二 定子主、副绕组合成负序磁势： a ( x ，t ) = 厶( x ，t ) + 五。( x ，t ) = 拿c o s ( x + o ) s t ) + 譬c o s 俐一( f a + 8 ) 】 ( 2 9 ) = ec o s ( x + o ，t 一九) 其中： 1 6 浙江大学硕士学位论文 辱+ 冬州妒删 c o s 驴上皆 将单相感应电机的鼠笼型转子等效成空间位置互差1 2 0 。的三相对称绕线式 转子，以便于计算。当转子发生断条故障时，以断条位置作为等效转子三相绕组 中a 相绕组的相轴。记断条位置与定子主绕组之间空间相角为a 。 一、( 1 2 s ) a 频翠故障特征 对于定子主、副绕组合成正序磁势，根据b ( 以f ) = l a 生o f ( x ，f ) ，k ( 2 8 ) 可得 定子负序磁通密度为： 毋( 圳= 争乃c 。s ( 工咆h 办) ( 2 - 1 0 ) u o , t l 占分别为计算气隙的磁导率和磁路长度。 气隙磁链的表达式为： i j f ，( x ，) = b ( x ，t ) l r w i = 、王，c o s ( x 一出，f + 办) ( 2 - 1 1 ) 式中，为转子轴向长度，f = 石r 是定子内表面一个极区的长度，称为极距， 为定子绕组匝数，甲，= 争乃，f w l 。 由楞茨定律p = 一警- 考虑转子转速为( 1 一s ) 峨，可以得到转子等效三相绕 组的感应申势： e 阳= 鼍r s ss i n ( s w , t a 一0 t 肚= 甲，s o ) ss i n ( s c o , t 一口一办一1 2 0 。) ( 2 - 1 2 ) e k = 、警f s 国ss i n ( s a