常見(jiàn)交流電機故障診斷分析

當前社會(huì )工業(yè)、農業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活都對動(dòng)力源提出了新的要求，在化石能源日漸枯竭的今天，交流電機已成為zui主要的動(dòng)力輸出設備，數量與應用范圍越來(lái)越廣。為了適應生產(chǎn)的需要，交流電機的容量不斷增大，所組成的系統規模越來(lái)越大，構成越來(lái)越復雜，所以降低其故障率提高可靠性的要求也越來(lái)越高。作為系統中重要的動(dòng)力輸出源，交流電機一旦出現故障，便導致整個(gè)系統無(wú)法工作，引起系統癱瘓，其經(jīng)濟損失不可估量。因此近些年來(lái)電機故障診斷技術(shù)引起專(zhuān)家和技術(shù)人員的高度重視。針對故障診斷社會(huì )上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出科技含量較高的診斷設備。

1、電機故障診斷的特點(diǎn)

交流電機動(dòng)力輸出原理是把電能轉換成機械動(dòng)能，系統較為復雜，包括電路系統、磁路系統、絕緣系統、機械系統、通風(fēng)散熱系統等。任何一個(gè)子系統工作狀況不好或其間銜接出現問(wèn)題，便會(huì )使整個(gè)系統工作紊亂即電機出現故障。所以電機故障的成因復雜，涉及的專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域較廣，診斷難度較大，對電機維修人員也提出了較高的要求。一般來(lái)說(shuō)，電機故障診斷涉及到的專(zhuān)業(yè)知識主要有電機理論、電磁測量、信號處理、計算機技術(shù)、熱力學(xué)、絕緣技術(shù)、人工智能等。

電機故障的特征往往不明顯，具有隱含性，故障征兆也具有多個(gè)產(chǎn)生原因即故障原因的多元性。一個(gè)故障也可能表現出多種征兆，如籠型異步電機當鼠籠斷裂或端環(huán)開(kāi)裂時(shí)表現為機體振動(dòng)加劇，電流不穩定，定子電流增加（1~2 s） fl 電流分量、起動(dòng)緩慢、電機轉差率增加、轉速轉矩波動(dòng)等故障征兆，這些征兆之間有時(shí)獨立存在，有時(shí)同時(shí)存在。電機鼠籠斷條發(fā)生后，如果不及時(shí)停機檢查維修電，讓電機在故障下運行，將會(huì )造成更多的籠條斷裂，故障會(huì )加劇，zui終可能造成電機無(wú)法修復。有時(shí)不同故障起因也可能會(huì )反映出同一個(gè)故障征兆，這時(shí)就要逐一排查能夠產(chǎn)生該征兆的各種原因。另外，電機故障還與其負載情況、運行工作環(huán)境等有關(guān)，在不同的外在因素影響下，電機表現出的故障征兆是不同的，這又增加了對電機故障的診斷難度。所以必須要熟悉電機的構造、電磁學(xué)相關(guān)理論和運行狀況分析的具體操作技術(shù)，電機故障機理分析*。

2、交流電機故障機理分析

交流電機的故障機理分析中，對故障的所產(chǎn)生的征兆的分析篩選十分重要，現實(shí)中交流電機的故障會(huì )產(chǎn)生各種不同的征兆，有的征兆特征量較易監測到，有的很難監測。

在生產(chǎn)實(shí)踐中一線(xiàn)維修養護人員往往具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，因此要在熟悉診斷理論的基礎上，結合維護人員的具體操作經(jīng)驗，分析總結各種故障與征兆的關(guān)系，這是故障機理研究的重要內容。但是我們對診斷技術(shù)探討的不能止步，要在實(shí)踐經(jīng)驗的基礎上加強理論分析，通過(guò)建立數學(xué)仿真模型，進(jìn)行準確的定性分析，要利用現代先進(jìn)的計算機技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗分析，從而更加科學(xué)地尋找故障產(chǎn)生的根本原因，用計算機分析出可供具體監測的特征量。故障狀態(tài)是一種非正常的電機運行狀態(tài)，以往的普通分析方法已經(jīng)不再適用，因此實(shí)際工作的問(wèn)題產(chǎn)生了對理論研究需求。例如，三相異步電動(dòng)機定、轉子繞組故障是大中型異步電動(dòng)機常見(jiàn)故障，故障診斷的*步是建立故障狀態(tài)的數學(xué)模型，異步電機常用的分析方法是以相繞組為基礎，以多相繞組的總體效應分析電機，如等效電路法。若交流電機發(fā)生故障，定子或轉子繞組三相嚴重不對稱(chēng)，氣隙磁場(chǎng)有較強的空間諧波，電流中有較強的時(shí)間諧波，因此不宜采取上述方法，而應用"電流回路法"進(jìn)行分析，即從定、轉子單個(gè)線(xiàn)圈出發(fā)列出矩陣方程，定轉子繞組局部短路或開(kāi)路只需要改變相應電阻矩陣和電感矩陣的參數來(lái)表示，由此進(jìn)行仿真計算，得到負載情況、起動(dòng)情況，故障后定子電流、轉速、輸入功率等參量的變化規律，并提煉出與故障關(guān)系密切的幾個(gè)物理量為關(guān)鍵特征量。交流電機故障狀態(tài)電磁分析比較復雜，有的故障成因和故障發(fā)展各階段的征兆至今仍不十分清楚，因此無(wú)法確切掌握和提取這些故障的特征量。

3、交流電機的在線(xiàn)監測和特征量CPF 的提取從機理分析的結果中可以得到，交流電機的故障與特征參量的變化具有很強的正相關(guān)關(guān)系，根據具體故障，選擇與該故障相關(guān)性較強的有特征參量為該設電機在線(xiàn)監測的監測參量，實(shí)時(shí)記錄下這些主要的特征參量，這是診斷分析的基礎。

故障特征量（Characteristic parameters of thefault 以下簡(jiǎn)稱(chēng)CPF），特別是早期CPF 強度較弱，相反的干擾監測的其他信號較強，常用的傳統監測方法，傳感器受限因素很多，如準確性、微處理器的速度、A/D 轉換的分辨率與轉換速度等，而且過(guò)去的數據處理方式存在缺陷，所以提取CPF 難度較大，需要采用一些特殊的電工測量手段與信號處理方法。例如，小波變換原理的應用。小波分析是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，它是Fourier 分析的創(chuàng )新和發(fā)展，它可將一個(gè)被測信號通過(guò)小波變換，表示為具有不同頻率的諧波函數的線(xiàn)性益加，它的特點(diǎn)是具有多重分辨力來(lái)刻畫(huà)信號的局部特征的能力，因而它很適用于探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反?，F象，并展示其成分，這在旋轉電機的狀態(tài)監測及早期故障診斷中具有重要意義。

在故障診斷系統中，提取數據的可靠性，傳感器的靈敏和準確程度*，其次是信號的傳輸方式和數據預處理方式，為了使信號的傳輸不受噪聲的污染，在干擾較大的情況下，信號應在數字化處理后再進(jìn)行傳輸和分析處理。

4、交流電機故障狀態(tài)識別和判斷

電機故障狀態(tài)分析是將通過(guò)上述措施獲得的特征參數與規定的允許參數或判別參數進(jìn)行比較，以確定系統所處的狀態(tài)是否存在故障，故障性質(zhì)、部位和今后的發(fā)展趨勢等。診斷決策（控制） 是根據對電機狀態(tài)的分析與判斷，決定應采取的對應措施，進(jìn)行相應的調整控制。由于交流電機故障的復雜性以及故障原因與其征兆之間的關(guān)系并非全是一一對應的簡(jiǎn)單"對號"；上述的狀態(tài)分析與判斷決策過(guò)程，值得研究，就像是醫生診斷病人的疾病，電氣專(zhuān)家對電機故障的判斷同樣需要經(jīng)驗、理論和現代的數學(xué)工具。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )由于采用大規模并行處理方式，具有高度的自適應性、很強的學(xué)習能力和容錯性能以及分布式信息存儲的特點(diǎn)，因而與一些其他的診斷方法（如專(zhuān)家系統診斷方法，故障樹(shù)診斷方法等）相比具有較大的*性，其應用正不斷擴大。

鼠籠異步電動(dòng)機轉子斷條和轉子端部開(kāi)裂故障診斷，目前國內外一般是根據異步電機運行時(shí)，如果發(fā)生轉子斷條和轉子端部開(kāi)裂等故障，就會(huì )在定子電流中感應出頻率為（1~2 s） fl 的附加分量，其大小與轉子不對稱(chēng)的程度有關(guān)。但是由于異步電機穩態(tài)運行時(shí)轉差率S 一般很小，故（1~2 s） fl 的附加分量的頻率與基頻fl 很接近，且（1~2 s） fl 的分量的幅值很小，特別是在故障較輕的情況下，要用一般數據采集的方法辨析出該分量，獲其大小比較困難。實(shí)踐表明，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用于異步電機轉子故障診斷，可以獲得滿(mǎn)意的診斷效果。首先，建立合理的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，同時(shí)組成網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習、工作規則。經(jīng)仿真計算可知，三相鼠籠異步電機轉子斷裂或端環(huán)開(kāi)裂時(shí)，若帶有恒定負載，與正常運行電機相比不僅定子中出現含有頻率為（l~2 s） fl 的電流分量，而且還會(huì )出現轉速有所下降，定子電流，輸入功率有所增加，轉子未斷相導條電流增大等相關(guān)變化。