異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障特征頻率分析

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障特征頻率分析

1轉(zhuǎn)子故障的影響異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)常見故障包括旋轉(zhuǎn)誤差和氣勢(shì)差。氣隙偏心又分動(dòng)態(tài)偏心和靜態(tài)偏心2種形式。各種轉(zhuǎn)子故障都會(huì)在定子電流中產(chǎn)生相應(yīng)的特征諧波分量。即使正常的電動(dòng)機(jī),由于轉(zhuǎn)子開槽的影響,也會(huì)存在齒諧波,故障時(shí)更會(huì)增加諧波成分。1.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生成一旦轉(zhuǎn)子出現(xiàn)導(dǎo)條斷裂,轉(zhuǎn)子將成為一個(gè)非對(duì)稱的多回路系統(tǒng)。即使定子外加三相對(duì)稱基波電壓,由于轉(zhuǎn)子的非對(duì)稱性,定子電流中將出現(xiàn)故障特征分量。當(dāng)定子外加三相對(duì)稱電壓時(shí),定子電流基波分量產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中,感應(yīng)出頻率為sf1的電勢(shì)和電流,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱使轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在定子電流中感應(yīng)頻率為(1-2s)f1的電勢(shì)和電流,該電流分量和磁場(chǎng)作用使電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生頻率為sf1的振動(dòng),從而在定子電流中出現(xiàn)頻率為(1+2s)f1的頻率成分。經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子的多次電磁耦合作用在定子繞組中出現(xiàn)諧波電流的頻率如下:fbrb1=(1±k2s)f1(1)文獻(xiàn)分析表明,頻率為fbrb2=[k(1-s)/p±s]f1(2)的諧波成分也能在定子電流中檢測(cè)到,對(duì)于正常的繞組配合電動(dòng)機(jī),k/p=1,5,7,11,13,…。1.2轉(zhuǎn)子槽數(shù)法(PSH)及出現(xiàn)偏心故障時(shí)定子電流中的特征頻率計(jì)算公式由于轉(zhuǎn)子齒槽效應(yīng)的影響,即使正常的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的定子電流中也存在轉(zhuǎn)子槽諧波,在無傳感器的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中往往用此計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。存在偏心現(xiàn)象時(shí),在槽諧波周圍會(huì)引起邊頻。這些頻率的通用表達(dá)式為:fslot+ec1=[(kR±nd)(1-s)/p±v]f1(3)式中k為任意正整數(shù);R為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù);v=1,3,5,…,為定子磁勢(shì)諧波次數(shù);nd為動(dòng)態(tài)偏心的階數(shù)。nd=0,且k=1時(shí),式(3)對(duì)應(yīng)的頻率為基本槽諧波頻率;nd=0,k=3,5,…,式(3)對(duì)應(yīng)的頻率為靜態(tài)偏心產(chǎn)生的諧波頻率;nd=1,2,3,…,式(3)對(duì)應(yīng)的頻率為動(dòng)態(tài)偏心產(chǎn)生的頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)較大時(shí),這些特征諧波頻率較高,從而對(duì)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的采樣頻率、運(yùn)算速度和內(nèi)存要求較高。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算出來的頻率與斷條故障特征頻率重疊的機(jī)會(huì)很小,但需要提供轉(zhuǎn)子槽數(shù)。偏心現(xiàn)象存在時(shí),另有一個(gè)公式可用來計(jì)算復(fù)合偏心在基波周圍引起的邊頻:fec1=f1±m(xù)fr(4)式中fr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率,其大小為f1(1-s)/p;m為正整數(shù)。式(4)給出的計(jì)算公式簡(jiǎn)單實(shí)用,不需要電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù),不足之處是頻率與式(2)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)條斷裂特征頻譜容易重疊。2試驗(yàn)對(duì)象和設(shè)備2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象的確定為了能較準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)子故障現(xiàn)象,選用了一臺(tái)湖北電機(jī)廠新出廠的Y100L1-4型鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。2.2模擬信號(hào)采樣主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為中國(guó)電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所研制的DI1024便攜式波形記錄儀,該儀器可同時(shí)采樣8路模擬信號(hào),采樣率可高達(dá)為50000次/s。所帶負(fù)載為一臺(tái)2.5kW的直流發(fā)電機(jī)。為保證測(cè)量精度,采樣率定為10000次/s。測(cè)量得到的波形文件經(jīng)轉(zhuǎn)換,可變成文本文件,然后用MATLAB進(jìn)行FFT頻譜分析。3偏心故障的特征成分幅值的統(tǒng)計(jì)分析本次實(shí)驗(yàn)為仿真偏心和斷條故障,人為地設(shè)置了氣隙的偏心和斷1根、斷2根、斷3根轉(zhuǎn)子導(dǎo)條等復(fù)合故障,其中斷2根轉(zhuǎn)子導(dǎo)條時(shí)的數(shù)據(jù)由于設(shè)置及測(cè)量失誤而不予采用。額定負(fù)載時(shí)(測(cè)得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1440r/min),電流信號(hào)(使用A相電流)經(jīng)頻譜分析后與式(1)～(4)對(duì)應(yīng)的主要頻率成分的幅值(單位為dB)統(tǒng)計(jì)如表2～6所示,沒列入表中或已列入但沒有數(shù)據(jù)和標(biāo)志的說明該頻率成分的幅值太小,難以捕捉到。表2中加注上標(biāo)*的頻率成分與表5中偏心特征頻率重疊;加注**的幅值部分說明頻譜曲線平穩(wěn)變化,沒有局部極大值,不能作為診斷用。分析表2～6的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可得出幾點(diǎn)結(jié)論。a.對(duì)于斷條故障,式(1)比式(2)更為有效、實(shí)用。當(dāng)只有斷條故障存在時(shí),隨著k值的增加,由公式計(jì)算出的特征成分的幅值有規(guī)律地減小。表2的數(shù)據(jù)基本上反映了此規(guī)律,只是當(dāng)k取5以上的值時(shí),由于與偏心故障的特征頻率重疊而使趨勢(shì)發(fā)生了變化。由表3不難看出,使用式(2)計(jì)算出來的特征頻率成分,當(dāng)k/p=1時(shí)比較突出,而該頻率已由式(1)反映出來了。其他的只有k/p=5時(shí)才稍微明顯些,在偏心與斷條難以診斷時(shí)可作為輔助判據(jù)使用。b.表4反映出基本槽諧波的幅值較大,是計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的有效工具;表4和表5表明在頻率計(jì)算式fslot+ec1=[(kR±nd)(1-s)/p±v]f1中,只有nd=0,1,k=1,v=1,3時(shí),對(duì)應(yīng)的基本槽諧波、偏心故障產(chǎn)生的特征成分的幅值才較大,取其他值的意義不大;同時(shí)還發(fā)現(xiàn),只有v前取“+”號(hào)時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率成分的幅值才較大。c.表6表明式(4)對(duì)應(yīng)的偏心特征頻率成分的幅值也應(yīng)是隨著m的增大而有規(guī)律地減小,只是由于與斷條的特征頻譜有所重疊才使m取3以上的值時(shí)規(guī)律被破壞。d.斷條和偏心故障的頻譜重疊容易造成誤判,但仔細(xì)觀察表2和表6不難看出,式(1)中k取較小值時(shí),特征成分主要反映斷條特征,與此重疊的偏心頻率成分影響已很小,因?yàn)槭?4)中m的取值已較大;反之,式(4)中m取較小值時(shí)對(duì)應(yīng)的特征頻率成分主要由偏心故障產(chǎn)生,這些頻率對(duì)應(yīng)的斷條頻率計(jì)算式(1)中k的取值較大,對(duì)幅值的影響很小。如果在測(cè)量或利用基本槽諧波計(jì)算出轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上,分析和計(jì)算斷條和偏心特征頻率的前幾項(xiàng)(如k和m取1～5的值)的幅值,辨識(shí)其變化規(guī)律,同時(shí)尋找二者不重疊的部分,是可以盡量避免誤判的。若輔之以式(2)和(3)的結(jié)果,則更可以實(shí)現(xiàn)兩種故障的準(zhǔn)確分離。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文在總結(jié)了鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障時(shí)定子電流中可能的故障特征成分的頻率計(jì)算公式后,利用對(duì)一臺(tái)Y100L1-4型鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,驗(yàn)證了各公式的有效性及各計(jì)算公式中有關(guān)參數(shù)的取值范圍,并提出了一些對(duì)轉(zhuǎn)子故障診斷有益的結(jié)論。0狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障模型使用在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的早期異常,從而避免失效和高價(jià)格的維修,防止產(chǎn)量下降及其帶來的經(jīng)濟(jì)損失,但這一切均建立在診斷的可靠性上。異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法有很多形式,根據(jù)使用的信號(hào)不同有振動(dòng)監(jiān)測(cè)、電流監(jiān)測(cè)、磁通監(jiān)測(cè)、局部放電量監(jiān)測(cè)等。由于電流監(jiān)測(cè)可做成非侵入式,因而得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障