異步電動(dòng)機(jī)的常見故障分析

異步電動(dòng)機(jī)的常見故障分析

異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于通信發(fā)達(dá)領(lǐng)域。通過在線監(jiān)測(cè)技術(shù),能夠及時(shí)并準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障,從而采取相應(yīng)的維修策略,避免因電機(jī)的故障而導(dǎo)致事故的發(fā)生和對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。國內(nèi)外的許多學(xué)者在異步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域作了不少研究,提出了多種監(jiān)測(cè)方法,包括:振動(dòng)監(jiān)測(cè)、MCSA(MotorCurrentSignatureAnalysis,電機(jī)電流頻譜分析)、局部放電監(jiān)測(cè)、工況性能監(jiān)測(cè)和基于轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)的監(jiān)測(cè)等?；贛CSA監(jiān)測(cè)方法由于電流信號(hào)容易取得,可制成非侵入式,因此,大部分的研究集中在電機(jī)電流監(jiān)測(cè)中。文中對(duì)電流監(jiān)測(cè)和診斷方法作一個(gè)比較全面的介紹。1異步電動(dòng)機(jī)的常見故障1.1故障頻率及分析軸承故障的產(chǎn)生往往和電機(jī)安裝過程中的措施不當(dāng)有關(guān)。對(duì)于該類故障電流檢測(cè)方法,相應(yīng)的研究并不多見。軸承故障和轉(zhuǎn)子不對(duì)稱一樣都是和偏心相關(guān)的故障,文獻(xiàn)給出了軸承故障的特征頻率:fbng=f±nbfi,o(1)fi,o=n2[1±RBDRPDcosβ](2)fi,o=n2[1±RBDRΡDcosβ](2)fb=(1±2ks)f1(k=1,2,3…)(3)fecc=f1[(R±nd)(1-S)/p±nw](4)式中:f1為外加電源頻率;R為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù);p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)s為轉(zhuǎn)差率;靜態(tài)偏心時(shí),nd=0;動(dòng)態(tài)偏心時(shí),nd=1;nw=1,3,5…。2單-定功率譜法的故障監(jiān)控和診斷2.1基于fft算法的電流濾波常規(guī)的定子電流檢測(cè)系統(tǒng)包括4個(gè)部分,見圖1。采樣器的目的是采樣電動(dòng)機(jī)的一相電流。它包含2個(gè)步驟,一是通過低通濾波器將工頻激勵(lì)成分去除,另一個(gè)是采樣濾波后的電流。電機(jī)的相電流首先通過電流傳感器送至工頻闕值濾波器,從而將基波成分去除,然后再通過低通濾波將不需要的高頻成分濾除。預(yù)處理程序通過FFT算法將采樣的時(shí)域電流信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域。由該變換產(chǎn)生的電流頻譜僅包含每一頻率成分的量值信息。通過濾波后的電流頻譜經(jīng)過故障診斷算法處理后,可以確定相應(yīng)的故障類型。當(dāng)診斷系統(tǒng)確定了電機(jī)故障的類型后,后處理程序可以警告用戶存在的故障和潛在的危險(xiǎn),從而幫助用戶采取相應(yīng)的對(duì)策和措施,并且可以記錄電機(jī)相應(yīng)的信息。2.2瞬時(shí)功率的聚合反應(yīng)由于異步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率比較小,在輕載和空載狀態(tài)時(shí)更小,使故障特征難以突出,特別是轉(zhuǎn)子斷條在基頻成分周圍的邊頻容易被基波淹沒。文獻(xiàn)提出了基于瞬時(shí)功率信號(hào)頻譜分析的診斷方法。根據(jù)瞬態(tài)功率的定義,可以導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)在斷條、偏心以及兩種故障共同存在時(shí),瞬態(tài)功率的表達(dá)式。當(dāng)兩種故障同時(shí)存在時(shí):p(t)=3√2{Um1Im1[cos(2ω1t?φ)+cosφ]+Um1Ibp1[cos((2?2s)ω1t?φbp1)+cos(2sω1t+φbp1)]+Um1Ibn1[cos((2+2s)ω1t?φbn1)+cos(2sω1t?φbn1)]+Um1Iecp1[cos((2ω1?ωr)t?φecp1)+cos(ωrt+φecp1)]+Um1Iecn1[cos((2ω1+ωr)t?φecn1)+cos(ωrt?φecn1)]}(5)p(t)=32{Um1Ιm1[cos(2ω1t-φ)+cosφ]+Um1Ιbp1[cos((2-2s)ω1t-φbp1)+cos(2sω1t+φbp1)]+Um1Ιbn1[cos((2+2s)ω1t-φbn1)+cos(2sω1t-φbn1)]+Um1Ιecp1[cos((2ω1-ωr)t-φecp1)+cos(ωrt+φecp1)]+Um1Ιecn1[cos((2ω1+ωr)t-φecn1)+cos(ωrt-φecn1)]}(5)式中,ω1為基波電壓角頻率;Um1為基波線電壓幅值;Im1,Ibp1,Ibn1,Iecp1,Iecn1分別為基波電流、斷條故障對(duì)應(yīng)的2個(gè)特征電流分量、偏心故障對(duì)應(yīng)的2個(gè)基本特征電流分量的幅值;φ為基波電流落后于基波電壓的相位角;ωr為轉(zhuǎn)子角頻率;s為轉(zhuǎn)差率。由上述推導(dǎo)可以得知:線電流中的基波成分與瞬時(shí)功率中的恒定成分和兩倍頻分量相對(duì)應(yīng);線電流中頻率為(1±2ks)f1的斷條故障特征頻率分量與瞬時(shí)功率中的頻率為2ksf1,2f1-2ksf1的分量相對(duì)應(yīng);線電流中頻率為f1±m(xù)fr(fr為轉(zhuǎn)子頻率)的偏心故障特征頻率分量與瞬時(shí)功率中的頻率為mfr,2f1±m(xù)fr的分量對(duì)應(yīng)。因此由瞬時(shí)功率中的2ksf1與mfr的成分構(gòu)成轉(zhuǎn)子斷條和偏心的有效診斷標(biāo)志量,可以克服線電流頻譜中斷條特征頻率成分容易被基波淹沒的缺點(diǎn)。然而,在瞬態(tài)功率的頻譜中仍然包含著大量的噪聲信號(hào),與使用電流頻譜相比并沒有十分重大的改進(jìn),因此,定子電流仍然是診斷的主要手段。對(duì)于單向定子電流頻譜分析,國內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究工作,提出了基于Hilbert模量分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析等方法。這些都大大提高了故障檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性,但同時(shí)也增加了算法的復(fù)雜度和硬件開銷。3從定相電流頻率監(jiān)測(cè)到定相診斷由于采樣單相電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法存在著故障特征頻率容易被基波淹沒,相電流頻率成分豐富,特征不明確,識(shí)別困難和對(duì)波動(dòng)性負(fù)載容易誤診的缺點(diǎn),近年來,國內(nèi)外的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了基于定子三相電流頻譜分析,提出了新穎的監(jiān)測(cè)和診斷方法。3.1基于幾何-故障診斷法的故障信號(hào)提取方法20世紀(jì)90年代中期,CardosoAJM等國外學(xué)者提出了基于Park矢量方法的故障在線監(jiān)測(cè)和診斷方法。該方法的基本原理是:同時(shí)采樣定子三相電流,轉(zhuǎn)換到靜止的定子兩相坐標(biāo)系中,形成iα,iβ分量。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí),iα,iβ構(gòu)成的矢量軌跡為圓(在實(shí)際中,由于制造、安裝、材料的原因,矢量軌跡只能接近為圓)。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí),矢量軌跡會(huì)發(fā)生偏離,變成橢圓。橢圓長軸和短軸的變化和故障類型有關(guān),由此可以進(jìn)行故障診斷。該方法可以對(duì)氣隙偏心、定子繞組匝間短路和轉(zhuǎn)子繞組故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但該方法對(duì)早期故障監(jiān)測(cè)和診斷比較困難。文獻(xiàn)提出了基于ExtendedPark矢量方法。該方法將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成iα,iβ,然后對(duì)i2αα2+i2ββ2進(jìn)行頻譜分析。該方法將基波分量轉(zhuǎn)換成直流分量,且直流分量很容易被濾除,是一種有效的故障信號(hào)提取方法。但當(dāng)存在復(fù)合型故障時(shí),各種特征頻率成分互相作用,產(chǎn)生新的頻率成分,使頻譜變復(fù)雜,識(shí)別難度變大。3.2u3000轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康慕怦钜灶l率的確定假定異步電動(dòng)機(jī)同時(shí)存在定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條和偏心故障,將定子三相電流轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系M-T中,M軸指向轉(zhuǎn)子磁鏈方向,并且設(shè)M軸與定子a相繞組軸線夾角為θ=ω1+θ0。θ為t=0時(shí),M軸與a軸的初始夾角,求得:iM=Ip1cos(αp+θ0)+In1cos(4πf1t?αn+θ0)+∑k=1∞[Ibpkcos(4ksπf1t+βbpk+θ0)+Ibnkcos(4ksπf1t?βbnk?θ0)]+∑k=1∞[Iecpmcos(2πnfrt+βecpm+θ0)+Iecpmcos(2πmfrt?βecnm?θ0)](6)iT=?Ip1sin(αp+θ0)+In1sin(4πf1t?αn+θ0)?∑k=1∞[Ibpksin(4ksπf1t+βbpk+θ0)+Ibnksin(4ksπf1t?βbnk?θ0)]?∑k=1∞[Iecpmsin(2πnfrt+βecpm+θ0)+Iecpmsin(2πmfrt?βecnm?θ0)](7)iΜ=Ιp1cos(αp+θ0)+Ιn1cos(4πf1t-αn+θ0)+∑k=1∞[Ιbpkcos(4ksπf1t+βbpk+θ0)+Ιbnkcos(4ksπf1t-βbnk-θ0)]+∑k=1∞[Ιecpmcos(2πnfrt+βecpm+θ0)+Ιecpmcos(2πmfrt-βecnm-θ0)](6)iΤ=-Ιp1sin(αp+θ0)+Ιn1sin(4πf1t-αn+θ0)-∑k=1∞[Ιbpksin(4ksπf1t+βbpk+θ0)+Ιbnksin(4ksπf1t-βbnk-θ0)]-∑k=1∞[Ιecpmsin(2πnfrt+βecpm+θ0)+Ιecpmsin(2πmfrt-βecnm-θ0)](7)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,相電流中的正序基波分量轉(zhuǎn)換成了iM和iT中的直流分量,負(fù)序基波分量轉(zhuǎn)換成了2f1分量,斷條特征分量的頻率由(1±2ks)f1變成了2ksf1,偏心特征分量的頻率由f1±±nfr變成了mfr。因此實(shí)現(xiàn)了特征頻率的分離,避免了ExtendedPark矢量方法中各頻率成分交叉作用使頻譜復(fù)雜化。在該方法中,將M軸指向轉(zhuǎn)子磁鏈方向,這樣做,首先使該軸具有確定性,便于量化診斷結(jié)果;其次,對(duì)勵(lì)磁電流iM的監(jiān)測(cè)可以減小負(fù)載波動(dòng)的影響,提高了診斷系統(tǒng)的魯棒性。然而,該方法也存在著不足之處。為得到iM,iT,實(shí)現(xiàn)其精確解耦,需要精確計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶亢投ㄗ觓相繞組之間的角度。然而當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),電機(jī)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,從而iM,iT會(huì)出現(xiàn)某種程度的耦合,對(duì)于早期故障,其耦合程度不大,對(duì)參數(shù)影響輕微,對(duì)故障診斷影響不大。但當(dāng)參數(shù)變化較大時(shí),如何有效地解決耦合問題,需要進(jìn)一步的研究。4監(jiān)測(cè)方法和模型基于MCSA的故障監(jiān)測(cè)和診斷方法,由于定子電流信號(hào)易于取得,可制成非侵入式檢測(cè)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),是異步電動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)和診斷的主要手段。常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法多集中于采樣電機(jī)單相電流頻譜分析,目前,基于三相電流的監(jiān)測(cè)方法是一個(gè)新的趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),小波分析(WaveletAnalysis),專家系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng),大大提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性,對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。其中,nb為滾珠數(shù),fr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度,RPD為軸承直徑,RBD為滾珠直徑,β為滾珠和滾道之間的角度。1.2重量和電橋故障約30%～40%的電機(jī)故障與此相關(guān)。相關(guān)的模型和實(shí)驗(yàn)表明,這些故障導(dǎo)致電機(jī)阻抗不對(duì)稱,從而引起電機(jī)相電流的不對(duì)稱。1.3異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子5個(gè)導(dǎo)率點(diǎn)的特征頻率轉(zhuǎn)子故障在電機(jī)故障總量中占5%～10%左右通過定子電流信號(hào)來監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子繞組故障是最常用的,也是研究的最多的一種方法。分析和試驗(yàn)表明,當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)故障時(shí),定子繞組電流中會(huì)出現(xiàn)基頻周圍的邊頻帶,其特征頻率為。其中,f1為供電頻率;s為轉(zhuǎn)差率;“+”表示對(duì)應(yīng)頻率為轉(zhuǎn)速振蕩所引起;“-”表示對(duì)應(yīng)頻率為轉(zhuǎn)子斷條所引起。在實(shí)際工作中,當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí),基頻周圍也會(huì)出現(xiàn)邊頻帶。1.