常见交流电机故障诊断分析

当前社会工业、农业生产和人们的日常生活都对动力源提出了新的要求，在化石能源日渐枯竭的今天，交流电机已成为zui主要的动力输出设备，数量与应用范围越来越广。为了适应生产的需要，交流电机的容量不断增大，所组成的系统规模越来越大，构成越来越复杂，所以降低其故障率提高可靠性的要求也越来越高。作为系统中重要的动力输出源，交流电机一旦出现故障，便导致整个系统无法工作，引起系统瘫痪，其经济损失不可估量。因此近些年来电机故障诊断技术引起专家和技术人员的高度重视。针对故障诊断社会上已经开发出科技含量较高的诊断设备。

1、电机故障诊断的特点

交流电机动力输出原理是把电能转换成机械动能，系统较为复杂，包括电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统、通风散热系统等。任何一个子系统工作状况不好或其间衔接出现问题，便会使整个系统工作紊乱即电机出现故障。所以电机故障的成因复杂，涉及的专业技术领域较广，诊断难度较大，对电机维修人员也提出了较高的要求。一般来说，电机故障诊断涉及到的专业知识主要有电机理论、电磁测量、信号处理、计算机技术、热力学、绝缘技术、人工智能等。

电机故障的特征往往不明显，具有隐含性，故障征兆也具有多个产生原因即故障原因的多元性。一个故障也可能表现出多种征兆，如笼型异步电机当鼠笼断裂或端环开裂时表现为机体振动加剧，电流不稳定，定子电流增加（1~2 s） fl 电流分量、起动缓慢、电机转差率增加、转速转矩波动等故障征兆，这些征兆之间有时独立存在，有时同时存在。电机鼠笼断条发生后，如果不及时停机检查维修电，让电机在故障下运行，将会造成更多的笼条断裂，故障会加剧，zui终可能造成电机无法修复。有时不同故障起因也可能会反映出同一个故障征兆，这时就要逐一排查能够产生该征兆的各种原因。另外，电机故障还与其负载情况、运行工作环境等有关，在不同的外在因素影响下，电机表现出的故障征兆是不同的，这又增加了对电机故障的诊断难度。所以必须要熟悉电机的构造、电磁学相关理论和运行状况分析的具体操作技术，电机故障机理分析*。

2、交流电机故障机理分析

交流电机的故障机理分析中，对故障的所产生的征兆的分析筛选十分重要，现实中交流电机的故障会产生各种不同的征兆，有的征兆特征量较易监测到，有的很难监测。

在生产实践中一线维修养护人员往往具有丰富的实践经验，因此要在熟悉诊断理论的基础上，结合维护人员的具体操作经验，分析总结各种故障与征兆的关系，这是故障机理研究的重要内容。但是我们对诊断技术探讨的不能止步，要在实践经验的基础上加强理论分析，通过建立数学仿真模型，进行准确的定性分析，要利用现代先进的计算机技术进行仿真实验分析，从而更加科学地寻找故障产生的根本原因，用计算机分析出可供具体监测的特征量。故障状态是一种非正常的电机运行状态，以往的普通分析方法已经不再适用，因此实际工作的问题产生了对理论研究需求。例如，三相异步电动机定、转子绕组故障是大中型异步电动机常见故障，故障诊断的*步是建立故障状态的数学模型，异步电机常用的分析方法是以相绕组为基础，以多相绕组的总体效应分析电机，如等效电路法。若交流电机发生故障，定子或转子绕组三相严重不对称，气隙磁场有较强的空间谐波，电流中有较强的时间谐波，因此不宜采取上述方法，而应用"电流回路法"进行分析，即从定、转子单个线圈出发列出矩阵方程，定转子绕组局部短路或开路只需要改变相应电阻矩阵和电感矩阵的参数来表示，由此进行仿真计算，得到负载情况、起动情况，故障后定子电流、转速、输入功率等参量的变化规律，并提炼出与故障关系密切的几个物理量为关键特征量。交流电机故障状态电磁分析比较复杂，有的故障成因和故障发展各阶段的征兆至今仍不十分清楚，因此无法确切掌握和提取这些故障的特征量。

3、交流电机的在线监测和特征量CPF 的提取从机理分析的结果中可以得到，交流电机的故障与特征参量的变化具有很强的正相关关系，根据具体故障，选择与该故障相关性较强的有特征参量为该设电机在线监测的监测参量，实时记录下这些主要的特征参量，这是诊断分析的基础。

故障特征量（Characteristic parameters of thefault 以下简称CPF），特别是早期CPF 强度较弱，相反的干扰监测的其他信号较强，常用的传统监测方法，传感器受限因素很多，如准确性、微处理器的速度、A/D 转换的分辨率与转换速度等，而且过去的数据处理方式存在缺陷，所以提取CPF 难度较大，需要采用一些特殊的电工测量手段与信号处理方法。例如，小波变换原理的应用。小波分析是近年来迅速发展起来的新兴技术，它是Fourier 分析的创新和发展，它可将一个被测信号通过小波变换，表示为具有不同频率的谐波函数的线性益加，它的特点是具有多重分辨力来刻画信号的局部特征的能力，因而它很适用于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象，并展示其成分，这在旋转电机的状态监测及早期故障诊断中具有重要意义。

在故障诊断系统中，提取数据的可靠性，传感器的灵敏和准确程度*，其次是信号的传输方式和数据预处理方式，为了使信号的传输不受噪声的污染，在干扰较大的情况下，信号应在数字化处理后再进行传输和分析处理。

4、交流电机故障状态识别和判断

电机故障状态分析是将通过上述措施获得的特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较，以确定系统所处的状态是否存在故障，故障性质、部位和今后的发展趋势等。诊断决策（控制） 是根据对电机状态的分析与判断，决定应采取的对应措施，进行相应的调整控制。由于交流电机故障的复杂性以及故障原因与其征兆之间的关系并非全是一一对应的简单"对号"；上述的状态分析与判断决策过程，值得研究，就像是医生诊断病人的疾病，电气专家对电机故障的判断同样需要经验、理论和现代的数学工具。人工神经网络由于采用大规模并行处理方式，具有高度的自适应性、很强的学习能力和容错性能以及分布式信息存储的特点，因而与一些其他的诊断方法（如专家系统诊断方法，故障树诊断方法等）相比具有较大的*性，其应用正不断扩大。

鼠笼异步电动机转子断条和转子端部开裂故障诊断，目前国内外一般是根据异步电机运行时，如果发生转子断条和转子端部开裂等故障，就会在定子电流中感应出频率为（1~2 s） fl 的附加分量，其大小与转子不对称的程度有关。但是由于异步电机稳态运行时转差率S 一般很小，故（1~2 s） fl 的附加分量的频率与基频fl 很接近，且（1~2 s） fl 的分量的幅值很小，特别是在故障较轻的情况下，要用一般数据采集的方法辨析出该分量，获其大小比较困难。实践表明，将人工神经网络应用于异步电机转子故障诊断，可以获得满意的诊断效果。首先，建立合理的人工神经网络拓扑结构，同时组成网络的学习、工作规则。经仿真计算可知，三相鼠笼异步电机转子断裂或端环开裂时，若带有恒定负载，与正常运行电机相比不仅定子中出现含有频率为（l~2 s） fl 的电流分量，而且还会出现转速有所下降，定子电流，输入功率有所增加，转子未断相导条电流增大等相关变化。