第七章异步电机故障诊断方法

第七章异步电机故障诊断方法•第一节感应电机故障诊断研究现状与发•展趋势•第二节感应电动机常见故障及处理•第三节笼型异步电机故障•第四节转子断条故障的诊断第一节感应电机故障诊断研究现状与发展趋势•感应电机故障诊断技术主要分为基于模型、基于信号分析两种类型。基于模型的故障诊断方法需要精确的感应电机模型，但对非线性、强耦合、多变量的感应电机来说，建立精确的数学模型并非易事，而且在运行中，感应电机的很多物理量都会发生一定的变化。基于信号分析的故障诊断方法是通过一定的信号处理技术从信号中提出故障特征，然后通过模式识别来判断是否存在故障、故障类型和故障严重程度。基于信号分析的感应电机故障诊断理论和方法的研究现状发展趋势有如下。一、感应电机故障类别•感应电机故障根据电机的主要组成部分分为：定子部分故障，转子部分故障，轴承故障和气隙偏心等故障。•轴承是感应电机最容易发生故障的部分，占感应电机故障总数的百分之41。感应电机轴承故障主要是由于过载、润滑不良、安装不正、轴电流以及异物进入等原因引起的轴承磨损，表面剥落、腐蚀甚至碎裂等。轴承故障能在机械振动信号和其他传感器信号（如电流）中产生特征频率部分，对这些信号进行分析能确定轴承故障。•几乎40%的感应电机故障都属于定子故障，主要是由线圈中相邻绕组间绝缘故障引起，即匝间短路。由此产生的感应电流导致过热和气隙磁场不平衡。如果不及时检测，局部过热将导致更大的定子绝缘损害，甚至造成灾难。•大约有10%的感应电机故障属于转子故障。一般的电机机械故障为转子断条或端环断裂，这些将使电机在运行过程中发热，使导条和端环受到循环热应力和变形，导致故障进一步扩大。转子偏心将在定子中产生不均衡的气隙，引起轴承故障和机械故障。二、故障信号选择•电机是高度对称的，各种形式的故障都影响他的对称性。这导致定子、转子之间的磁通产生相应的改变，从而改变定子电流、电压、磁场和机械振动。通过对这些信号的分析，能对感应电机的健康状态进行分析并判断故障的严重程度（如表1）。如通过电流信号能识别感应电机所有故障，振动信号分析能识别转子故障、轴承以及气隙偏心等故障，而轴磁通则能识别除轴承意外的其他故障，与之相反，润滑油则只能识别轴承故障。•检测机械振动信号是一种传统的技术，在机械故障诊断方面有着广泛的应用。通常在旋轴上安装一个压电传感器，由于其产生的电压信号正比于加速度，因此它能很好地反应旋转机械的振动信息。但加速度传感器存在价格昂贵、安装不便以及可靠性较差的缺点。定子电流信号是另一种常用的分析信号，通常用霍尔电流探测针来测量，相对机械振动信号，它具有安装简单、价格便宜、非侵入式以及与电机控制系统共享电流信号的特点，已成为感应电机故障诊断信号分析的热点。此外，电磁转矩、Park矢量、轴向磁通、润滑油以及温度等物坦量，也可用于故障诊断。三、信号处理技术•信号处理技术就是处理检测到的信号，以产生和呈现故障和不明故障相关的特征值或参数（如与故障相关的频率组成部分）。•1时域分析•常用的时域特征提取方法，如时间序列模型法，它通过对信号进行分析，建立它的时间序列模型，模型的参数既能反映系统固有的特性，又反映系统在外界作用下的输出特性。其中常见的模型有AR模型、ARMA模型。•2频域分析•傅里叶变换将信号由时域转换到频域，使时域内很难观测到的现象和规律，在频域内能得到较好的反映。采用傅里叶变换的频率分析是常用的感应电机故障信号处理方法。但由于傅里叶变换是完全在频域展开，没有包含时域信息，其积分平滑了信号中突变的非平稳部分，在处理时变（非平稳）的感应电机故障信号时，无法获知突变时刻故障信号的频率部分。•3时频分析方法•常用频率分析方法中的傅里叶转换是假设频谱在采样时间内不变。由于感应电机负载扰动、电源电压交化等，感应电机故障信号是非平稳信号。显然，单纯采用傅里叶变换无法达到良好的效果。•时一频技术可分为线性和非线性时频表示两种，线性的主要有短时傅立叶变换、小波变换，非线性的主要有Wigner-Ville分布等。•4高阶统计•有些文献中采用功率谱分析，它是二阶统计量分析，给出信号不同频率成分下的能量分布情况，当感应电机出现故障时，频谱能量分布会有所改变。但是功率谱分析不包含频率成分间的相位信息，无法处理非最小相位系统和非高斯信号。有的文献对感应电机的振动信号进行双谱分析，提取故障特征信息，还有文献[则提出两种基于HOS的非参数相位分析方法和参数线性和非线性模型方法，对感应电机的故障进行诊断，取得较好的效果。高阶统计方法具有对Gaussian分布测量噪声不敏感的优良品质。四、故障状态识别方法•故障诊断的关键步骤是根据提取的特征或故障参数，来决定是否存在故障、故障类别以及故障严重程度。一个可靠的故障诊断和分类策略离不开大量的“健康”和故障状态的参考数据。故障诊断的精确性往往受刭参考数据的大小、长度以及数量的限制。•目前，用于故障诊断的状态识别方法主要有基于统计模式识别方法和人工神经网络方法。五、发展趋势•1多传感器数据融合•目前，大部分研究都采用单一信号处理技术来做故障诊断，但由于感应电机本身的复杂性和恶劣的运行环境，信号难免会受到电源电压波动和负载扰动的影响。因此，探讨从多传感器中提取综合信号并处理能提高故障诊断的精确性。•2混合故障诊断•对感应电机的几种基本故障，都能从相关文献中找到他们的特征频率，如定子绕组匝间短路、转子断条以及轴承故障等。但当感应电机存在多种故障时，则可能相互依赖以及故障特征值相互影响从而增加故障复杂性。因此，如何研究多类型故障的诊断是未来发展的热点问题。•3基于交流调速、负载扰动的故障诊断•目前，有关感应电机的故障诊断主要集中在空载状态下的故障诊断。但随着交流调速技术的发展，感应电机已成为工业中主要的能量转换设备。因此，研究基于交流调速的感应电机故障诊断的现实意义十分明显。但交流调速系统的感应电机故障诊断却远比单个感应电机复杂，其主要的原因在于逆变器的开关频率噪声对故障诊断系统的影响。负载扰动的情况下，故障特征信息受到影响，如何消除故障信息中的影响，是值得研究的问题。•4先进故障诊断方法的引入和融合•随着信号处理技术、计算机技术以及人工智能的发展，许多先进的技术都被引入到感应电机故障诊断中。但许多先进技术和理论并没完全成熟，如何进一步提高这些方法的有效性尚待进一步研究，如何融合先进方法，充分发挥各自优点，也是故障诊断技术发展的方向之一。六、结语•感应电机的故障诊断的研究和发展具有重要的现实意义。常见的故障诊断系统主要包括信号提取、信号处理以及故障状态识别三个部分。第二节感应电动机常见故障及处理．一、电动机温升过高的原因及处理•（1）电动机长期过载。电动机过载时流过各绕组的电流超过了额定电流，会导致电动机过热。若不及时调整负载，会使绕组绝缘性能变差，最终造成绕组短路或接地，使电动机不能正常工作。•（2）未按规定运行。电动机必须按规定运行，例如，“短时”和“断续”的电动机不能长期运行，因其绕组线径及额定电流均比长期运行电动机小。•（3）电枢绕组短路。可用短路侦察器检查，若短路点在绕组外部，可进行包扎绝缘；若短路点在绕组内部，原则上要拆除重绕。•（4）主极绕组断路。可用检验灯检查绕组，若断路点在绕组外部，可重新接好并包扎绝缘；若断路点在绕组内部，则应拆除重绕。•（5）电网电压太低或线路压降太大（超过10%）。如电动机主回路某处有接触不良或电网电压太低等造成电动机电磁转矩大大下降，使得电机过载。检查主回路消除接触不良现象或调整电网电压。•（6）通风量不够。如鼓风机的风量、风速不足，电动机内部的热量就无法排出而过热，应更换适当的通风设备•（7）斜叶风扇的旋转方向不当与电动机不配合。此时应调整斜叶风扇使其与电动机相配全。从理论上讲电动机均可正反转，但有些电动机的风扇有方向性，如反了，温升会超出许多。•（8）电枢铁心绝缘损坏。此时应重新更换绝缘。•（9）风道阻塞。此时应用毛刷将风道清理干净二、三相异步电动机运行中的故障及主要原因•1）机械故障•（1）轴承的过热。可能是由于润滑脂不足或过多，转轴弯斜，转轴磨擦过大，润滑脂内有杂质及外来物品以及钢珠损坏等所引起。•（2）电动机的振动。机组的轴线没有对准，电动机在底板上的位置不正，转轴弯曲或轴颈振动，联轴器配合不良，转子皮带盘及联轴器平衡不良，鼠笼转子导条或短路环断路，转子铁心振动，底板不均匀的下沉，底板刚度不够，底板的振动周期与电动机（机组）的振动周期相同或接近，皮带轮粗糙或皮带轮装置不正，转动机构工作不良及有碰撞现象等引起。•（3）转子偏心。可能是由于轴衬松掉，轴承位移，转子及定子铁心变形，转轴弯曲及转子平衡不良等引起•2）电气的故障•（1）起动时的故障。由于接线错误、线路断路、工作电压不对、负载力矩过高或静力矩过大、起动设备有故障等所引起。•（2）过热的原因。由于线路电压高于或低于额定值、过负荷、冷却空气量不足、冷却空气温度过高、匝间短路及电机不清洁等所引起。•（3）绝缘损坏。可能是由于工作电压过高，酸性、碱性、氯气等腐蚀性气体的损坏、太脏、过热，机械碰伤、湿度过高，在温度低于0℃下保存和水分侵入等所引起。•（4）绝缘电阻低的原因。由于不清洁、湿度太大，因温度变化过大、以至表面凝结水滴，绝缘磨损和老化等所引起。三、运行中的电动机会有哪些异常现象？如何处理•（1）异声•处于正常状态的电动机，在距离稍远地方听起来是一种均匀而单调的声音，并带一点排风声，靠近电机后，特别是用螺丝刀顶住电机各部位时，就可以清楚听到风扇排风声、轴承滚动声、微微振动声，其声音同样使人感到单调而均匀，如果在这种单调而均匀的声音中夹杂着一种不正常声响，此既为异声。•（2）气味•电动机运行时，如闻到电动机发出焦灼气味，说明电动机已有故障，应立即采取措施。•（3）电流、温度异常•电动机工作电流不应该超过其铭牌规定，三相电流不平衡不应超过10%；各部位温升在允许范围内（轴承A级60℃，E级55℃）。否则应视情况采取必要措施。•（4）电压异常•电动机正常运行时，三相电压同时升降，变动在353V～406V之间。若三相电压升高不相等，说明出现故障应检查处理。四、电动机外壳带电的原因及排除•（1）电动机绕组的引出线或电源线绝缘损坏在接线盒处碰壳，使外壳带电。应对引出线或电源线的绝缘进行处理。•（2）电动机绕组绝缘严重老化或受潮，使铁心或外壳带电。对绝缘老化的电动机应更换绕组；对电动机受潮的应进行干燥处理。•（3）错将电源相线当作接地线接至外壳，使外壳直接带有相电压。应找出错接的相线，按正确接线改正即可。•（4）线路中出现接线错误，如在中性点接地的三相四线制低压系统中，有个别设备接地而不接零。当这个接地而不接零的设备发生碰壳时，不但碰壳设备的外壳有对地电压，而且所有与零线相连接的其他设备外壳都会带电，并带有危险的相电压。应找出接地而不接零的设备，重新接零，并处理设备的碰壳故障。•（5）接地电阻不合格或接地线断路。应测量接地电阻，接地线必须良好，接地可靠。•（6）接线板有污垢。应清理接线板。•（7）接地不良或接地电阻太大。找出接地不良的原因，采取相应措施予以解决五、电动机不能起动或带负载时转速低于额定转速的原因及处理•（1）熔断器熔断，有一相不通或电源电压过低。检查电源电压及开关、熔断器工作情况。•（2）定子绕组中或外电路有一相断开。从电源逐点检查，发现断线并接通。•（3）绕线式电机转子绕组电路不通或接触不良。消除断点。•（4）鼠笼式转子笼条断裂。修复断条。•（5）△形连接的电机引线接成丫形。改正接线。•（6）负载过大或传动机械卡住。减小负载或更换电机，检查传动机械，消除故障。•（7）定子绕组有短路或接地。消除短路、接地处。六、电动机过热或冒烟的原因及处理•（1）电源电压过高或过低。调节电源电压，换粗导线。•（2）检修时烧伤铁心。检修铁心，排除故障。•（3）定子与转子相檫。调节气隙或车转子。•（4）电动机过载或起动频繁。减载，按规定次数起动。•（5）断相运行。检查熔断器、开关和电动机绕组，排除故障。•（6）鼠笼式转子开焊或断条。检查转