三相电机故障诊断及容错控制研究

摘 要 三相电机是当前使用广泛的驱动设备，不过由于本身结构复杂以及内外部诸多因素的影响，在长期的运转过程中难免出现故障，降低设备的性能，影响生产的正常进行，严重的甚至会造成机毁人亡。为了更好地对三相电机的故障进行防控和处理，有必要引入故障检测和容错控制措施，以便有效确保电机的稳定、可靠运行，为安全生产提供更好的保障。

【关键词】三相电机 故障诊断 故障容错控制

三相电机是一种非常重要的驱动设备，具有结构简单、容易上手和价格低廉等优点，因此广泛应用于工业生产、交通运输等诸多领域。不过由于其使用环境复杂多变以及电机本身的运行特性、负荷情况等的影响，在使用中难免出现一些故障，影响了相关生产生活的正常秩序并造成一定的损失。为了对三相电机的故障进行有效防控，确保其正常运行，减少因故障造成的损失，必须对三相电机的故障诊断和容错控制进行分析研究。

1 故障诊断与容错控制的意义

当前，随着社会经济的发展和科技的进步，各种生产设备越来越先进，功能越来越全面，但同时设备结构也越来越复杂。这些复杂设备通常承担着繁重的任务，并在大功率、高负荷的状态下长时间运转，这样随着使用时间的延长，出现故障的概率也随之提高，而一旦发生故障，要么降低其性能，影响了生产的正常进行，要么设备报废，甚至机毁人亡，再加上故障具有随机性、模糊性的特点，传统的故障诊断方法所起的作用已经越来越有限，因此，有必要引入更加先进的智能故障诊断和容错控制方法。引入智能故障诊断与容错控制方法具有极大的意义，具体体现在以下几个方面：

（1）能够及时发现设备的故障，同时更加精确地确定发生故障的位置、类型和程度，并对故障及时进行隔离。

（2）可以相对准确地预测出设备的使用寿命和故障的发展情况。

（3）能够根据不同的故障，相应地给出控制和处理方案。

（4）可以自动进行故障处理，包括对其进行削弱、消除及修复等，使设备尽量恢复正常工作状态时的性能；必要情况下可以通过牺牲部分性能来确保设备能够继续完成它的规定功能。

2 三相电机常见故障介绍

三相电机的主要由定子、转子、轴承等构成，总体结构是比较简单的，不过它的演变过程却相当复杂，包括了物理和化学的多个方面。在长期的使用过程中，三相电机的性能会因受到供电电源、安装环境等多个内外部因素的影响而逐渐退化并导致故障的产生，其常见的故障主要由三个：

2.1 定子绕组匝间断路

它是最常见的三相电机，所占的故障比为约为三分之一。导致该故障产生的主要原因在于同一相绕组的相邻线圈因绝缘破坏而发生短路。

2.2 转子导条和断环开裂

该故障所占的故障比约为十分之一。它的产生是因为三相电机在启动过程中，导条会在短时间内通过大量电流，形成强大的冲击力，最终使得导条和端环因应力分布不均而发生断裂，严重的话还会导致电机烧坏和整机报废。

2.3 轴承故障

轴承故障所占的故障比也达到了五分之一左右。由于轴承是负载最重的部分，同时也很容易发生磨损，因此故障也是比较频繁的。

3 三相电机故障诊断及容错研究

为更深入的理解三相电机的故障诊断与容错控制，下面分别举例加以说明。

3.1 转子位置检测故障诊断研究

要想准确判断出事哪一个传感器出现了故障，就得对转子位置的信号进行详细分析，具体流程为：首先是将一个电周期分为6个区间，将VT1VT6定为区间1，然后每隔60°区间就加1，直到VT5VT6（既区间6），在这个过程中，无论是在三相电机的启动、制动过程还是当它处在运行状态，由于通常认为电机转速相对于换相区间可以当做准静态量，所以就能够通过对比下一个区间和上一个区间的宽度来确定传感器有没有出现故障。为了对此有更直观的认识，这里用区间1与区间2为例子来说明，先设区间1的宽度是时间t1，当三相电机运行在90℃状态时，传感器c这时候能够正常输出信号，而当主电路VT6换流到VT2的时候，这时候也就是从区间1进入到区间2的过程，在这一过程中，会开始对区间2的宽度t2进行计时，当t2>kt1，且k=1.5时，这时候的传感器2的输出信号没有出现跳变的情况，那么就可以得知该传感器发生故障了。

3.2 转子位置故障容错控制研究

当传感器发生一到两路损坏时，可以有效利用其余正常运行的传感器通过对转子位置进行评估并用于电机换相，最终实现故障的容错控制。

当其中的一路传感器发生故障时，首先要确定两个区间的宽度，下面以区间1与区间2为例进行分析，当区间2的宽度超过前面所设定的宽度，这时候就说明Hb出现故障，因此，要马上换相，同时，在随后的所有电周期里，在区间2里，当t5=t4的时候以及在区间5中当t5=t4的时候均需换相，也就是利用上次没有发生故障的传感器信号来获得下一个转子的位置。同样的道理，当出现两路传感器信号故障的时候，就要用第三个正常的传感器信号通过延时来获取其它转子的位置信号，通过采用这种方式，即使传感器出现故障，仍然可以有效获得六个换相点的时刻点，有效实现对三相电机的容错控制。

4 结语

三相电机作为一种重要的设备，广泛使用于现代工业系统中，对工业生产起着非常重要的作用，也正是因为它的地位如此重要，其所产生的故障影响和造成的损失也才会如此突出。虽然当前的三相电机已经比过去先进了许多，稳定性、可靠性有了很大的提高，但由于使用环境、工作方式等的影响，故障总是在所难免，为此，必须大力推广故障检测和容错控制，以便有效对故障进行防控，确保电机的稳定、可靠运行，为生产提供更安全可靠的保障。

参考文献

[1]杨喜林.异步电动机定子匝间短路故障诊断方法[J].电机与控制应用，2006（7）：55-58.

[2]许伯强，李和明. 异步电动机定子绕组匝间短路故障检测方法研究[J].中国电机工程学报，2004（24）：177-182.

[3]徐小来，王莉，谢一静.异步电动机定子绕组短路故障仿真研究[J].大电机技术，2006（01）：23-25.

[4]赵文祥，程明，花为等.双凸极永磁电机故障分析与容错控制策略[J].电工技术学报，2009（4）：71-91.

作者简介

崔宝磊（1984-），男，天津市滨海新区人。现供职于中海油田服务股份有限公司。

作者单位

中海油田服务股份有限公司 天津市 043100