启动电流特定频率分量在电机故障诊断中的应用

摘 要:本文介绍了异步电机常见故障及异步电机定子启动电流特定频率分量故障诊断的方法。通过实验将所得实验数据导入MATLAB得到各种故障状态下的启动电流频谱图及PARK矢量图。分析了常见中小型异步电机故障特征频率的分布范围。

关键词：异步电机 电流特定频率分量 故障诊断。

1．引言

目前，异步电动机的故障监测和诊断方法有多种，如感应电压检测法、轴向磁通检测法、启动定子电流频谱分析法等。其中，定子电流的频谱分析是最常用的，也是研究得最多的一种监测方法。定子电流频谱分析诊断法的基本原理是：将感应电机的定子电流频谱作为判断异步电机状态的依据。当存在一些电机故障时，气隙中会产生谐波磁通量，它在定子线圈中产生感应电流，通过调制电源频率，采集被调制电流信号，然后利用信号处理技术来检测电机的特征故障频率。

2.电机常见故障及其分析

电机转子绕组常见的故障有笼型转子存在断条、匝间短路和气隙偏心等。各种转子故障都会在定子启动电流中产生相应的特征谐波分量。

2.1 转子断条故障

转子断条故障原因既可能是电动机制造过程中出现质量隐患，如铸件质量低下、焊接不良以及转子强度不够等，也可能是电动机长期使用过程中出现磨损，导致的自然故障。

理想的异步电动机定子电流的频率是单一的，即电源频率。

但是当转子回路出现故障时，定子电流频谱上在与电源频率相差两倍转差率的位置上将出现一个边频带。

图2.1.1 转子存在断条故障电流频谱图

如图2.1.1不难看出：除主频50HZ以外，在边频(1?ks)f1 处有明显的毛刺突起。并且，边频分量随负载增加和故障严重程度加重而增大。实际上还可能出现两倍转差率的其他整数倍边频分量，这样转子断条故障的特征频率可表示为:

fbb=(1?ks)f1 （1）

公式（1）为转子断条和端环开裂故障有效的诊断判据。

2.2 匝间短路故障

电机绕组是由漆包线一匝匝绕成的，电机运行时，电流是通过每匝线圈而形成回路，产生旋转磁场使电机转动做功，如果出现相邻的一匝或几匝线圈绝缘损坏，造成电流在损坏处直接通过的情况，这就造成匝间短路。

如下图2.2.1为匝间短路电机的拓展PARK矢量图

图2.2.1匝间短路电机拓展PARK矢量图

当三相电机出现匝间短路的故障时，通过对三相定子启动电流运用PARK矢量模平方函数进行变换可以看出：电流频谱中除了直流分量以外还出现了许多的基频分量。

2.3 气隙偏心故障

异步电动机的气隙很小，气隙的偏心往往会成为故障的诱因。气隙偏心有两种情况:静态偏心和动态偏心。由分析可知：静态偏心只是空间函数，而动态偏心是空间位置和时间的函数。

对于P对极电机有气隙偏心故障的电机，其边频带频率为：

fv=f1眒fr

上式为确定电机存在气隙偏心的有力判据。

明显地看出：图2.3.1的频谱图在 f1眒fr处有明显的毛刺突起，可以判断出其故障是气隙偏心。

图2.3.1 匝间短路电机频谱图

3.结 语

尽管启动电流特定频率分量故障分析诊断法存在着与供电频率分量相比，电机的故障特征频率成份的幅值都较小，通常相差两个数量级以上，而且与50Hz基频间隔很小，较难检测到，同时在工业现场中，所检测的这些故障频率成份与供电频率靠得更近，有时甚至只相差零点几赫兹，使分析更加复杂等缺点。但电动机定子启动电流是一个检测电动机故障的非常好的状态监测参数，在不影响电动机运行的条件下对电流和电压信号进行频谱分析可检测各种故障，包括：转子损坏，静态和动态偏心，匝间短路和轴承故障等。因此说，启动电流特定频率分量分析的方法在实际应用中不失之为一种行之有效而又简便的一种故障分析诊断法

参考文献：

[1] 张建文．电气设备故障诊断技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，2006．

[2] 汤红诚. 基于人工神经元的电机断条故障诊断方法[J]. 大电机技术, 2008.

作者单位：中国矿业大学 孙越崎学院。