基于电机电流特征分析(MCSA)的断条异步电机诊断研究

基于电机电流特征分析（MCSA）的断条异步电机诊断研究

SpectraQuest Inc.

8205 Hermitage Road

Richmond, V A 23228

(804)261-3300

2006.1

摘要：使用机械故障仿真器（MFS），采用电机电流特征分析（MCSA）和振动分析方法，研究异步电动机常见类型故障的诊断。故障包括电故障和机械故障，如转子断条、定子绕组短路和电机轴损坏。本文是电机诊断系列文章的第一篇。

1.实验装置

本实验使用SpectraQuest公司的机械故障仿真器进行实验。

MFS如图1所示。

图 1.机械故障仿真器(MFS)

安装在MFS上的鼠笼式异步电动机有如下主要特性：3相，60赫兹，电机功率0.5马力，转速3450转/分。根据给出的数据，可推算出极对数为1。

本实验使用两个具有不同数量断条的转子。一个转子有3根断条，另一个转子有6根断条。

研究中使用的电流检测器如图2所示。

图 2 电流探针

对三个电机进行实验：一个完好的电机，一个有三根断条的电机，一个有六根断条的电机。本实验采用电机控制器将电源行频率固定在35Hz。用转速计检测转子的转速，每次实验记录下转速。电机控制器和转速计如图3所示。从电源行频率和转子转速数据中可得到每单位的转差率。

图 3 电机控制器和转速计

实验时，改变电机的负载，研究负载对电流特征的影响。如图4所示，转矩输入连接着齿轮箱输出轴，通过调节转矩输入装置，改变电机的负载。

图4 转矩输入调节

2.结果与讨论

使用VibraQuest 的软件/硬件系统对数据进行分析。

2.1基线数据

在频率范围的基线数据如图5所示。注意振幅以dB 为单位。通过图6(a)-(d)，可以观察出转子转速随负载减少。

(a)转子转速2045转/分 (b) 转子转速2041转/分

(c)转子转速2036转/分 (d) 转子转速2032转/分

图 5 电流频谱基线

图5的峰值为行频率35Hz 。断条转子的诊断需要检测两倍的转差率边带及行频率分量，等式l 给出如下。

112sb f f sf =± （1）

其中

1f ：行频率

s: 每单位转差率

不同负载状态下，由转子速度和行频率可得到一个单位转差率。然后两倍的转差率边带能通过等式(1)计算出来。如果电机转子有断条，预测峰值为图6箭头所指的频率。观察图形可知，尽管是完好的电机，仍然会在箭头所指的位置出现两倍的转差率边带。但是这些两倍转差率边带没有明显的谐波。

2.2 三断条数据

图6 显示三断条电机的电流频谱数据。

(a)转子转速2033转/分(b) 转子转速2029转/分

(c)转子转速2021转/分(d) 转子转速2021转/分

图6 三断条电机电流频谱

在图6中，箭头指出的是两倍转差率及它们的谐波，不难发现峰值出现在箭头所指的位置。

2.3 六断条数据

图7 显示六断条电机的电流频谱数据。

(a)转子转速2031转/分(b) 转子转速2028转/分

(c)转子转速2012转/分(d) 转子转速2007转/分

图6 六断条电机电流频谱

六断条电机可以从图7中得到的三断条电机相似的结论。

2.4负载在估计断条电机缺损程度的影响

两倍转差率边带分量和行频率分量幅度差可以说明断条电机缺损程度。两倍转差率边带分量的振幅随断条数量的增加而增加。但是在某种程度上，振幅仍然受到负载的影响。下面

平均左边带和右边带与行频率分量的幅度差，然后计算两倍转差率振幅的减少，如图8所示。

图8 两倍转差频率边带与行分量幅度差的计算

图9显示了负载对幅度差的影响。圆圈标记线指的是三断条转子。十字标记线指的是六

断条转子。从图9中可以看出，在负载范围内研究测试，负载对幅度差的影响趋势并不明显。

对于两种缺损程度（三断条和六断条）研究测试，两条曲线没有交点。对于每个负载，六断

条的转子总是比三断条的转子振幅低。总之，所有六断条的转子数据都低于三断条转子数据。

如果对四断条和五断条进行实验，观察他们的曲线是否处在这两条之间，是否有交点。

图9 负载对两倍转差率边带和行分量间振幅的减少的影响

3. 附记

本研究有以下重要观察：

1. 完好的电机数据中仍然会出现两倍的转差率边带。

2. 在断条电机数据中出现了两倍的转差率边带和它们的谐波。

3. 很难看出负载对两倍的转差率边带和行频率分量之间的幅度差的影响趋势。

4. 两倍转差率边带和行频率分量的幅度差随断条数增加而增加。