牵引电机常见故障及电流分析法诊断机理

牵引电机常见故障及电流分析法诊断机理
1引言
牵引电机发生各种故障发生的具体情况不尽相同,但不管发生哪种故障,其故障初期时都会通过不同形式反映出一定变化等。

因此,可以对这些特定信号进行监测分析以从中找出某些故障的特征,对一些牵引电机故障做出诊断，本文主要讲述了基于定子电流分析来诊断电机故障。

2牵引电机的故障类型及原因
（1）电机定子绕组故障主要包括层间、匝间短路故障，几乎40%的牵引电机故障都属于定子距间短路故障，而绝短路故障的主要原因有线圈松动导致层间垫条磨损，线圈制作过程中匝间绝缘遭受损伤或匝间绝缘材质不良、匝间绝缘厚度不够或结构不合理等。

（2）转子故障表现为笼条及端环断裂，开焊，主要因为电机在反复启动、运行、停转过程中，转子不仅承受很大冲击力和应力还会受到较大的离心力。

由于存在变形和位移，笼条和端环会因应力分布不均匀而断裂，另外负载变化和电压波动使笼条在交变负荷的作用下容易产生疲劳发生转子故障，将出现电机启动时间延长、转差率增大、电机噪声增加等甚至更严重的影响。

（3）对牵引电机而言,气隙偏心也是常见故障之一转子偏心将导致气隙不均衡,产生了非平衡气隙电磁拉力,并进一步同时引起定转子振动,并最终导致轴承故障和机械故障，气隙偏心分为静态偏心故障和动态偏心故障两种形式,其中,静态偏心是由定子铁心内径的椭圆度或装配不正确造成的,和转子本身的位置无关;动态偏心是由转轴弯曲,轴径椭圆,临界转速时的机械共振、轴承磨损造成的,其偏心位置与转子位置和旋转频率有关,在空间上是动态变化的。

3基于定子电流分析的故障诊断原理
（1）定子绕组匝间短路机理分析
交流电动机的定子绕组一般均采用在时间及空间上均互差120°的三相对称分布绕组。

当某相定子绕组存在匝间短路时,定子绕组的对称性遭到破坏。

由定子绕组产生的气隙磁势由对称时的圆形变为椭圆形,该椭圆形磁势可以分解为正转分量和反转分量,二者转速相同、转向相反。

当故障不很严重时,前者的幅值远远大于后者的幅值。

正转分量在定子绕组中感应出频率为f1的交流电动势,在转子绕组中感应出频率为sf1电动势和电流。

而反转分量在定子绕组中同样可以感应出频率为f1的交流电动势,但是相序相反,从而在定子三相电流中产生了负序分量。

因而得出结论:定子绕组匝间短路的故障特征是三相定子电流不对称,出现负序电流分量。

定子电流中的负序分量可以用三相不平衡度:ϵ1=I1/I2来表示,其中I1为正序分量,I2为负序分量。

电力机车为大功率、移动性、非线性和单相负载,而且频繁地在起动、加速、惰形和制动等工况之间转换,这种牵引供电系统舉相负载的特殊性,必然导致三相电网电流不平衡,在三相电网产生一定量的负序电流，为了解决这一问题,可以求出三相定子端电压的三相不平衡度:ϵU=U2/U1,将ϵ1−ϵU作为定子绕组匝间短路的判断依据,这样就抵消掉了电网产生的不平衡度。

(2)转子断条故障机理分析
当电机发生断条故障时,相当于在断条上加一反向电流,其产生的磁场与正常的均匀磁场合成,就是断条时的电机磁场。

进一步分析可以得到定子绕组中感应的电流频率为:
f′=v1−s±s f(1)
式中,v=1
p ,2
p
,3
p
⋯,p为极对数,s表示转差率,f表示电网频率。

由于电机绕组通
常接成短距分布形式,仅有v=1,5,7,13⋯,对应的频率会出现在定子电流中。

v=1时,定子电流中含有f, (1−2s)f频率分量;v=5时,定子电流中含有(5−4s)f，(5−4s)f频率分量。

由此来看,转子断条时定子绕组中的电网频率受调制,这种变化的电流反作用在转子上会引起转子转速波动,进而出现((1−2s)f的下边带电流分量,比如在三相鼠笼异步电机中定子电流在正常工作时只出现电源呢频率成分（50Hz），当转子断条时可检测到在47Hz附近的频率成分。

因而,我们得到的结论是:转子断条时的本质特征是定子绕组中感生(1−2s)f的电流分量。

文献[2]指出:如果(1−2s)f频率分量增加不到20dB,表明电机处于良好状态；如果大于20dB,则对高次谐波(5−4s)f，(5−4s)f监测，如果变化显著则有导条断裂。

(3)气隙偏心故障机理分析
电机产生气隙偏心时,转子与定子之间的气隙在一侧减小,另一侧则增大。

由于处在一个磁场交变的环境中,气隙减小将在该气隙处产生较强的吸力,励磁电流也激发出较多的磁通,导致拉力加大。

而相对侧的变化是随着气隙增大,出现磁阻增大和磁拉力减小的现象。

这样,气隙小的侧在较大的拉力作用下会变更小,直到定转子接触。

气隙偏心时动转子之间正常的气隙磁通波形遭到破坏此时磁通波是随时间而变化的,它不仅包含基波,还同时混有各种谐波成分。

谐波磁通将在静止的定子绕组中感应出相应的电流谐波:
f s1=(n rt R±n de)(1−s)/p±2n sa±n ws f（2）
式中,R为转子槽数,n de为动态，n rt为转子，n sa为饱和,n ws为定子时间谐波。

一般情况下:n rt=0,1,n de=0,1,n sa=0,n ws=1
当n rt=0,n de=1时,为低频动偏心分量
f s1=f(1±(1−s)/p=f±f r (3)
当n rt=1,n de=1时,为高频动偏心分量
f s1=R(1−s)/p±(1−s)/p±1=(R±1) f r±f(4)
当n rt=1,n de=0时,为静偏心分量
f s1=R(1−s)/p±1f=R f r±f(5)
式中,f r为转子旋转频率,R f r±f是主齿谐波。

电机正常运转只含有基波和主齿谐波。

其中主齿谐波与静偏心分量对应,可根据主齿谐波变化的大小判断静偏心程度。

电机出现动偏心时,电流谱图中基波的两侧会出现旋转频率大小的边频带。

根据电机安全规范[4],当电流增幅不超过额定值的20%时,偏心率小于30%时,电机是安全的。

3小结
电机的故障诊断方法多种多样且各有利弊，随着各种技术的发展及进一步研究发现,对已知的振动频率而言,定子电流的变化直接与振动幅度的变化有关。

因此,电流信号不仅可以和振动信号一样用来监测故障,并且具有成本低、易操作的优点。

参考文献：
[1]郭世明，机车检测与故障诊断技术[M].中国铁道出版社，2011
[2]Kliman G B,Premerlani W J,Koegl R A,et al.Sensitive on-lineturn-to-turn fault detection in AC motors[J].Electric Machinesand Power Systems,2000,28:915
[3]沈标正.电机故障诊断技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
[4]董建园.异步电机故障诊断仪的开发与研制[D].西安,西安建筑科技大学,1996。