电动机断条故障理论分析

利用连续细化的傅里叶变换方法，通过对异步电动机稳态运行时定子电流进行分析，提出了用傅里叶变换的结果作为参考信号以抵消基波1f 分量的方法，解决了傅里叶变换时1f 分量的泄漏淹没()121f s -分量这以问题。

该方法可用于电动机转子故障的在线检测，并可成功应用于嵌入式在线监测仪的研制。

三相异步电动机由于结构简单、价格低廉、运行可靠，在电力、冶金、石油、化工、机械等领域得到广泛应用。

由于工作环境恶劣或者电动机频繁启动等原因，转子导条或者端环经常会发生开焊和断裂等故障。

这种故障通常先有1~2根，而后发展成多根，以至出力下降，最后带不动负荷而停机。

对电动机进行在线检测，提前发现电动机的故障隐患及早采取相应措施，以减少或者避免恶性故障的发生。

目前常用的转子断条在线检测方法是对稳态的定子电流信号直接进行频谱分析，根据频谱中是否存在()121f s -的附加分量来判断转子有无断条。

但由于()121f s -分量的绝对幅值很小，并且异步电动机运行时转差率s 很小，频率()121f s -与1f 非常接近，用快速傅里叶变换直接作频谱分析时，基波1f 频率分量的泄漏会淹没()121f s -频率分量，因而使检测()121f s -频率分量是否存在变得非常困难。

本文采用快速傅里叶变换的方法，通过快速傅里叶变换得到电动机断条时信号的频谱，为了抵消基频50Hz 频谱图由于频谱泄漏对故障信号频谱的淹没，将电动机断条故障时的信号经自适应陷波器处理，以滤除工频50Hz 对特征分量的影响。

第一章绪论1 引言2 电动机转子断条故障的现状与课题意义3 本文的主要研究方法法与研究内容第二章电动机的结构与工作原理2.1 电动机结构及原理分析2.1.1 组成结构2.1.2 转子的结构、定子的结构2.1.3 电动机工作原理分析2.2 电动机断条故障的原理2.2.1转子断条原因2.2.2转子断条常见现象2.2.3断条原因分析第三章快速傅里叶变换与MATLAB实现3.1 MATLAB简介3.2 快速傅里叶变换的数字实验3.3 本章小结第四章自适应陷波器原理4.1 原理分析4.2 基于LMS算法的MATLAB实现4.3 用MATLAB程序实现LMS算法4.4 本章小结第五章电动机断条故障理论分析5.1 电动机断条故障理论分析5.1.1异步电动机转子断条故障时定子电流的特点 5.1.2电动机断条故障理论分析程序流程图5.1.3理论仿真波形及其分析5.2 理论仿真波形与分析5.3 本章小结参考文献附录致谢第一章绪论本章主要介绍的是：引言、异步电动机转子断条故障诊断方法的研究现状与研究意义和本文的主要研究方法与主要所做的工作。

1 引言据不完全统计，目前全国运行的电动机数量超过6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业生产中应用最为广泛的动力设备。

全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量在10亿kW以上。

每年仅电动机在烧毁过程中就耗电数亿万度，修理费高达数100亿元。

由于电动机故障造成停工停产损失更是难以估计。

由于开发先进可靠的电动机状态监测与故障诊断系统，具有极其广阔的应用前景。

在当代社会中，电动机已成为工农业生产中的主要传动机械。

随着现代科学技术的进步和生产的发展，电动机的容量不断增大，由它所组成的系统的规模越来越大，构成也越来越复杂。

然而由于工作环境的复杂，或者电动机频繁启动等原因，电动机转子断条故障等时有发生，故对其可靠性要求也越来越高。

传统的电动机故障诊断方法，需要建立精确的数学模型、有效的状态估计或参数估计、适当的统计决策方法等。

这些前提条件使得传统的电动机故障诊断具有相当的局限性。

针对传统检测方法的以上缺陷，有必要对电动机转子工作情况进行更先进及时的监测，以防造成重大损失。

大容量的笼型异步电动机广泛应用在电力系统中，如发电厂的给水泵、送风机、送粉机、磨煤机等。

当电动机转子发生导条或端环断裂时(简称断条)早期故障后，断条可能会逐渐伸出转子槽外，并导致转子断条刮坏定子绕组绝缘的故障，造成严重的经济损失。

2 电动机转子断条故障诊断的现状与课题意义电动机转子断条故障诊断的准确及时对保证生产安全平稳、避免人员、财产的巨大损失具有重要的意义。

近年来，针对电动机转子断条故障诊断的方法不断出现：神经网络、D2S证据理论、融合技术都在这一领域得到应用。

由于故障电动机单一信号中谐波成分比较复杂，对于重要场合的电动机采用多个监测量的综合诊断和多种诊断方法的综合运用是未来的一个发展趋势。

随着现代科学技术的进步和生产的不断发展，电机在生产中发挥着越来越重要的作用。

电机故障不仅会损坏电机本身，而且会影响整个系统的正常工作，甚至危机人身安全，造成巨大的经济损失。

通过对常见故障的诊断和分析，可以及早发现故障和预防故障的进一步恶化，减少突发事故造成的停产损失，并为实现状态检修创造条件。

电机发生故障，故障信号中往往含有大量的时变、短时冲击、突发性质的成分，传统的信号分析方法如Fourier变换无能为力，不能有效地提取出电机的故障特征。

在电机测试领域，当测试信号为非平稳信号时，应用Fourier变换也不能得到有效的分析结果。

小波变换作为一种时频分析方法，它在时频域都具有表征信号局部特征的能力，能通过时频窗灵活变换并突出信号的不同频率成分。

考虑到小波变换处理非平稳信号的优越性，本文研究如何将小波变换应用于电机故障诊断和电机测试中。

本论文主要做了一下工作国内外学者在异步电动机的状态监测与故障诊断领域做了大量的工作，提出了各种监测与诊断方法。

电动机转子断条故障的几种诊断方法有一下几种：【1】基于定子电流分析的故障诊断方法【2】基于气隙转矩的分析方法：当电动机转子出现断条故障时，转子旋转磁场可分解为正、负序分量。

正序分量和正常时的情况一样，与电动机定子磁场相互形成一恒值转矩；负序磁场和定子旋转作用将会形成一谐波转矩，其频率为sf2，这样就避免了工频的频谱泄露淹没故障特征分量。

但由于测试装置带来的误差，采集到的电动机电压、电流中含有微弱的波动成分，这些波动成分对磁链数值的影响很大，造成电动机转矩强烈的波动，从而导致该方法的优越性大减。

【3】基于电动机失电定子残余电压的分析方法：这种方法的突出优点在于—对电动机进行故障诊断不受电源不完善的影响，且它是从电动机本身进行测试，不受负载的影响。

但是，在电动机失电后，转子电流会很快衰减，故它对失电残压的影响也很快减小，这便给失电残压的信号检测带来影响。

【4】基于定子电流的Hilbert变换：这一方法主要是通过将信号的Hilbert 变换定义到复平面上（Hilbert模式），通过对比转子正常情况和转子断条情况，得出定子电流信号在转子正常情况下为一圆形，而转子断条情况下为一圆环形这一结论。

并利用图形缩放技术进行观察，从而得出电动机转子有无断条故障的诊断结果。

【5】基于小波脊线的转子断条特征频率提取：小波变换具有自适应多尺度分频特性，可以将多频率分量混合信号按尺度对应的频带依次分离开来，分别得出相应频率成分的幅值和相位信息。

在采用小波脊线提取信号瞬时特性频率时，选取不同的尺度迭代初值，即可以提取所需要的时频脊线，进而给出转子故障特征在电动机启动过程中的变化曲线。

异步电动机检测是通过应用先进的技术手段，在线监测异步电动机相关运行参数（如电压、电路、磁通、转速、温度、振动、局部放电等），判断其是否正常状态，以确定合理的检修方案，从而达到避免事故停机、提高设备运行可靠性、降低维修费用的目的。

3 本文的主要研究方法法与研究内容本文的主要研究方法是通过傅立叶变换对电动机定子电流进行分析提取出故障特征分量，由于存在50Hz的工频干扰，需经自适应陷波器，以滤除50Hz 的工频干扰，更好的提取出特征分量。

对于三相鼠笼式异步电动机断条故障诊断的方法目前有很多种，常用的有傅里叶变换方法、基于小波变换的诊断方法、温升诊断方法、输出功率诊断方法、Park变换方法、神经网络诊断方法、基于自适应陷波器的诊断方法等，通过对国内、外关于鼠笼式异步电动机断条故障诊断文献的总结，可知目前基于小波包变换的电动机断条故障方法最为前沿，通过以上几种方法的比较以及本人所学知识的程度和能力的限制，本文所采用的诊断方法是傅里叶变换和自适应陷波器相结合，来提取电动机断条的特征分量。

本文的主要的研究内容如下：（1）实验系统的理论性研究。

在分析电动机结构、原理及断条原理、原因的基础上，根据断条特征分量与基波分量的特征，对实验信号进行了接近实际信号的模拟，并得出了理论性的波形与分析。

（2）通过在对常用的傅里叶变换在信号处理中存在的局限性进行分析的基础上，引入了自适应陷波器这一分析方法，来实现电动机断条故障的诊断（即特征分量的提取）。

（3）实验结果及其分析。

在这一部分，主要针对断条的基频与特征分量的特征进行了实验数据的故障诊断，通过分析诊断结果及仿真波形，得出了所用方法的可行性与可靠性。

第二章电动机的结构与工作原理1 电动机结构及原理分析1.1 组成结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。

此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如下图2-1所示：图2-1封闭式三相笼型异步电动机结构图1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇1.2 转子的结构、定子的结构★转子部分转子是电动机的转动部分，作用是带动其他机械设备旋转。

转子由转子铁心、转轴和转子绕组三部分组成。

（1）转子铁心转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，通常套在转轴上，其作用和定子铁心相同，即：一方面作为电动机磁路的一部分，另一方面用来安放转子绕组。

（2）转子绕组异步电动机的转子绕组一般有两种形式即：绕线形与笼形两种，故而可将异步电动机分为绕线转子异步电动机与笼形转子异步电动机。

①绕线形绕组它与定子绕组一样也是一个三相绕组，通常的连接形式是星形连接，其中的三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，因此在转子电路中串接电阻或电动势用以改善电动机的运行性能是可行的，见图2-2所示。

1—集电环；2—电刷；3—变阻器图2-2绕线形转子与外加变阻器的连接②笼形绕组笼型绕组的转子如图2-3所示。

在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图（a）所示。

也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图（b）所示。

通常情况下100kW以下的异步电动机采用铸铝转子。

（a）铜排转子 (b) 铸铝转子图2-3笼形转子绕组★定子部分三相电动机的定子是用来产生旋转磁场的。