第七章异步电机故障诊断方法

• 3 基于交流调速、负载扰动的故障诊断 • 目前，有关感应电机的故障诊断主要集中在 空载状态下的故障诊断。但随着交流调速技术 的发展，感应电机已成为工业中主要的能量转 换设备。因此，研究基于交流调速的感应电机 故障诊断的现实意义十分明显。但交流调速系 统的感应电机故障诊断却远比单个感应电机复 杂，其主要的原因在于逆变器的开关频率噪声 对故障诊断系统的影响。负载扰动的情况下， 故障特征信息受到影响，如何消除故障信息中 的影响，是值得研究的问题。
第七章异步电机故障诊断方法
• • • • • 第一节 感应电机故障诊断研究现状与发 展趋势 第二节 感应电动机常见故障及处理 第三节 笼型异步电机故障 第四节 转子断条故障的诊断
第一节 感应电机故障诊断研究现 状与发展趋势
• 感应电机故障诊断技术主要分为基于模型、基 于信号分析两种类型。基于模型的故障诊断方 法需要精确的感应电机模型，但对非线性、强 耦合、多变量的感应电机来说，建立精确的数 学模型并非易事，而且在运行中，感应电机的 很多物理量都会发生一定的变化。基于信号分 析的故障诊断方法是通过一定的信号处理技术 从信号中提出故障特征，然后通过模式识别来 判断是否存在故障、故障类型和故障严重程度 。基于信号分析的感应电机故障诊断理论和方 法的研究现状发展趋势有如下。
• 几乎40%的感应电机故障都属于定子故障，主 要是由线圈中相邻绕组间绝缘故障引起，即匝 间短路。由此产生的感应电流导致过热和气隙 磁场不平衡。如果不及时检测，局部过热将导 致更大的定子绝缘损害，甚至造成灾难。 • 大约有10%的感应电机故障属于转子故障。 一般的电机机械故障为转子断条或端环断裂， 这些将使电机在运行过程中发热，使导条和端 环受到循环热应力和变形，导致故障进一步扩 大。转子偏心将在定子中产生不均衡的气隙， 引起轴承故障和机械故障。
• 4 高阶统计 • 有些文献中采用功率谱分析，它是二阶统计量分析 ，给出信号不同频率成分下的能量分布情况，当感应 电机出现故障时，频谱能量分布会有所改变。但是功 率谱分析不包含频率成分间的相位信息，无法处理非 最小相位系统和非高斯信号。有的文献对感应电机的 振动信号进行双谱分析，提取故障特征信息，还有文 献[则提出两种基于HOS的非参数相位分析方法和参数 线性和非线性模型方法，对感应电机的故障进行诊断 ，取得较好的效果。高阶统计方法具有对Gaussian分布 测量噪声不敏感的优良品质。
• （3）电流、温度异常 • 电动机工作电流不应该超过其铭牌规定，三相 电流不平衡不应超过10%；各部位温升在允许 范围内（轴承A级60℃，E级55℃）。否则应视 情况采取必要措施。 • （4）电压异常 • 电动机正常运行时，三相电压同时升降，变动 在353V～406V之间。若三相电压升高不相等 ，说明出现故障应检查处理。
一、感应电机故障类别
• 感应电机故障根据电机的主要组成部分分为：定子部 分故障，转子部分故障，轴承故障和气隙偏心等故障 。 • 轴承是感应电机最容易发生故障的部分，占感应电机 故障总数的百分之41。感应电机轴承故障主要是由于 过载、润滑不良、安装不正、轴电流以及异物进入等 原因引起的轴承磨损，表面剥落、腐蚀甚至碎裂等。 轴承故障能在机械振动信号和其他传感器信号（如电 流）中产生特征频率部分，对这些信号进行分析能确 定轴承故障。
• （5）电网电压太低或线路压降太大（超过10%）。如电动机主回 路某处有接触不良或电网电压太低等造成电动机电磁转矩大大下 降，使得电机过载。检查主回路消除接触不良现象或调整电网电 压。 • （6）通风量不够。如鼓风机的风量、风速不足，电动机内部的热 量就无法排出而过热，应更换适当的通风设备 • （7）斜叶风扇的旋转方向不当与电动机不配合。此时应调整斜叶 风扇使其与电动机相配全。从理论上讲电动机均可正反转，但有 些电动机的风扇有方向性，如反了，温升会超出许多。 • （8）电枢铁心绝缘损坏。此时应重新更换绝缘。 • （9）风道阻塞。此时应用毛刷将风道清理干净
• 4 先进故障诊断方法的引入和融合 • 随着信号处理技术、计算机技术以及人工智 能的发展，许多先进的技术都被引入到感应电 机故障诊断中。但许多先进技术和理论并没完 全成熟，如何进一步提高这些方法的有效性尚 待进一步研究，如何融合先进方法，充分发挥 各自优点，也是故障诊断技术发展的方向之一 。
六、结语
五、wk.baidu.com动机不能起动或带负载时 转速低于额定转速的原因及处理
• （1）熔断器熔断，有一相不通或电源电 压过低。检查电源电压及开关、熔断器 工作情况。 • （2）定子绕组中或外电路有一相断开。 从电源逐点检查，发现断线并接通。 • （3）绕线式电机转子绕组电路不通或接 触不良。消除断点。
• 3 时频分析方法 • 常用频率分析方法中的傅里叶转换是假设频 谱在采样时间内不变。由于感应电机负载扰动 、电源电压交化等，感应电机故障信号是非平 稳信号。显然，单纯采用傅里叶变换无法达到 良好的效果。 • 时一频技术可分为线性和非线性时频表示两 种，线性的主要有短时傅立叶变换、小波变换 ，非线性的主要有Wigner-Ville分布等。
二、故障信号选择
• 电机是高度对称的，各种形式的故障都影响 他的对称性。这导致定子、转子之间的磁通产 生相应的改变，从而改变定子电流、电压、磁 场和机械振动。通过对这些信号的分析，能对 感应电机的健康状态进行分析并判断故障的严 重程度（如表1）。如通过电流信号能识别感 应电机所有故障，振动信号分析能识别转子故 障、轴承以及气隙偏心等故障，而轴磁通则能 识别除轴承意外的其他故障，与之相反，润滑 油则只能识别轴承故障。
• 感应电机的故障诊断的研究和发展具有 重要的现实意义。常见的故障诊断系统 主要包括信号提取、信号处理以及故障 状态识别三个部分。
第二节 感应电动机常见故障及处 理
．一、电动机温升过高的原因及 处理
• （1）电动机长期过载。电动机过载时流过各绕组的电 流超过了额定电流，会导致电动机过热。若不及时调 整负载，会使绕组绝缘性能变差，最终造成绕组短路 或接地，使电动机不能正常工作。 • （2）未按规定运行。电动机必须按规定运行，例如， “短时”和“断续”的电动机不能长期运行，因其绕 组线径及额定电流均比长期运行电动机小。 • （3）电枢绕组短路。可用短路侦察器检查，若短路点 在绕组外部，可进行包扎绝缘；若短路点在绕组内部 ，原则上要拆除重绕。 • （4）主极绕组断路。可用检验灯检查绕组，若断路点 在绕组外部，可重新接好并包扎绝缘；若断路点在绕 组内部，则应拆除重绕。
四、故障状态识别方法
• 故障诊断的关键步骤是根据提取的特征或故 障参数，来决定是否存在故障、故障类别以及 故障严重程度。一个可靠的故障诊断和分类策 略离不开大量的“健康”和故障状态的参考数 据。故障诊断的精确性往往受刭参考数据的大 小、长度以及数量的限制。 • 目前，用于故障诊断的状态识别方法主要有 基于统计模式识别方法和人工神经网络方法。
三、信号处理技术
• 信号处理技术就是处理检测到的信号 ，以产生和呈现故障和不明故障相关的 特征值或参数（如与故障相关的频率组 成部分）。
• 1 时域分析 • 常用的时域特征提取方法，如时间序 列模型法，它通过对信号进行分析，建 立它的时间序列模型，模型的参数既能 反映系统固有的特性，又反映系统在外 界作用下的输出特性。其中常见的模型 有AR模型、ARMA模型。
五、发展趋势
• 1 多传感器数据融合 • 目前，大部分研究都采用单一信号处理技术 来做故障诊断，但由于感应电机本身的复杂性 和恶劣的运行环境，信号难免会受到电源电压 波动和负载扰动的影响。因此，探讨从多传感 器中提取综合信号并处理能提高故障诊断的精 确性。
• 2 混合故障诊断 • 对感应电机的几种基本故障，都能从相关文 献中找到他们的特征频率，如定子绕组匝间短 路、转子断条以及轴承故障等。但当感应电机 存在多种故障时，则可能相互依赖以及故障特 征值相互影响从而增加故障复杂性。因此，如 何研究多类型故障的诊断是未来发展的热点问 题。
• 2）电气的故障 • （1）起动时的故障。由于接线错误、线路断路、工作电压不对、 负载力矩过高或静力矩过大、起动设备有故障等所引起。 • （2）过热的原因。由于线路电压高于或低于额定值、过负荷、冷 却空气量不足、冷却空气温度过高、匝间短路及电机不清洁等所 引起。 • （3）绝缘损坏。可能是由于工作电压过高，酸性、碱性、氯气等 腐蚀性气体的损坏、太脏、过热，机械碰伤、湿度过高，在温度 低于0℃下保存和水分侵入等所引起。 • （4）绝缘电阻低的原因。由于不清洁、湿度太大，因温度变化过 大、以至表面凝结水滴，绝缘磨损和老化等所引起。
二、三相异步电动机运行中的故 障及主要原因
• 1）机械故障 • （1）轴承的过热。可能是由于润滑脂不足或过多，转 轴弯斜，转轴磨擦过大，润滑脂内有杂质及外来物品 以及钢珠损坏等所引起。 • （2）电动机的振动。机组的轴线没有对准，电动机在 底板上的位置不正，转轴弯曲或轴颈振动，联轴器配 合不良，转子皮带盘及联轴器平衡不良，鼠笼转子导 条或短路环断路，转子铁心振动，底板不均匀的下沉 ，底板刚度不够，底板的振动周期与电动机（机组） 的振动周期相同或接近，皮带轮粗糙或皮带轮装置不 正，转动机构工作不良及有碰撞现象等引起。 • （3）转子偏心。可能是由于轴衬松掉，轴承位移，转 子及定子铁心变形，转轴弯曲及转子平衡不良等引起
四、电动机外壳带电的原因及排 除
• （1）电动机绕组的引出线或电源线绝缘损坏 在接线盒处碰壳，使外壳带电。应对引出线或 电源线的绝缘进行处理。 • （2）电动机绕组绝缘严重老化或受潮，使铁 心或外壳带电。对绝缘老化的电动机应更换绕 组；对电动机受潮的应进行干燥处理。 • （3）错将电源相线当作接地线接至外壳，使 外壳直接带有相电压。应找出错接的相线，按 正确接线改正即可。
• （4）线路中出现接线错误，如在中性点接地的三相四 线制低压系统中，有个别设备接地而不接零。当这个 接地而不接零的设备发生碰壳时，不但碰壳设备的外 壳有对地电压，而且所有与零线相连接的其他设备外 壳都会带电，并带有危险的相电压。应找出接地而不 接零的设备，重新接零，并处理设备的碰壳故障。 • （5）接地电阻不合格或接地线断路。应测量接地电阻 ，接地线必须良好，接地可靠。 • （6）接线板有污垢。应清理接线板。 • （7）接地不良或接地电阻太大。找出接地不良的原因 ，采取相应措施予以解决
• 检测机械振动信号是一种传统的技术，在机械故障诊 断方面有着广泛的应用。通常在旋轴上安装一个压电 传感器，由于其产生的电压信号正比于加速度，因此 它能很好地反应旋转机械的振动信息。但加速度传感 器存在价格昂贵、安装不便以及可靠性较差的缺点。 定子电流信号是另一种常用的分析信号，通常用霍尔 电流探测针来测量，相对机械振动信号，它具有安装 简单、价格便宜、非侵入式以及与电机控制系统共享 电流信号的特点，已成为感应电机故障诊断信号分析 的热点。此外，电磁转矩、Park矢量、轴向磁通、润 滑油以及温度等物坦量，也可用于故障诊断。
• 2 频域分析 • 傅里叶变换将信号由时域转换到频域，使时 域内很难观测到的现象和规律，在频域内能得 到较好的反映。采用傅里叶变换的频率分析是 常用的感应电机故障信号处理方法。但由于傅 里叶变换是完全在频域展开，没有包含时域信 息，其积分平滑了信号中突变的非平稳部分， 在处理时变（非平稳）的感应电机故障信号时 ，无法获知突变时刻故障信号的频率部分。
三、运行中的电动机会有哪些异 常现象？如何处理
• （1）异声 • 处于正常状态的电动机，在距离稍远地方听起 来是一种均匀而单调的声音，并带一点排风声 ，靠近电机后，特别是用螺丝刀顶住电机各部 位时，就可以清楚听到风扇排风声、轴承滚动 声、微微振动声，其声音同样使人感到单调而 均匀，如果在这种单调而均匀的声音中夹杂着 一种不正常声响，此既为异声。 • （2）气味 • 电动机运行时，如闻到电动机发出焦灼气味， 说明电动机已有故障，应立即采取措施。