感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
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相上，将电机稳态运行时的电流信号转换成电压信
号，再利用 DSO- 2lUU 控制软件对信号采集和存储。
图l 故障诊断试验系统框图
DSO- 2lUU 双 通 道 数 字存储示波器是通过并行 口与计算机相连。它的每 个通道具有lUU MHZ"s 的 采样速率和32 k 的采样深 度，它还有5U MHZ 的频谱 分析 仪 功 能 和 存 储 功 能， 并且可以通过并行口将数 据送入计算机。本系统采 用l UUU HZ 的采样频率， 32 k 的 采 样 深 度，频 率 分 图2 数据采集流程图
第32 卷第4 期
黑龙江水专学报
Vol. 32 ，No .4
2005 年12 月
Jour nal of ~eilongji ang ~ydraulic Engi neeri ng College
Dec . ，2005
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
24
黑龙江水专学报
第32 卷
表达式为
m l = Kl N li lsi n（!t - l"）
（l ）
式中 Kl 为与极对数、绕组系数有关的常数；N l 为
定子绕组每相匝数；i l 为定子电流；! 为电网角频
率；" 为以机械角度表示的初相角。
转子绕组相位角
#= "- !rt
（2 ）
式中!r 为转子旋转角速度。
号进行采样，把采集到的信号通过并行口输入到计 算机中，再通过调用 MATLAB 引擎对采集到的信 号进行频谱分析，同时根据故障诊断原理进行频谱 寻峰，并提取出特征频率成份，从而实现对电机故障 的自动诊断。
目前常用的转子断条在线监测分析方法是采用 快速傅里叶变换对采集到的定子电流信号进行频谱 分析，但是在C + + Buil der 环境下要实现快速傅里 叶变换及 绘 图 功 能，需 要 编 写 大 量 的 代 码，费 时 费 力。然而 MATLAB 具有强大的科学计算功能和面 向不 同 领 域 的 工 具 箱。 因 此，本 文 采 用 C + + Buil der 与 MATLAB 混合编程的方法，大大减少了 源代码的编写［1 ］。
第4 期
张春喜，等. 感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
25
辨率可以达到0. 030 5 。 图2 是系统数据采集流程图。在电机定子电流信
号的采集过程中，系统会对外部触发信号进行检测，当
监测到有信号触发时，软件会自动进行数据的采集更
换，否则系统就会一直处于等待触发信号状态。
3 数据处理及试验结果分析
（6 ）
由于转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的，
并将式（3 ）代入，则得到反映定子磁动势的表达式为
ml
=
m2
=
K2 N 2i 2
2 ｛cos［（!-2!r
）t -3"］
-cos［（!-2!r ）t + "］｝
（7 ）
对于两极电机，其转差率s 为
s
=
!- !r !
即
（8 ）
!r =（l -s ）! 式（9 ）代入式（7 ）即得
图4 正常时的频谱图
图5 有1 根断条时的频谱图
图3 自动诊断流程图
本试验是通过在电机转子导条上穿孔，使电机 类似于真实的断条。试验开始时先采集一组电机正 常时的信号并保存。采集完后再在电机导条上穿一 个孔，使电机在有一根断条的情况下运行，当运行稳 定后开始采样分析，把每次采集到的数据和分析得 到的结果保存起来，最后再取平均值并送往显示。
比电源电流角频率低2s ! 的三相电流分量，它与电
源电流频率十分接近，由于它的调制作用，定子电流
将会出现周期性变化，电流周期性的脉动将使定子
电流表指针发生摆动，也使电机的转矩随之而脉动，
从而使异步电机转子转速也将按2 倍转差频率而波 动。转速波动将使异步电机的电流在以电源频率为
中心，在 2sJ 上、下限之间变化，由于电机定子中 三次谐波磁通的调制作用，这种转速和电流的波动
对于两极（l = l ）电机来说，其磁动势为
m l = Kl N li lsi n（（!- !r ）t -#） （3 ）
转子转速与定子旋转磁场之差即为转差率，转
子绕组在定子旋转磁场作用下，将感应电势产生的
电流，建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动 势，转子磁动势基波的表达式为
m 2 = K2 N 2i 2si n（（!- !r ）t -#） （4 ） 式中 K2 为与极对数和转子绕组系数有关的常数； N 2 为转子绕组匝数；i 2 为转子电流。
（9 ）
ml
=
K2 N 2i 2
2 ｛cos［（3 -2s
）!t -3"］-cos
［（l -2s ）!t -"］｝
（lU ）
由式（lU ）可见，磁动势表达式中第一项磁动势
分量含有3!t 和3"，将在三相定子绕组中产生一个
零序电动势，此电动势对电源电流并无影响。第二
项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2s ! 的 分量，这个分量将使异步电机定子绕组中出现一个
当转子绕组存在故障时，例如，有一根断条时， 转子电流的磁动势被si n 2# 所调制，这时转子绕组 磁动势将变为以下表达式
m 2 = K2 N 2i 2si n（（!- !r ）t -#）si n 2# （5 ）
因此
m2
=
K2 N 2i 2
2 ｛cos［（!- !r
）t - 3#］-cos
［（!- !r ）t -#］｝
syste m realized t he aut o matic di agnosis f uncti on about t he f ault of t he broken bars . Key words ：i nducti on mot or ；f ault detecti on and di agnosis ；broken bars ；Fourier transf or ms
图4 、图5 和图6 是在同一负载下采样得到的。 从图中可以很清楚地观察到边频带是随着断条数目 的增多而增大。从系统分析结果看，图4 显示 N= 0. 002 3 ，图 5 显 示 N = 0. 975 35 ，图 6 显 示 N = 3. 071 15 ，分析结果与在转子导条上穿孔的根数相 符，说明本系统所使用的方法对判断转子断条故障 是完全正确的。
本系 统 在 C + + Buil der 环 境 下 通 过 调 用 MATLAB 引 擎 对 采 样 信 号 进 行 频 谱 分 析，生 成 MATLAB 频谱图，同时返回信号的频谱数组。在 C + + Buil der 环境下，根据特征频率值在频谱数组中 进行频谱寻峰。首先在50 ~z 附近读出最大值即为 基频分量I1 ，因为特征频率（1 -2s）f 和电源频率f 相差约为0. 5 !5 ~z ，因此可以在45 !49. 5 ~z 之间 进行寻峰，这个峰值就是特征频率（1 -2s）f 的幅值 I2 。用户只要在应用程序中输入电机的极对数和转 子铁心槽数，系统就会根据式（11 ）计算出故障电机 的断条根数并自动地显示给用户。图3 是本系统的 自动诊断流程图。
0 引言
随着现代工业及科学技术的迅速发展，电机已 成为现代工业发展必不可少的条件。但是电机一旦 发生故障，必将给企业生产造成损失。人们为提高 生产和工作的可靠性，对电机进行定期地维修，这样 必定要花费大量的人力、物力和财力，甚至会造成拆 卸过程中的损坏。为此，在近10 a 的发展中，逐渐 形成了一种电机故障预测维修技术。其关键是检测 电机的运行状态，将不正常的运行数据（如振动、电 流）采集下来，通过各种分析手段，判明故障原因和 故障严重程度，以便对故障电机进行重点维修。
2 虚拟数字示波器 DSO- 2lUU 的检测系统
试验系统采用如图l 所示的故障诊断方案。在 系统选用ll k W 的感应电动机作为样机。电动机 的型号是 Y- l8U M- 4 ，极对数 P = 4 ，转子铁心槽数 R = 44 。图中的直流发电机和变阻箱作为电动机的 负载。手钳式电流互感器钳在电动机定子线圈的一
关键词：感应电机；故障检测与诊断；转子断条；傅里叶变换
中图分类号：TM307 + .1
文献标Hale Waihona Puke Baidu码：A
The research of t he f ault diagnosis syste mi n i nducti on motor Wit h broken bars
ZHANG chun- xi ，LI U Hai-li ，LU Zhi- xi ang ，LI U Lei-lei
（~arbi n Uni versit y of Science and Technology ，~arbi n 150040 ，Chi na ）
Abstract ：This paper anal yzed t he di agnosis pri nci ple about t he i nducti on motor ，developed a f ault di agnosis sys-
te m based on t he DSO- 2100 hypot hesized di gital oscilloscope . This syste m used C + + Buil der and t he MAT-
LAB mi x- progra mmi ng met hod t o co mplete t he si gnal t he spectral anal ysis and Wit hdre W t he peak val ue of t he characteristic f reCuency spectru m，and also co mpleted t he data acCuisiti on module . Accordi ng to t he result ，t his
本试验总共采集了3 组数据，每组有50 多条，分 别是电机正常，有1 根断条和3 根断条时的数据。并 且每次采集得到的分析结果和实际情况完全相符。
4 结语
图6 有3 根断条时的频谱图
本文是基于 DSO- 2100 虚拟数字存储示波器而 设计的一个故障诊断系统，通过其并口将数据存入
将更加明显。边频带电流和基波电流的比值，与感
应电动机转子断条损坏程度有着直接的关系［2 !3 ］。
电机转子断条数目可由式（ll ）估计
N !2 R"（i l"i 2 + 2l ）
（ll ）
式中i l 和i 2 分别为J 和（l -2s ）J 频谱幅值；R 为转 子铁心槽数；l 为电机极对数；N 为转子断条数目［4 ］。
1 转子断条诊断原理
理想的感应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 流频谱图上就会在与电源频率相差2 倍转差频率（2 sf ）的位置上各出现一个边频带，这一现象已经由英 国 ~argis 等学者的理论所证实，且特征频率（1 2!）" 和电源频率" 非常接近，两者 相 差 约 0. 5 ! 5 ~z 。一台极对数为 # 的感应电动机，当电网供电 频率为f 时，电机定子绕组上将产生磁动势，其基波
文章编号：1000 -9833（2005 ）04 -0023 -03
感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
张春喜，刘海丽，吕志香，刘蕾蕾
（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨 150040 ）
摘 要：对感应电动机转子断条故障诊断原理进行了详细分析，开发出了一套基于 DSO-2100 虚拟数字示波器的故障诊断系统。 本系统采用 C + + Buil der 与 MATLAB 混合编程的方法完成了对采集信号的频谱分析和对特征频谱提取，并完成了数据 采集模块的设计，实现了对电机转子断条故障的自动诊断功能。
在实际 运 行 中，转 子 故 障 以 断 条 和 偏 心 居 多。 因此，本文采用定子电流检测法，对感应电动机转子 断条故障进行了重点分析和研究。本系统利用虚拟 数字示波器 DSO - 2100 对感应电动机定子电流信
收稿日期：2005 -09 -13 基金项目：黑龙江省青年基金项目（@98 -26 ） 作者简介：张春喜（1964 - ），男，河北唐山人，教授，研究方向为 电力电子与电力传动；刘海丽（1979 - ），女，陕西渭南人，硕士研究 生，研究方向为感应电机的故障检测；吕志香（1979 - ），女，江苏扬州 人，助教，硕士；刘蕾蕾（1982 - ），女，黑龙江拜泉人，硕士研究生。
号，再利用 DSO- 2lUU 控制软件对信号采集和存储。
图l 故障诊断试验系统框图
DSO- 2lUU 双 通 道 数 字存储示波器是通过并行 口与计算机相连。它的每 个通道具有lUU MHZ"s 的 采样速率和32 k 的采样深 度，它还有5U MHZ 的频谱 分析 仪 功 能 和 存 储 功 能， 并且可以通过并行口将数 据送入计算机。本系统采 用l UUU HZ 的采样频率， 32 k 的 采 样 深 度，频 率 分 图2 数据采集流程图
第32 卷第4 期
黑龙江水专学报
Vol. 32 ，No .4
2005 年12 月
Jour nal of ~eilongji ang ~ydraulic Engi neeri ng College
Dec . ，2005
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
24
黑龙江水专学报
第32 卷
表达式为
m l = Kl N li lsi n（!t - l"）
（l ）
式中 Kl 为与极对数、绕组系数有关的常数；N l 为
定子绕组每相匝数；i l 为定子电流；! 为电网角频
率；" 为以机械角度表示的初相角。
转子绕组相位角
#= "- !rt
（2 ）
式中!r 为转子旋转角速度。
号进行采样，把采集到的信号通过并行口输入到计 算机中，再通过调用 MATLAB 引擎对采集到的信 号进行频谱分析，同时根据故障诊断原理进行频谱 寻峰，并提取出特征频率成份，从而实现对电机故障 的自动诊断。
目前常用的转子断条在线监测分析方法是采用 快速傅里叶变换对采集到的定子电流信号进行频谱 分析，但是在C + + Buil der 环境下要实现快速傅里 叶变换及 绘 图 功 能，需 要 编 写 大 量 的 代 码，费 时 费 力。然而 MATLAB 具有强大的科学计算功能和面 向不 同 领 域 的 工 具 箱。 因 此，本 文 采 用 C + + Buil der 与 MATLAB 混合编程的方法，大大减少了 源代码的编写［1 ］。
第4 期
张春喜，等. 感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
25
辨率可以达到0. 030 5 。 图2 是系统数据采集流程图。在电机定子电流信
号的采集过程中，系统会对外部触发信号进行检测，当
监测到有信号触发时，软件会自动进行数据的采集更
换，否则系统就会一直处于等待触发信号状态。
3 数据处理及试验结果分析
（6 ）
由于转子磁动势和定子磁动势是相互平衡的，
并将式（3 ）代入，则得到反映定子磁动势的表达式为
ml
=
m2
=
K2 N 2i 2
2 ｛cos［（!-2!r
）t -3"］
-cos［（!-2!r ）t + "］｝
（7 ）
对于两极电机，其转差率s 为
s
=
!- !r !
即
（8 ）
!r =（l -s ）! 式（9 ）代入式（7 ）即得
图4 正常时的频谱图
图5 有1 根断条时的频谱图
图3 自动诊断流程图
本试验是通过在电机转子导条上穿孔，使电机 类似于真实的断条。试验开始时先采集一组电机正 常时的信号并保存。采集完后再在电机导条上穿一 个孔，使电机在有一根断条的情况下运行，当运行稳 定后开始采样分析，把每次采集到的数据和分析得 到的结果保存起来，最后再取平均值并送往显示。
比电源电流角频率低2s ! 的三相电流分量，它与电
源电流频率十分接近，由于它的调制作用，定子电流
将会出现周期性变化，电流周期性的脉动将使定子
电流表指针发生摆动，也使电机的转矩随之而脉动，
从而使异步电机转子转速也将按2 倍转差频率而波 动。转速波动将使异步电机的电流在以电源频率为
中心，在 2sJ 上、下限之间变化，由于电机定子中 三次谐波磁通的调制作用，这种转速和电流的波动
对于两极（l = l ）电机来说，其磁动势为
m l = Kl N li lsi n（（!- !r ）t -#） （3 ）
转子转速与定子旋转磁场之差即为转差率，转
子绕组在定子旋转磁场作用下，将感应电势产生的
电流，建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动 势，转子磁动势基波的表达式为
m 2 = K2 N 2i 2si n（（!- !r ）t -#） （4 ） 式中 K2 为与极对数和转子绕组系数有关的常数； N 2 为转子绕组匝数；i 2 为转子电流。
（9 ）
ml
=
K2 N 2i 2
2 ｛cos［（3 -2s
）!t -3"］-cos
［（l -2s ）!t -"］｝
（lU ）
由式（lU ）可见，磁动势表达式中第一项磁动势
分量含有3!t 和3"，将在三相定子绕组中产生一个
零序电动势，此电动势对电源电流并无影响。第二
项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2s ! 的 分量，这个分量将使异步电机定子绕组中出现一个
当转子绕组存在故障时，例如，有一根断条时， 转子电流的磁动势被si n 2# 所调制，这时转子绕组 磁动势将变为以下表达式
m 2 = K2 N 2i 2si n（（!- !r ）t -#）si n 2# （5 ）
因此
m2
=
K2 N 2i 2
2 ｛cos［（!- !r
）t - 3#］-cos
［（!- !r ）t -#］｝
syste m realized t he aut o matic di agnosis f uncti on about t he f ault of t he broken bars . Key words ：i nducti on mot or ；f ault detecti on and di agnosis ；broken bars ；Fourier transf or ms
图4 、图5 和图6 是在同一负载下采样得到的。 从图中可以很清楚地观察到边频带是随着断条数目 的增多而增大。从系统分析结果看，图4 显示 N= 0. 002 3 ，图 5 显 示 N = 0. 975 35 ，图 6 显 示 N = 3. 071 15 ，分析结果与在转子导条上穿孔的根数相 符，说明本系统所使用的方法对判断转子断条故障 是完全正确的。
本系 统 在 C + + Buil der 环 境 下 通 过 调 用 MATLAB 引 擎 对 采 样 信 号 进 行 频 谱 分 析，生 成 MATLAB 频谱图，同时返回信号的频谱数组。在 C + + Buil der 环境下，根据特征频率值在频谱数组中 进行频谱寻峰。首先在50 ~z 附近读出最大值即为 基频分量I1 ，因为特征频率（1 -2s）f 和电源频率f 相差约为0. 5 !5 ~z ，因此可以在45 !49. 5 ~z 之间 进行寻峰，这个峰值就是特征频率（1 -2s）f 的幅值 I2 。用户只要在应用程序中输入电机的极对数和转 子铁心槽数，系统就会根据式（11 ）计算出故障电机 的断条根数并自动地显示给用户。图3 是本系统的 自动诊断流程图。
0 引言
随着现代工业及科学技术的迅速发展，电机已 成为现代工业发展必不可少的条件。但是电机一旦 发生故障，必将给企业生产造成损失。人们为提高 生产和工作的可靠性，对电机进行定期地维修，这样 必定要花费大量的人力、物力和财力，甚至会造成拆 卸过程中的损坏。为此，在近10 a 的发展中，逐渐 形成了一种电机故障预测维修技术。其关键是检测 电机的运行状态，将不正常的运行数据（如振动、电 流）采集下来，通过各种分析手段，判明故障原因和 故障严重程度，以便对故障电机进行重点维修。
2 虚拟数字示波器 DSO- 2lUU 的检测系统
试验系统采用如图l 所示的故障诊断方案。在 系统选用ll k W 的感应电动机作为样机。电动机 的型号是 Y- l8U M- 4 ，极对数 P = 4 ，转子铁心槽数 R = 44 。图中的直流发电机和变阻箱作为电动机的 负载。手钳式电流互感器钳在电动机定子线圈的一
关键词：感应电机；故障检测与诊断；转子断条；傅里叶变换
中图分类号：TM307 + .1
文献标Hale Waihona Puke Baidu码：A
The research of t he f ault diagnosis syste mi n i nducti on motor Wit h broken bars
ZHANG chun- xi ，LI U Hai-li ，LU Zhi- xi ang ，LI U Lei-lei
（~arbi n Uni versit y of Science and Technology ，~arbi n 150040 ，Chi na ）
Abstract ：This paper anal yzed t he di agnosis pri nci ple about t he i nducti on motor ，developed a f ault di agnosis sys-
te m based on t he DSO- 2100 hypot hesized di gital oscilloscope . This syste m used C + + Buil der and t he MAT-
LAB mi x- progra mmi ng met hod t o co mplete t he si gnal t he spectral anal ysis and Wit hdre W t he peak val ue of t he characteristic f reCuency spectru m，and also co mpleted t he data acCuisiti on module . Accordi ng to t he result ，t his
本试验总共采集了3 组数据，每组有50 多条，分 别是电机正常，有1 根断条和3 根断条时的数据。并 且每次采集得到的分析结果和实际情况完全相符。
4 结语
图6 有3 根断条时的频谱图
本文是基于 DSO- 2100 虚拟数字存储示波器而 设计的一个故障诊断系统，通过其并口将数据存入
将更加明显。边频带电流和基波电流的比值，与感
应电动机转子断条损坏程度有着直接的关系［2 !3 ］。
电机转子断条数目可由式（ll ）估计
N !2 R"（i l"i 2 + 2l ）
（ll ）
式中i l 和i 2 分别为J 和（l -2s ）J 频谱幅值；R 为转 子铁心槽数；l 为电机极对数；N 为转子断条数目［4 ］。
1 转子断条诊断原理
理想的感应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 流频谱图上就会在与电源频率相差2 倍转差频率（2 sf ）的位置上各出现一个边频带，这一现象已经由英 国 ~argis 等学者的理论所证实，且特征频率（1 2!）" 和电源频率" 非常接近，两者 相 差 约 0. 5 ! 5 ~z 。一台极对数为 # 的感应电动机，当电网供电 频率为f 时，电机定子绕组上将产生磁动势，其基波
文章编号：1000 -9833（2005 ）04 -0023 -03
感应电动机转子断条故障诊断系统的研究
张春喜，刘海丽，吕志香，刘蕾蕾
（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨 150040 ）
摘 要：对感应电动机转子断条故障诊断原理进行了详细分析，开发出了一套基于 DSO-2100 虚拟数字示波器的故障诊断系统。 本系统采用 C + + Buil der 与 MATLAB 混合编程的方法完成了对采集信号的频谱分析和对特征频谱提取，并完成了数据 采集模块的设计，实现了对电机转子断条故障的自动诊断功能。
在实际 运 行 中，转 子 故 障 以 断 条 和 偏 心 居 多。 因此，本文采用定子电流检测法，对感应电动机转子 断条故障进行了重点分析和研究。本系统利用虚拟 数字示波器 DSO - 2100 对感应电动机定子电流信
收稿日期：2005 -09 -13 基金项目：黑龙江省青年基金项目（@98 -26 ） 作者简介：张春喜（1964 - ），男，河北唐山人，教授，研究方向为 电力电子与电力传动；刘海丽（1979 - ），女，陕西渭南人，硕士研究 生，研究方向为感应电机的故障检测；吕志香（1979 - ），女，江苏扬州 人，助教，硕士；刘蕾蕾（1982 - ），女，黑龙江拜泉人，硕士研究生。