感应电动机故障类型及诊断方法研究

　　下面文章主要对感应电动机的故障类型和常用故障诊断方法进行了综述，基于电流特征分析对感应电动机三种主要故障的诊断方法进行分析，然后结合槽谐波转差率计算，Nuttall窗三谱线插值修正算法，CZT频谱细化技术，分析选取Rat作为转子断条故障特征量。但当负载波动量超阈值时会造成误判，此时宜采用Hilbert模量频谱分析法。本文的研究对轴承故障时的重构定子电流进行多窗口谱分析，能够突出轴承故障特征频率。

　　关键词：故障诊断,电流特征,电机能效,气隙转矩,在线估计

　　感应电动机是占比最大的电力负荷。感应电动机在长期运行过程中，负载变动、工作环境恶劣及自身部件老化等影响，导致其在运行中会发生故障，造成电动机本体不可逆的损坏，甚至影响整个系统的运行和发生安全事故。而感应电动机的故障并不是立即发生的，如果在电机故障早期就能捕捉到故障征兆，就能避免因电机故障导致意外安全事故。因此，电机的状态监测为生产安全、可靠运行提供了强有力的技术支撑。

　　1故障类型及诊断方法

　　1.1故障类型对比

　　感应电动机具有复杂的机、电、磁耦合，由于电机常需长时间运行且易受众多因素的影响使其引起各类故障。本节对某工业行业2596台10kW以上的笼型感应电动机的故障类型数量及其所占比例进行统计分析。电动机本体主要故障类型为轴承故障、定子绕组故障、转子断条故障。

　　1.2故障诊断方法

　　针对不同故障反映出来的不同征兆，感应电动机故障诊断方法选取的检测量不同，常用的诊断方法有：振动诊断法(VibrationDiagnosis);电流特征分析(Motorcurrentsignatureanalysis);温度诊断法(TemperatureDiagnosis);绝缘诊断法(InsulationDiagnosis)与振声诊断法(VibrationalDiagnosis)。

　　2故障诊断系统的框架与安装

　　2.1系统基本框架

　　感应电机故障诊断技术主要包括信号检测、特征提取、状态识别、诊断决策等。

　　2.2系统的安装方式

　　实际应用中，感应电动机故障诊断系统接线是非常重要的。

　　3故障诊断技术和方法的对比分析

　　3.1感应电动机转子断条故障诊断实现为避免基波分量对转子断条故障特征频率分量的泄露影响，结合槽谐波转差率计算、Nuttall窗三谱线插值修正算法、CZT频谱细化技术对转子断条故障进行诊断分析。

　　3.2Nuttall窗三谱线插值和频谱细化的转子断条故障诊断方法

　　记基波频率f1的幅值为Af1，(1-2s)f1、(1+2s)f1故障频率分量的幅值分别为A(1-2s)f1、A(1+2s)f1，则即Rat1-2s=A(1-2s)f1/Af1，Rat1+2s=A(1+2s)f1/Af1。

　　根据相关文献中的研究分析表明，Rat1-2s、Rat1+2s与感应电动机的转动惯量有关，Rat1-2s随转动惯量增加而增大，Rat1+2s则反之，但在同一运行状态下，二者之和近似恒定。

　　3.3基于Hilbert模量频谱分析的转子断条故障诊断方法

　　基于Hilbert模量AHil频谱分析的转子断条故障诊断方法，是通过对定子电流的Hilbert变换，分析其Hilbert模量AHil频谱，在一定频率范围内查找故障特征分量2sf1来判定故障是否发生。

　　3.4感应电动机定子匝间短路故障诊断实现

　　由于定子电流中匝间故障的特征频率分量幅值较小，易受到系统谐波及其他噪声的影响，造成故障识别不准确，而转子断条、轴承故障等发生时并不会引起定子绕组的不平衡。所以本文中选取定子电流负序分量作为感应电动机定子匝间短路故障的特征量。

　　本文研究的基于定子电流负序分量的定子匝间短路故障诊断具体为：结合实际监测电动机的运行情况，将在每种工况下稳定运行时由感应电动机固有不平衡产生的负序电流分量Ir-视为常量，由采集计算得到的负序电流、电压进行拟合分析，剔除由供电电压不平衡及电机先天固有不平衡产生的负序电流分量，以负序电流残差作为故障的特征量，对比正常时的负序电流阈值进行定子匝间短路的诊断分析。

　　3.5应电动机轴承故障诊断实现

　　轴承故障是感应电动机常见的机械类故障，本章结合经验模态分解和多窗口谱分析技术，基于定子电流特征，采用EMD-MTM轴承故障诊断方法，对比自适应滤波分析其诊断效果。感应电动机轴承故障时，定子电流中的故障特征频率分量幅值较小，易受到系统谐波及噪声的干扰。EMD分解具有优良的自适应分解和局部分析能力，将信号分解成从高到低不同频率、不等带宽的IMF。

　　MTM采用一簇正交的数据窗对信号完成不同的采样，每一个数据窗丢失的信息可被后面的数据窗恢复，减少由于数据的有限长度所带来的频谱泄漏，很好的权衡了分辨率和方差。本文结合自相关函数统计特性、EMD分解和MTM技术，提出EMD-MTM诊断法，有效限制了定子电流中的噪声干扰，比基于自适应滤波技术具有更好的轴承故障诊断效果。

　　4结论

　　基于定子电流特征分析的故障诊断方法，不但能监测较为广泛的故障类型，而且能做到尽可能非侵入，较为理想;利用四项五阶Nuttall窗三谱线插值的修正公式，能确定基波的具体参数。结合槽谐波转差率计算、CZT频谱细化技术，并设定检测阈值能够有效判定转子断条故障的发生和故障程度。断条故障特征频率可用Hilbert模量频谱分析转换为2sf1予以识别;基于自相关函数的统计特性，对噪声主导的IMF分量进行软阈值降噪，重构得到的定子电流的MTM频谱中凸显了轴承故障特征频率，诊断效果明显优于基于自适应滤波的轴承故障诊断方法。

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　　推荐期刊：中国电机工程学报(旬刊)是中国电力行业的一流学术期刊，国家一级学报，全国中文核心期刊，国内外公开发行。1964年创刊，中国科协主管，中国电机工程学会主办，中国电科院协办。