三相電機故障診斷及容錯控制研究

摘 要 三相電機是當前使用廣泛的驅動設備，不過由于本身結構復雜以及內外部諸多因素的影響，在長期的運轉過程中難免出現故障，降低設備的性能，影響生產的正常進行，嚴重的甚至會造成機毀人亡。為了更好地對三相電機的故障進行防控和處理，有必要引入故障檢測和容錯控制措施，以便有效確保電機的穩定、可靠運行，為安全生產提供更好的保障。

【關鍵詞】三相電機 故障診斷 故障容錯控制

三相電機是一種非常重要的驅動設備，具有結構簡單、容易上手和價格低廉等優點，因此廣泛應用于工業生產、交通運輸等諸多領域。不過由于其使用環境復雜多變以及電機本身的運行特性、負荷情況等的影響，在使用中難免出現一些故障，影響了相關生產生活的正常秩序并造成一定的損失。為了對三相電機的故障進行有效防控，確保其正常運行，減少因故障造成的損失，必須對三相電機的故障診斷和容錯控制進行分析研究。

1 故障診斷與容錯控制的意義

當前，隨著社會經濟的發展和科技的進步，各種生產設備越來越先進，功能越來越全面，但同時設備結構也越來越復雜。這些復雜設備通常承擔著繁重的任務，并在大功率、高負荷的狀態下長時間運轉，這樣隨著使用時間的延長，出現故障的概率也隨之提高，而一旦發生故障，要么降低其性能，影響了生產的正常進行，要么設備報廢，甚至機毀人亡，再加上故障具有隨機性、模糊性的特點，傳統的故障診斷方法所起的作用已經越來越有限，因此，有必要引入更加先進的智能故障診斷和容錯控制方法。引入智能故障診斷與容錯控制方法具有極大的意義，具體體現在以下幾個方面：

（1）能夠及時發現設備的故障，同時更加精確地確定發生故障的位置、類型和程度，并對故障及時進行隔離。

（2）可以相對準確地預測出設備的使用壽命和故障的發展情況。

（3）能夠根據不同的故障，相應地給出控制和處理方案。

（4）可以自動進行故障處理，包括對其進行削弱、消除及修復等，使設備盡量恢復正常工作狀態時的性能；必要情況下可以通過犧牲部分性能來確保設備能夠繼續完成它的規定功能。

2 三相電機常見故障介紹

三相電機的主要由定子、轉子、軸承等構成，總體結構是比較簡單的，不過它的演變過程卻相當復雜，包括了物理和化學的多個方面。在長期的使用過程中，三相電機的性能會因受到供電電源、安裝環境等多個內外部因素的影響而逐漸退化并導致故障的產生，其常見的故障主要由三個：

2.1 定子繞組匝間斷路

它是最常見的三相電機，所占的故障比為約為三分之一。導致該故障產生的主要原因在于同一相繞組的相鄰線圈因絕緣破壞而發生短路。

2.2 轉子導條和斷環開裂

該故障所占的故障比約為十分之一。它的產生是因為三相電機在啟動過程中，導條會在短時間內通過大量電流，形成強大的沖擊力，最終使得導條和端環因應力分布不均而發生斷裂，嚴重的話還會導致電機燒壞和整機報廢。

2.3 軸承故障

軸承故障所占的故障比也達到了五分之一左右。由于軸承是負載最重的部分，同時也很容易發生磨損，因此故障也是比較頻繁的。

3 三相電機故障診斷及容錯研究

為更深入的理解三相電機的故障診斷與容錯控制，下面分別舉例加以說明。

3.1 轉子位置檢測故障診斷研究

要想準確判斷出事哪一個傳感器出現了故障，就得對轉子位置的信號進行詳細分析，具體流程為：首先是將一個電周期分為6個區間，將VT1VT6定為區間1，然后每隔60°區間就加1，直到VT5VT6（既區間6），在這個過程中，無論是在三相電機的啟動、制動過程還是當它處在運行狀態，由于通常認為電機轉速相對于換相區間可以當做準靜態量，所以就能夠通過對比下一個區間和上一個區間的寬度來確定傳感器有沒有出現故障。為了對此有更直觀的認識，這里用區間1與區間2為例子來說明，先設區間1的寬度是時間t1，當三相電機運行在90℃狀態時，傳感器c這時候能夠正常輸出信號，而當主電路VT6換流到VT2的時候，這時候也就是從區間1進入到區間2的過程，在這一過程中，會開始對區間2的寬度t2進行計時，當t2>kt1，且k=1.5時，這時候的傳感器2的輸出信號沒有出現跳變的情況，那么就可以得知該傳感器發生故障了。

3.2 轉子位置故障容錯控制研究

當傳感器發生一到兩路損壞時，可以有效利用其余正常運行的傳感器通過對轉子位置進行評估并用于電機換相，最終實現故障的容錯控制。

當其中的一路傳感器發生故障時，首先要確定兩個區間的寬度，下面以區間1與區間2為例進行分析，當區間2的寬度超過前面所設定的寬度，這時候就說明Hb出現故障，因此，要馬上換相，同時，在隨后的所有電周期里，在區間2里，當t5=t4的時候以及在區間5中當t5=t4的時候均需換相，也就是利用上次沒有發生故障的傳感器信號來獲得下一個轉子的位置。同樣的道理，當出現兩路傳感器信號故障的時候，就要用第三個正常的傳感器信號通過延時來獲取其它轉子的位置信號，通過采用這種方式，即使傳感器出現故障，仍然可以有效獲得六個換相點的時刻點，有效實現對三相電機的容錯控制。

4 結語

三相電機作為一種重要的設備，廣泛使用于現代工業系統中，對工業生產起著非常重要的作用，也正是因為它的地位如此重要，其所產生的故障影響和造成的損失也才會如此突出。雖然當前的三相電機已經比過去先進了許多，穩定性、可靠性有了很大的提高，但由于使用環境、工作方式等的影響，故障總是在所難免，為此，必須大力推廣故障檢測和容錯控制，以便有效對故障進行防控，確保電機的穩定、可靠運行，為生產提供更安全可靠的保障。

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作者簡介

崔寶磊（1984-），男，天津市濱海新區人?，F供職于中海油田服務股份有限公司。

作者單位

中海油田服務股份有限公司 天津市 043100endprint