異步電機故障的識別途徑

【摘 要】異步電機在傳統(tǒng)領域占有著重要的地位，而電機的工作的狀態(tài)對生產(chǎn)的運行產(chǎn)生直接影響。因此，對電機的常見故障進行診斷和分析，能夠有效的減少故障率，降低突發(fā)事故造成的財產(chǎn)損失，減少維修費用，減弱對人員的財產(chǎn)的威脅。本文就異步電機的信號處理方法和故障進行分析，望在電機系統(tǒng)故障診斷中提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】異步電機；故障；識別；途徑

異步電機在傳動領域中占有重要地位的原因在于其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運行穩(wěn)定可靠，而電機的工作狀態(tài)直接影響著生產(chǎn)工作活動，因此，加強電機故障診斷分析，能夠及時在電機運行過程中及時找出問題，并采取相應解決方法解決，降低人員財產(chǎn)損失。但故障診斷技術(shù)存在誤判率高、準確度等問題，需要進一步的深化和成熟。

1.異步電機主要故障及分析

電機可以分為四種，即同步發(fā)電機、異步電動機、同步電動機、直流電動機，而電機的種類、結(jié)構(gòu)、運行方式以及工作原理等因素不同會產(chǎn)生不同的故障。電機內(nèi)部有電路系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等幾個即獨立又相互關(guān)聯(lián)的工作系統(tǒng)，這些系統(tǒng)會出現(xiàn)或大或小的故障，因此，電機的診斷相對于一般機械設備設計的領域更多。

1.1故障診斷常用技術(shù)

故障診斷有多種方法，例如電流分析法、振動診斷、絕緣診斷換向診斷、濕度診斷等，根據(jù)不同的情況要采用不同的診斷方法。例如，電流分析法的監(jiān)測量為電流信號，具有以下幾方面的優(yōu)點：一是應用范圍廣，能夠全面反映電機系統(tǒng)信息；二是信號易采集且不影響電機正常工作；三是不受環(huán)境影響，精確度高；四是不受噪聲干擾，擁有較好的信噪比；五是多臺電機可集中監(jiān)測，相對安全，便于集中監(jiān)控；六是可以直接反映傳動機構(gòu)信息。

1.2診斷研究主要內(nèi)容

電機故障診斷研究包括：電機故障機理研究，故障信號處理技術(shù)研究，故障診斷方法研究，監(jiān)測、診斷儀器和系統(tǒng)的開發(fā)與研究。電機故障機理研究是整個學科的基礎，關(guān)鍵在于對電機故障的形成的發(fā)展過程進行了解，對故障的內(nèi)在本質(zhì)及特征進行掌握。研究方法在于建立適宜的物理和數(shù)學模型，并求出模型的近似解或者解析解，并總結(jié)出一般性的規(guī)律。故障信號技術(shù)在診斷過程中起橋梁作用，通過加工、變換檢測到的信號，提取對診斷有利用價值的特征量。常用方法有信號時域分析法、時頻分析法以及信號頻域分析法。目前所用的故障診斷方法一般為專家系統(tǒng)，其核心為知識庫中的領域?qū)＜业闹R，缺點為知識的獲取問題，專家系統(tǒng)能夠模擬人的邏輯思維，并實現(xiàn)較為嚴謹?shù)倪壿嬐评恚湓\斷結(jié)構(gòu)的精準度依賴其存在的知識。監(jiān)測診斷系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為基于計算機的實時監(jiān)測系統(tǒng)、便攜式監(jiān)測系統(tǒng)以及只能故障診斷系統(tǒng)，其主要功能是信號處理和數(shù)據(jù)管理。

1.3診斷主要方法

一是基于解析模型的診斷方法，這種方法已經(jīng)取得了十分豐富的理論研究成果，尤其是對LTI系統(tǒng)的故障診斷。但是，這種方法比較值得注意的問題是實際應用問題，理論方法的研究成果優(yōu)于實際應用；二是基于信號處理的診斷方法，這種方法能夠部分回避建立診斷對象數(shù)學模型的困難之處，直接利用各類信號處理方法處理，適用性較好，不僅可用于線性系統(tǒng)，還可用于非線性系統(tǒng)，是一種比較有前景的故障診斷方法；三是基于知識的診斷方法，這種方法比較適用于非線性系統(tǒng)，通過對診斷對象多方面信息的引入，充分利用領域?qū)＜以\斷知識，避免過度依賴精確數(shù)學模型。

2.基本原理

2.1電機構(gòu)造和原理

就三相異步電機而言，一般有兩大部分組成，一部分是轉(zhuǎn)子，另一部分是定子，兩者之間有較小的空氣隙。定子有定子鐵心、定子繞組和機座組成，定子鐵心是電機主磁通磁路的一部分，定子繞組在鐵心槽內(nèi)，基本形式有單層繞組和雙層繞組兩種，由定子繞組在槽內(nèi)布置的情況決定，機座的主要是固定和支撐定子鐵心的作用。異步電機的基本原理是在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立的旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場在切割轉(zhuǎn)子導體時，能夠產(chǎn)生感應電勢，且轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，電流會通過轉(zhuǎn)子導體內(nèi)，轉(zhuǎn)子導體中的電流和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用會產(chǎn)生電磁力，電磁力方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向一致。

2.2工作特性

第一，轉(zhuǎn)速特性。空載時，轉(zhuǎn)子的電流幾乎為零，因此，電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，負載的增加會導致轉(zhuǎn)速小幅度下降，因此，轉(zhuǎn)速特性是一條稍向下的傾斜曲線；第二，定子電流特性。空載時電流幾乎為零，定子電流大部分為勵磁電流，負載的增加使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子電流增加，為保持磁勢平衡，定子電流和磁勢也將增加；第三，功率因數(shù)特性。從電源的角度看，異步電機類似于感性阻抗，因為功率因數(shù)總是落后的，所以，它需要從電網(wǎng)吸取感性無功功率。空載時，電功率因數(shù)較低，隨著負載增加，電功率因數(shù)也增加，當達到額定負載時，功率因數(shù)最大；第四，電磁轉(zhuǎn)矩特性。異步電動機負載在額定值以內(nèi)時，轉(zhuǎn)速和角速度變化較小，空載轉(zhuǎn)矩幾乎可認為沒有變化，因此，電磁轉(zhuǎn)矩特性是一條斜率近似于I/O的直線；第五，效率特性。異步電動機效率的最大值之處在可變損耗等于不變損耗時。

3.故障診斷試驗系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

該實驗系統(tǒng)主要由三相異步電動機、三項同步發(fā)電機、電動機轉(zhuǎn)速控制器、變頻器、三相阻抗負載、信號調(diào)理板、各種傳感器及其檢測裝置、數(shù)據(jù)采集器、PC機組成。三相異步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)由電動機轉(zhuǎn)速控制器、變頻器以及三相異步電動機三部分組成。同步發(fā)電機和異步電動機采用同軸連接方式，輸出連接三項阻抗負載，且阻抗大小可調(diào)節(jié)。事實上，同步發(fā)電機可作為異步電動機的負載使用，通過調(diào)節(jié)同步發(fā)電機負載抗阻來改變異步電動機的負載。可以測量信號的有異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電機軸承、繞組溫度等。

3.2故障診斷系統(tǒng)

電機故障診斷系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、故障診斷模塊三部分。數(shù)據(jù)采集模塊由各種傳感器、信號調(diào)理板以及數(shù)據(jù)采集儀組成，能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信號模塊主要是對采集后的信號進行分析，判斷是否存在故障頻率分量。故障診斷模塊主要是判斷是否存在故障。

4.結(jié)束語

異步電動機在傳動領域中所占的重要地位主要是因其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運行穩(wěn)定可靠。電機的工作狀態(tài)決定著生產(chǎn)的運行，分析診斷常見故障，有效地降低了故障率，減少了停產(chǎn)損失，降低了維修費用，消除了設備的人員安全威脅。

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