起動(dòng)過程診斷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障
董濤，程培源，樊波，王東旭
(空軍工程大學(xué)，陜西三原713800)
摘要：針對(duì)穩(wěn)態(tài)定子電流頻譜難以突出故障特征分量的弱點(diǎn)，提出了基于起動(dòng)過程的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條檢測(cè)方法。故障特征頻率的定子電流分量對(duì)氣隙磁場(chǎng)有調(diào)制作用，導(dǎo)致定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的周期性脈動(dòng)，這些故障特征在起動(dòng)過程中表現(xiàn)明顯。通過監(jiān)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的整個(gè)起動(dòng)過程，可實(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子斷條的故障檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法行之有效。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子斷條；起動(dòng)；檢測(cè)
中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2010)04—0037—02
0 引 言
轉(zhuǎn)子斷條故障是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)常見故障之一。轉(zhuǎn)子發(fā)生輕微斷條故障后，一般不會(huì)立即對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響，但隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，已斷裂的導(dǎo)條容易誘發(fā)其它導(dǎo)條斷裂，導(dǎo)致掃膛故障，毀壞整個(gè)定子繞組，使得整臺(tái)機(jī)器嚴(yán)重?fù)p壞。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程是個(gè)復(fù)雜的暫態(tài)過程，在這個(gè)暫態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子斷條故障特征分量和工頻分量相隔較遠(yuǎn)，并且受工頻分量的影響較小，所以分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程有利于轉(zhuǎn)子斷條故障檢測(cè)[1]。
1轉(zhuǎn)子斷條故障特征分量的機(jī)理分析
正常的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的所有轉(zhuǎn)子導(dǎo)條均勻分布。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，轉(zhuǎn)子電路結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性被破壞，產(chǎn)生橢圓形磁勢(shì)，可以分解成相對(duì)于轉(zhuǎn)子的正轉(zhuǎn)分量F21和反轉(zhuǎn)分量F22。F21與定子磁勢(shì)F，相對(duì)靜止，F(xiàn)：：相對(duì)于定子參照系的轉(zhuǎn)速為(1—2s)ω，因而會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出頻率(1—2s)f的電勢(shì)和電流。(1—2sV頻率的電流是轉(zhuǎn)子斷條的主要故障特征。
基波和(1—2S)f頻率的電流分量可分別表示為：
式中：ω為基波角頻率；I1為電流基波幅值；α1為基波初相位;f為電源頻率；I1-2s為(1—2s)f電流分量的幅值；α1-2s為(1—2s)f電流分量的初相位。不考慮斷條故障影響，氣隙基波磁通可表示為：
式中：φ為基波磁通幅值；αφ為基波磁通初相位。
頻率(1—2s)f的電流分量和基波磁通相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：
AT1-2s(t)引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，進(jìn)一步引起波磁通的相位發(fā)生相應(yīng)的變化：
式中：P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；ΔT(1-2s)。為轉(zhuǎn)矩；ΔT1-2s(t)的幅值；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
可見，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條故障時(shí)，首先在定子繞組中產(chǎn)生頻率（1-2s)f的電流分量，該電流分量和氣隙磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生以2sf頻率波動(dòng)的附加電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步引起電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。因此可通監(jiān)測(cè)(1—2s)f故障特征分量在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的表現(xiàn)來診斷轉(zhuǎn)子有無斷條故障以及故障程度[2]。
2轉(zhuǎn)子斷條故障對(duì)起動(dòng)電流的影響
由于定、轉(zhuǎn)子的電磁耦合，任何轉(zhuǎn)子故障導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子電流不平衡，都會(huì)引起氣隙磁場(chǎng)的變化，并感應(yīng)到定子繞組中，在定子電流中有所反映。對(duì)稱狀態(tài)的電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子電流中只有單純的基頻成份，氣隙磁場(chǎng)可認(rèn)為是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，沒有逆序分量。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條故障，原來的平衡狀態(tài)被破壞。斷條故障越嚴(yán)重，逆序分量越大，頻率分量的幅值亦越大。采用頻譜分析的方法，通過分析穩(wěn)態(tài)時(shí)運(yùn)行時(shí)的定子電流，檢測(cè)是否存在(1—2s)，頻率分量來診斷異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條故障。但是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，故障特征分量(1—2s)f頻率與基頻非常相似，不容易分辨[3]。
無故障感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差率大，定子繞組中的電流也大，約為額定電流的5～7倍。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)差率s減小，電動(dòng)機(jī)電流逐漸減小。從總體看，電流應(yīng)是平穩(wěn)的，但存在轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，起動(dòng)瞬時(shí)電流變小。定子電流被頻率為(1一2s)f頻率的附加電流所疊加，整個(gè)電流波形變得不規(guī)則且有一定的波動(dòng)。除起動(dòng)開始和起動(dòng)結(jié)束的兩個(gè)時(shí)段外，其他時(shí)間段內(nèi)(1—2s)，分量的頻率遠(yuǎn)離基頻分量。同時(shí)，在起動(dòng)過程中(1—2s)f頻率分量與，頻率分量幅值之比遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的幅值之比，因而基頻分量對(duì)(1—2s)，頻 |
