鼠笼式异步电动机转子故障
在线监测与诊断方法
刘振兴１一．尹项根１．张哲１
（１．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉４３００７４２．武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉４３００８１）
摘要：提出了以平均瞬时功率为监测量进行鼠笼式异步电动机转子复合故障的监测与诊断方法。该方法不需要已知电动机的定／转子参数，可以实现复合故障的准确分离。理论分析和实验结果验证了该方法的有效性。
关键词：鼠茏式异步电动机；故障；在线监测；诊断；频谱分析
中图分类号：ＴＭ３４３；ＴＭ９３５．２１
文献标识码：Ａ文章编号：１００６—６０４７｛２００４）０１一００３０—０４
１异步电动机常见故障分析
综观设备检修的历史，经历了由事后维修、计划性检修２个主要阶段，目前正在向状态检修过渡。鼠笼式异步电动机广泛应用于工业各个领域，其状况直接影响到生产能甭正常运行、设备寿命能否得到延妊、维护费朋能否降到最低程度。为实现其状态榆修，需有可靠的在线监测与故障诊断手段。在异步电动机的各种常见故障巾．转子断条和偏心占了较大的比重。经过国内外学者的不懈努力，已探索出多种转子故障监测途径．包括定子电流监测、振动监测、轴向磁通监测等多种方法ｍ２。定子电流情哆既容易获取、又可制成非侵入式，因而定子电流监测方法应用最为广泛。
当异步电动机转子出现断条故障时．会在定子电流中出现频率为
（１）‘．，＝（１士２詹５），膏＝ｌ，２，３，…
的故障特彳ｉｆ！成分［１２，当电动机转子出现偏心故障时，
定子电流中会产生频率为
如何消除基波对故障特征成分的影响，引起研究人员极大的关注。圊时采集多相电流、电压信号，经适当的转换来突出断条故障特征．是近年来的努
力方向。Ａ．Ｊ．Ｍ．ｃａｒｄｏｓｏｍ。等人将同时采集的三相定
子电流转换到静止的两轴坐标系（ｄ，口）中，由ｉ。，ｉ。形成的轨迹进行故障诊断。扩展的Ｐａｒｋ’矢量方法…
是通过对由旧“；ｌ构成所谓的Ｐａｒｋ’矢量模进行频谱
分析诊断故障，这种方法可将基波转换成直流分量，断条特征频率成分转换成频率为２ｓｆ，４ｓｆ等新特征成分。其不足在于平方项的引入而产生的众多交叉项，使频谱复杂化，尤其是存在复合故障的情形。
若将三相电流转换到同步旋转的坐标系巾，由如或ｆ。分量的频谱分析进行故障诊断［８Ｊ，同样可将基波转换成直流分量，故障特征明显，没有交叉项的产生，使频谱更简洁。为解决ｄ轴的不确定性问题，笔者在文献［９］中提ｍ了将ｄ轴定位于转子磁链方向的方法，理论分析和实验证明了这种方法的有效性．其不足之处在于．要求已知电动机的定／转子参数。
本文以平均瞬时功率作为监测量，深入讨论复合故障特征在平均瞬时功率巾的表现，并通过实验验证该方法对复合故障的分离能力。
ｆ，，＝（』±ｍ，）
ｍ＝ｌ，２，３，…（２）
的故障特征成分，其巾ｆ为外加电压频率，ｆ为转子旋转壤率（，，＝（１一ｓ）ｆ／ｐ，３为转差率，ｐ为电动机的极对数）．，
定子电流监测方法之一是采样单个线（或相）电流信号．经频潜分析后，根据频谱中是否存在与故障相关的特征频率成分及其大小判定故障是否存在及故障程度。通常异步电动机额定运行时的转差率就小，转子断条的主要特征频率为（１±２ｓ）ｆ，冈ｓ很小，（１±２ｓ）．ｆ与ｆ很接近，且幅值相差很悬殊，导致线电流的频谱中前者容易被后者淹没．难以准确诊断故障。
收稿日期：２（）０３—０４—２０；修回日期：２００３一ｌＯ一０９
２平均瞬时功率的定义
瞬时功率有两种不同的定义，一种将其定义为”
ｐ．（ｆ）＝、／３地ｂｉ。
另一种将其定义为”“ｚｌ
ｐ。（ｆ）＝、／３（Ｍ“ｆ。＋‰。ｉｂ＋Ｍ。。ｉ。）／３
（４）
（３）
为区分起见，可将前者称为瞬时功率，记为Ｐ．（￡），将后者称为平均瞬时功率，记为ｐ，（ｔ）（原文中将此定义为ｔｏｔａｌｉｎｓｔａｎｔ８ｎｅｏｕｓ口ｏｗｅｒ，笔者认为平均瞬时功率更贴切）。
当电动机电源电压只存在三相对称的基波成分
万方数据
时，３个线电压可写为
“。ｈ＝Ｕ。Ｉｃｏｓ∞１￡
Ｍｂ。＝乩１（，‘’ｓ（珊ｌｔ一２丌／３）
（５）
ｕ。。＝Ｕ。１ｃｏｓ（珊１ｆ＋２丌／３）
不考虑电机制造过程中结构上存在的同有不对称，３个定子线电流分别为
‘＝Ｌｌｃｏｓ（∞ｌ￡一妒）
ｉｂ＝，ｍ】ｃｏｓ（∞ｌ￡一‘Ｐ一２７ｒ／３）（６）
ｉ。＝，ｍｌｃｏｓ（∞ｌ卜－妒＋２丌／３）
式中ｍ，为外加基波电雎的角频率；巩．，，。。分别为
基波线电压和基波电流的幅值；妒为基波电流落后于电压的相位角。
由式（５）（６）推导可得此时的瞬时功率ｐ．（￡）为ｐ１（ｔ）＝（、／３／２）【，。１，．Ｉ【ｃｏｓ（２∞１￡一‘Ｐ）＋ｃｏｓ【Ｐ】（７）显然，定子电流、电压信号中的基波成分转换成瞬时功率中的苴流分量和二倍频分量。进一步分析表明，转子故障情况下，故障特征成分会同时出现在瞬时功率的直流分鼍和一：倍频分量的周围，更使频谱复杂化。
同样的条件下，几丁导山平均瞬时功率为
ｐ，（￡）＝（、／３／２）‰Ｊ厶．１
ｃｏｓ‘Ｐ
（８）
此时只存在直流分量，去掉了二倍频分量．使频谱更简化，这就是本文选取平均瞬时功率作为监测量的原因。
３转子故障在平均瞬时功率中的表现
当转子出现断条时．频率为表达式（１）所表示的故障特征成分将出现在定子电流中．此时的３个线电流可表示为
ｉ。＝，ｍｌｃｏｓ（（１Ｊｌ￡一（Ｄ）＋
点‰ｃ。ｓ【（１—２ｂ）∞，卜‰】＋
，ｂ。ｋｃｏｓｆ（１＋２ｈ）∞Ⅳ一ＩＰｍ］）ｉｂ＝，ｍｌｃｏｓ（（１，ｌ￡一【Ｄ一２丁ｒ／３）＋
荟‰ｃ。ｓ【（１—２如）∞・ｆ一‰一２７ｒ／３］＋（９）
，ｈ“∞ｓ【（１＋２ｈ）山】ｆ一吼。ｋ一２丁ｒ／３］｝
ｉ。＝Ｊ．１ｃｏｓ（∞１ｏ一妒＋２丁ｔ／３）＋
点｛，ｂ一－ｃ。ｓ【（１—２穑）ｍ－ｆ一吼，－＋２”／３】＋
“ｋｃｏｓ【（１＋２ｂ）山ｌ￡一吼。ｋ＋２丌／３】１
式中矗。＾ｍ分别为断条故障对应的特征电流分
量的幅值；吼ｍＩＰｂｎ。依次为Ｅ述电流分量的初相位。
经推导．此时的平均瞬时功率可表示为ｐ（￡）＝（、／３／２）ｆ巩１，。１ｃｏｓ妒＋
∑【“１ｆｂｐｋｃｏｓ（２“∞】￡＋‘Ｐｈｐｋ）＋“ｌ，ｂ。ｋｃｏｓ（２ｈ∞】￡一‰。１）】｝
（１０）
当转子出现偏心故障时，定子电流中将出现频
万
方数据率为方程（２）所表示的故障特征成分，此时的定子线电流分别为
￡。＝，ｍｌｃｏｇ（∞１ｆ一妒）＋
至（，ｅｃｅｍｃ。ｓ［（ｍ一一ｍｃｔ，ｒ）卜妒ｗｍ】＋
Ｌ…ｃｏｓ【（∞１＋ｍ∞，）６一学…。］ｊ“＝Ｌｌｃｏｓ（山Ｉ卜驴一２丌／３）＋
三｛，ｅ”ｍｃ。ｓ［（ｍ・一ｍ∞ｒ）￡一妒””ｎ一２Ⅱ／３】＋（１１）
厶…ｃｏｓ［（∞１＋ｍ∞。）￡一‘Ｐ…一２丌／３】｝
ｔ＝，ｍＬｃｏｓ（山ｌ￡一‘Ｐ＋２丁ｒ／３）＋
∑（‘。ｐ。ｃｏｓ［（山１一ｍ∞，）ｆ一‘Ｐ唧。＋２丌／３】＋，ｅ…ｃｏｓ【（山ｌ＋ｍ∞，）ｆ一‘Ｐ…¨．＋２丁ｒ／３】｝
式巾Ｌｃｐｌ，ｋ。妒。，和幌ｍ分别是频率为一一ｍｆ和
，＋仇／：的偏心故障特征成分的幅值和初相位。导出的平均功率为ｐ（￡）＝（Ｖ３／２）｛Ｕｍ１‘¨１
ｃ０８‘Ｐ＋
三【“・‰ｃ。ｓ（ｍ∞ｒｆ＋‰）＋
以。ｌＬ。ｍｃｏｓ（ｍ∞，ｔ一妒删。、）］｝
（１２）
一般来说．与基波幅值相比，故障特征成分的幅值很小。当转子同时有断条和偏心故障时．若故障不太严重（状态监测的目的就是早期发现故障的存在，因而该假设是可行的），可忽略两者的相百影响，直接利用叠加原理．可得到此时的平均瞬时功率为
Ｐ（￡）＝（、／３／２）｛乩１，ｍ【ｃｏｓ妒＋
磊【砜・，ｂ－ｋｃｏｓ（２砖（１ＪＪＨ驴ｂｐｋ）＋
“ｌ厶北ｃｏｓ（２ｈ（ｔ，１卜吼。ｋ）］＋
三［乩－ｋｃ。ｓ（ｍｍｒｆ＋％一ｍ）＋
Ｈ。１Ｌ…ｃｏｓ（ｍ∞。￡一妒。。。）¨
（１３）从式（１０）（１２）和（１３）不难看出：与定子电流的频谱相比，基波成分转换成了直流分量，断条特征成分频率为２Ａｓｆ，偏心特征成分频率为ｍｆ；与瞬时
功率的频谱相比．没有了二倍频分量及其周围的故障成分，使得整个频谱更整洁，适合于进行相应的故障监测和诊断。
４实验结果
为验证该方法对鼠笼式异步电动机转子复合故障诊断的有效性．用１台湖北电机厂生产的Ｙ１００Ｌ１—４型鼠笼式异步电动机作为实验对象，进行ｒ正常导条＋偏心、转子１根断条＋偏心、转子２根断条＋偏心、转子３根断条＋偏心等复合故障实验，负载为１台２．５ｋｗ直流发电机。该电机主要技术数据见表ｌ（表中Ｒ，砜，，、，孙分别为额定功率、电压、电流及转速；Ｍ，肌分别为定／转子槽数）。
数据采集由中用电力科学研究院系统所生产的ＤＦｌ０２３便携式波形记录仪完成。４种情况下的电动
表１实验电机的主要技术数据
Ｔ曲ｌＴｈ。ｓｐ８ｃｊｍａｔｉｏｎｓ
ｎｆｌａｂｏｒａｔｏ＾ａｌｍａｃｈｉｎｅ
机运转速度均为１４４０ｒ／ｍｉｎ，各电量的采样频率为１０ｋＨｚ。将采集到的电压和电流信号保存为文本文件格式，经适当的转换。再由ＭａＩｌａｂ完成平均瞬时功率的计算和频谱分析。
频谱分析结果如图ｌ一４所示。为比较瞬时功率法和平均瞬时功率法的特点．每个图的上部表示瞬时功率的频谱曲线．纵坐标记为ｐ，（￡），下部表示平均瞬时功率的频谱曲线，纵坐标记为ｐ，（￡）。图ｌ是
０
∞
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鼍
一４０
０
５０
１００１５０
ｒ／Ｈｚ
０
单一２０
Ｓ
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０５０１００１５０２（ｍ
ｒ／Ｈｚ
围１正常转芋＋偏心时的瞬时功率
和平均瞬时功率的频谱曲线
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雩ｏ＆＿４０
０５０１００１５０
２００
，／Ｈｚ
田２１根断条＋偏心时的瞬时功率和
平均瞬时功率的频谱曲线
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方数据只存在偏心的情形．此时的瞬时功率频谱中既有直流分量及其周围的偏心特征成分，也有二倍频分量，而平均瞬时功率频谱中不仔在■倍频分量．所有极值点反映的是偏心故障特征。图２—４是复合故障情况下的频谱曲线，可以看出故障得到了准确的分离，在平均瞬时功率频谱图中同样不存在二倍频分量。由此可以认为．由于平均功率法的频谱曲线巾消除ｒ二倍频分量的影响。使得频谱曲线更平稳、变化趋势更明显，适合于突出故障特征和故障诊断。
同时需要指出的是，在前面的理论分析中，忽略了复合故障之间的相互影响．直接由叠加原理得出了复合故障下的平均瞬时功率表达式（１３），这种假定的前提是故障处于早期阶段。当故障较严重时，
｛
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芎
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雩。
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１００
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图４３根断条＋偏心时的瞬时功率和平均瞬时功率的频谱曲线
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它们之间的影响会趋于明显。如图３，４，当偏心比较严莺且断条超过２根刚，偏心故障特征频率ｍＺ的左右出现了较明显的檄值点．这就是两者相巨影响的结果．，冈为状态监测的目的就是早期发现故障，这种影响在故障初期不会影响诊断的有效性。
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５结论
理论推导和实验结果表明＋由定子线电压和线电流所构成的平均瞬时功率作为监测量诊断鼠笼式异步电动机转子故障．既可以将定子电流中的基波转换成平均瞬时功率中的直流量、克服常规的单个定子电流频谱分析方法难以准确诊断转子断条的缺点，义可以只保留直流量周围的主要故障特征成分．消除了：倍频及其周闱分量的影响，从而达到突出故障特征、准确分离复合故障的效果。参考文献
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（责任编辑：柏英武）
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Ｅ啦ｒ酣Ｃｏｎｖｅ惜ｉｏｎ，１９９９．１４（３）：５９５～５９８．
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刘振兴（Ｊ９６５一），男，湖南槐江人，副教授，博士研究生，
从事电机状态监洲、电气传动、电力系统继电保护等方面工作（Ｅ－ｍ矗ｊｌ：幽∞Ｊｍ审ｉｕ＠１６３．ｃＤｍ）；
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尹项根（１９５６一），男，湖北武淀人．教授，博士研究生导
师，从事电力系统继电保护和综合自动化方面工作（Ｅ．ｍａｎ：１盯ｌｎ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ．ｃｎ）；
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ｌｈｒｅ—ｐｈａｓｅｉｎｄｕｃＩｉｏｎｍ０．张哲（１％２一），男．湖南株洲人，教授．从事电力系
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（１．ＨｕａｎｇｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；
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万方数据
鼠笼式异步电动机转子故障在线监测与诊断方法
作者：作者单位：
刘振兴， 尹项根， 张哲
刘振兴(华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074)， 尹项根,张哲(华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074)
电力自动化设备
ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT2004，24(1)3次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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相似文献(10条)
1.学位论文 陈彦云 鼠笼式异步电动机转子故障检测器的研究 1996
该文利用多回路分析法,建立鼠笼式异步电动机存在不同程度转子故障时的仿真模型,仿真实验的结果表明,异步电动机转子故障的定子电流频谱分析检测法是正确的和有效的.结合信号处理中的窗函数及频谱细化技术,提出交流异步电动机转子故障检测器的总体设计方案.
2.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲. 谢德华 三相鼠笼式异步电动机转子断条故障程度的诊断方法 -武汉科技大学学报(自然科学版)2003,26(2)
从三相鼠笼式异步电动机转子断条的物理本质出发,解释断条时定子电流频谱中各种特征频率成分出现的原因,并得出相邻的多根导条断裂时,由定子电流中故障特征成分与基波成分的幅值之比与断条程度之间的修正关系.经计算对比表明,该修正关系与实际情况较吻合,适合于用来诊断转子断条数.
3.学位论文 刘佳峰 SATI故障诊断方法及其智能化装置的研究 2007
三相鼠笼式异步电动机由于其优良的性能和低廉的价格而获得了广泛的应用，其转子铝条性能的优劣，直接影响电动机整机质量的高低。对
SATI(Squirrel-cage Aluminum-rotor of Three-phase Induction-motor)故障诊断方法及其智能化装置进行研究就是为了严格地从生产源头控制电动机
转子铝条的质量。
文中从三相异步电动机的基本电磁理论出发，结合其转子故障情况下的电磁关系，深入研究了转子故障特征及其诊断对策。
传统的电感计算公式适合无故障电动机的分析计算，难以满足有故障电动机的分析计算要求。为此，文中从绕组函数出发，结合气隙的表达式，系统地推导了适合于任意运行状态下的异步电动机定、转子电感参数计算公式，以此为基础进行的异步电动机断条故障诊断仿真结果与实验结果基本吻合，这是该课题主要研究成果之一。
使用传统的线电流频谱分析方法往往难以突出断条故障特征，因为故障成分的频率和电源频率十分接近。为此，文中研究了三种不同的异步电动机故障诊断方法：基于Hilbert模量频谱分析的转子故障诊断方法；基于矢量控制的故障诊断方法；基于瞬时功率信号频谱分析的故障诊断方法。这三种故障诊断方法可以从相关波形图中明显地看出转子是否存在故障，随着断条数目的增多，故障成分的幅值明显增大。
超声波无损检测结果可以通过显示屏实时形象地显示出转子铝条的缺陷状况(诸如：端环裂缝、铝条裂缝、铝条气泡等)。
在文中所提供的SATI故障诊断理论方法的基础上，精心策划了电测、磁测和声测的具体设施及其在SATI故障诊断中的运用方法：并且还提供了该故障诊断系统的相关机械设施。
由于该课题是一个融合电学、磁学、声学、数学、机械学等学科的综合型研究课题，其难度和工作量较大，同时受时间和财力条件所限，其样机制作有待于继续进行该课题研究的师弟师妹们完成。
4.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲. 刘惠康 基于瞬时功率信号频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障在线诊断方法 -中国电机工程学报2003,23(10)
该文介绍了一种基于瞬时功率频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障监测与诊断方法.采集定子某两个端子之间的线电压和对应的线电流,由二者的乘积即可构成瞬时功率信号.理论分析表明,与常见的基于定子线电流频谱分析方法相比,使用瞬时功率信号能避免基波电流对故障特征成分的影响,更好地突出故障特征,分离复合故障.这些都有益于对故障程度的量化,和诊断规则的建立.通过对样机进行断条和偏心故障设置,多种故障情况下的实验结果也证实了上述结论.
5.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲 基于矢量控制思想的鼠笼式异步电动机故障在线监测与诊断方法 -中国电机工程学报2003,23(5)
该文介绍了基于矢量控制思想的鼠笼式异步电动机状态监测与故障诊断方法的原理,并通过实验验证了该方法相对于其他电流监测方法所具有的更好的突出故障特征、准确分离复合故障的能力.基于该方法的故障诊断系统可与调速系统集成,适合于工业应用.
6.学位论文 刘振兴 电机故障在线监测诊断新原理和新技术研究 2004
旋转电机广泛应用于国民经济各个部门,在工业生产企业,生产日益向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化方向发展,因传动用的交、直流电动机故障或异常导致的经济损失非常庞大;在电力生产企业,大型汽轮发电机的单机容量越来越大,因异常和故障导致的经济损失也越来越大.因此,实行状态检修的呼声日益高涨.而状态检修很大程度上取决于对设备的状态监测与故障诊断结果.旋转电机状态监测与故障诊断技术已成为新的研究热点.本文在此背景下,系统地总结了国内外现有的旋转电机监测与诊断技术.针对已有方法存在的不足,以鼠笼式异步电动机为主要研究对象,提出了新的电感参数计算方法和三种新的故障诊断技术.同时也提出了大型汽轮发电机定子温度计算模型和基于模型参数的空心线棒堵塞故障诊断技术以及直流电动机换向性能诊断方法.
7.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲 鼠笼式异步电动机转子故障检测方法 -电力自动化设备2002,22(10)
基于定子电流的频谱分析方法是异步电动机状态监测与故障诊断的主要途径.总结了异步电动机转子断条和偏心故障时,定子电流中可能出现的故障特征频率成分,通过对同时存在断条和偏心故障的异步电动机的实验结果分析,发现基波周围的断条和偏心特征频率成分尽管容易出现频率重叠,但因其幅值较大,对其进行监测仍是故障诊断最有效的途径;避免误诊的方法是对断条和偏心特征频率成分各自的分布规律进行监测分析,如果同时结合槽谐波及其周围的偏心特征频率成分的监测,将会使结果更准确.
8.期刊论文 石超. 尉宇. SHI Chao. WEI Yu 基于频域RELAX方法的鼠笼式异步电动机转子故障诊断 -电测与仪表2010,47(8)
传统的通过FFT变换对电机定子电流信号直接进行频谱分析,难以有效识别出转子断条故障.本文提出了一种在频域采用RELAx算法进行故障诊断的方法,它根据信号最小能量准则,结合粗估计和细估计,得到各频率分量的幅值和相位信息,从而直接构造各频率成分的复频域表达式,最后在频域内消除基波分量.相对于在时域内剔除基波分量的方法,它具有直接,快速的特点,缺点是对各频率分量的参数估计不是特别准确,但实验证明,该方法有效地突出了电机故障特征,在电机早期故障诊断中具有一定的应用价值.
9.期刊论文 杨利军. 刘振兴. YANG Li-jun. LIU Zhen-xing 基于绕组函数的鼠笼式异步电动机故障仿真 -电力自动化设备2005,25(11)
仿真是故障研究的一种重要途径,仿真效果与模型系数的计算准确度密切相关.异步电动机仿真模型中有大量的电感参数,利用绕组函数计算这些电感参数适用范围广、精度高.在此基础上,建立了鼠笼式异步电动机正常时和定子匝间短路、转子断条、气隙偏心等常见故障情况下的数学模型,并进行仿真分析.仿真结果与理论分析得到的结论基本吻合,表明模型及参数计算正确,可为故障诊断提供依据.
10.期刊论文 黄全明 鼠笼式异步电动机的故障处理 -山西焦煤科技2009(z1)
介绍了引起鼠笼式异步电动机不能起动或达不到额定转速、声音不正常或振动、过热、轴承过热等故障的原因,论述了相应的处理方法.
引证文献(2条)
1. 罗铭. 刘振兴. 黄菲 变频电源笼型异步电机断条故障诊断仿真研究[期刊论文]-武汉科技大学学报（自然科学版） 2008(4)
2. 罗铭. 刘振兴. 黄菲 变频电源笼型异步电机断条故障诊断仿真[期刊论文]-电机与控制学报 2008(2)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlzdhsb200401008.aspx授权使用：武汉科技大学(whkjdx)，授权号：17c6776e-2f3f-459e-b8d9-9e9101187689
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鼠笼式异步电动机转子故障
在线监测与诊断方法
刘振兴１一．尹项根１．张哲１
（１．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉４３００７４２．武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉４３００８１）
摘要：提出了以平均瞬时功率为监测量进行鼠笼式异步电动机转子复合故障的监测与诊断方法。该方法不需要已知电动机的定／转子参数，可以实现复合故障的准确分离。理论分析和实验结果验证了该方法的有效性。
关键词：鼠茏式异步电动机；故障；在线监测；诊断；频谱分析
中图分类号：ＴＭ３４３；ＴＭ９３５．２１
文献标识码：Ａ文章编号：１００６—６０４７｛２００４）０１一００３０—０４
１异步电动机常见故障分析
综观设备检修的历史，经历了由事后维修、计划性检修２个主要阶段，目前正在向状态检修过渡。鼠笼式异步电动机广泛应用于工业各个领域，其状况直接影响到生产能甭正常运行、设备寿命能否得到延妊、维护费朋能否降到最低程度。为实现其状态榆修，需有可靠的在线监测与故障诊断手段。在异步电动机的各种常见故障巾．转子断条和偏心占了较大的比重。经过国内外学者的不懈努力，已探索出多种转子故障监测途径．包括定子电流监测、振动监测、轴向磁通监测等多种方法ｍ２。定子电流情哆既容易获取、又可制成非侵入式，因而定子电流监测方法应用最为广泛。
当异步电动机转子出现断条故障时．会在定子电流中出现频率为
（１）‘．，＝（１士２詹５），膏＝ｌ，２，３，…
的故障特彳ｉｆ！成分［１２，当电动机转子出现偏心故障时，
定子电流中会产生频率为
如何消除基波对故障特征成分的影响，引起研究人员极大的关注。圊时采集多相电流、电压信号，经适当的转换来突出断条故障特征．是近年来的努
力方向。Ａ．Ｊ．Ｍ．ｃａｒｄｏｓｏｍ。等人将同时采集的三相定
子电流转换到静止的两轴坐标系（ｄ，口）中，由ｉ。，ｉ。形成的轨迹进行故障诊断。扩展的Ｐａｒｋ’矢量方法…
是通过对由旧“；ｌ构成所谓的Ｐａｒｋ’矢量模进行频谱
分析诊断故障，这种方法可将基波转换成直流分量，断条特征频率成分转换成频率为２ｓｆ，４ｓｆ等新特征成分。其不足在于平方项的引入而产生的众多交叉项，使频谱复杂化，尤其是存在复合故障的情形。
若将三相电流转换到同步旋转的坐标系巾，由如或ｆ。分量的频谱分析进行故障诊断［８Ｊ，同样可将基波转换成直流分量，故障特征明显，没有交叉项的产生，使频谱更简洁。为解决ｄ轴的不确定性问题，笔者在文献［９］中提ｍ了将ｄ轴定位于转子磁链方向的方法，理论分析和实验证明了这种方法的有效性．其不足之处在于．要求已知电动机的定／转子参数。
本文以平均瞬时功率作为监测量，深入讨论复合故障特征在平均瞬时功率巾的表现，并通过实验验证该方法对复合故障的分离能力。
ｆ，，＝（』±ｍ，）
ｍ＝ｌ，２，３，…（２）
的故障特征成分，其巾ｆ为外加电压频率，ｆ为转子旋转壤率（，，＝（１一ｓ）ｆ／ｐ，３为转差率，ｐ为电动机的极对数）．，
定子电流监测方法之一是采样单个线（或相）电流信号．经频潜分析后，根据频谱中是否存在与故障相关的特征频率成分及其大小判定故障是否存在及故障程度。通常异步电动机额定运行时的转差率就小，转子断条的主要特征频率为（１±２ｓ）ｆ，冈ｓ很小，（１±２ｓ）．ｆ与ｆ很接近，且幅值相差很悬殊，导致线电流的频谱中前者容易被后者淹没．难以准确诊断故障。
收稿日期：２（）０３—０４—２０；修回日期：２００３一ｌＯ一０９
２平均瞬时功率的定义
瞬时功率有两种不同的定义，一种将其定义为”
ｐ．（ｆ）＝、／３地ｂｉ。
另一种将其定义为”“ｚｌ
ｐ。（ｆ）＝、／３（Ｍ“ｆ。＋‰。ｉｂ＋Ｍ。。ｉ。）／３
（４）
（３）
为区分起见，可将前者称为瞬时功率，记为Ｐ．（￡），将后者称为平均瞬时功率，记为ｐ，（ｔ）（原文中将此定义为ｔｏｔａｌｉｎｓｔａｎｔ８ｎｅｏｕｓ口ｏｗｅｒ，笔者认为平均瞬时功率更贴切）。
当电动机电源电压只存在三相对称的基波成分
万方数据
时，３个线电压可写为
“。ｈ＝Ｕ。Ｉｃｏｓ∞１￡
Ｍｂ。＝乩１（，‘’ｓ（珊ｌｔ一２丌／３）
（５）
ｕ。。＝Ｕ。１ｃｏｓ（珊１ｆ＋２丌／３）
不考虑电机制造过程中结构上存在的同有不对称，３个定子线电流分别为
‘＝Ｌｌｃｏｓ（∞ｌ￡一妒）
ｉｂ＝，ｍ】ｃｏｓ（∞ｌ￡一‘Ｐ一２７ｒ／３）（６）
ｉ。＝，ｍｌｃｏｓ（∞ｌ卜－妒＋２丌／３）
式中ｍ，为外加基波电雎的角频率；巩．，，。。分别为
基波线电压和基波电流的幅值；妒为基波电流落后于电压的相位角。
由式（５）（６）推导可得此时的瞬时功率ｐ．（￡）为ｐ１（ｔ）＝（、／３／２）【，。１，．Ｉ【ｃｏｓ（２∞１￡一‘Ｐ）＋ｃｏｓ【Ｐ】（７）显然，定子电流、电压信号中的基波成分转换成瞬时功率中的苴流分量和二倍频分量。进一步分析表明，转子故障情况下，故障特征成分会同时出现在瞬时功率的直流分鼍和一：倍频分量的周围，更使频谱复杂化。
同样的条件下，几丁导山平均瞬时功率为
ｐ，（￡）＝（、／３／２）‰Ｊ厶．１
ｃｏｓ‘Ｐ
（８）
此时只存在直流分量，去掉了二倍频分量．使频谱更简化，这就是本文选取平均瞬时功率作为监测量的原因。
３转子故障在平均瞬时功率中的表现
当转子出现断条时．频率为表达式（１）所表示的故障特征成分将出现在定子电流中．此时的３个线电流可表示为
ｉ。＝，ｍｌｃｏｓ（（１Ｊｌ￡一（Ｄ）＋
点‰ｃ。ｓ【（１—２ｂ）∞，卜‰】＋
，ｂ。ｋｃｏｓｆ（１＋２ｈ）∞Ⅳ一ＩＰｍ］）ｉｂ＝，ｍｌｃｏｓ（（１，ｌ￡一【Ｄ一２丁ｒ／３）＋
荟‰ｃ。ｓ【（１—２如）∞・ｆ一‰一２７ｒ／３］＋（９）
，ｈ“∞ｓ【（１＋２ｈ）山】ｆ一吼。ｋ一２丁ｒ／３］｝
ｉ。＝Ｊ．１ｃｏｓ（∞１ｏ一妒＋２丁ｔ／３）＋
点｛，ｂ一－ｃ。ｓ【（１—２穑）ｍ－ｆ一吼，－＋２”／３】＋
“ｋｃｏｓ【（１＋２ｂ）山ｌ￡一吼。ｋ＋２丌／３】１
式中矗。＾ｍ分别为断条故障对应的特征电流分
量的幅值；吼ｍＩＰｂｎ。依次为Ｅ述电流分量的初相位。
经推导．此时的平均瞬时功率可表示为ｐ（￡）＝（、／３／２）ｆ巩１，。１ｃｏｓ妒＋
∑【“１ｆｂｐｋｃｏｓ（２“∞】￡＋‘Ｐｈｐｋ）＋“ｌ，ｂ。ｋｃｏｓ（２ｈ∞】￡一‰。１）】｝
（１０）
当转子出现偏心故障时，定子电流中将出现频
万
方数据率为方程（２）所表示的故障特征成分，此时的定子线电流分别为
￡。＝，ｍｌｃｏｇ（∞１ｆ一妒）＋
至（，ｅｃｅｍｃ。ｓ［（ｍ一一ｍｃｔ，ｒ）卜妒ｗｍ】＋
Ｌ…ｃｏｓ【（∞１＋ｍ∞，）６一学…。］ｊ“＝Ｌｌｃｏｓ（山Ｉ卜驴一２丌／３）＋
三｛，ｅ”ｍｃ。ｓ［（ｍ・一ｍ∞ｒ）￡一妒””ｎ一２Ⅱ／３】＋（１１）
厶…ｃｏｓ［（∞１＋ｍ∞。）￡一‘Ｐ…一２丌／３】｝
ｔ＝，ｍＬｃｏｓ（山ｌ￡一‘Ｐ＋２丁ｒ／３）＋
∑（‘。ｐ。ｃｏｓ［（山１一ｍ∞，）ｆ一‘Ｐ唧。＋２丌／３】＋，ｅ…ｃｏｓ【（山ｌ＋ｍ∞，）ｆ一‘Ｐ…¨．＋２丁ｒ／３】｝
式巾Ｌｃｐｌ，ｋ。妒。，和幌ｍ分别是频率为一一ｍｆ和
，＋仇／：的偏心故障特征成分的幅值和初相位。导出的平均功率为ｐ（￡）＝（Ｖ３／２）｛Ｕｍ１‘¨１
ｃ０８‘Ｐ＋
三【“・‰ｃ。ｓ（ｍ∞ｒｆ＋‰）＋
以。ｌＬ。ｍｃｏｓ（ｍ∞，ｔ一妒删。、）］｝
（１２）
一般来说．与基波幅值相比，故障特征成分的幅值很小。当转子同时有断条和偏心故障时．若故障不太严重（状态监测的目的就是早期发现故障的存在，因而该假设是可行的），可忽略两者的相百影响，直接利用叠加原理．可得到此时的平均瞬时功率为
Ｐ（￡）＝（、／３／２）｛乩１，ｍ【ｃｏｓ妒＋
磊【砜・，ｂ－ｋｃｏｓ（２砖（１ＪＪＨ驴ｂｐｋ）＋
“ｌ厶北ｃｏｓ（２ｈ（ｔ，１卜吼。ｋ）］＋
三［乩－ｋｃ。ｓ（ｍｍｒｆ＋％一ｍ）＋
Ｈ。１Ｌ…ｃｏｓ（ｍ∞。￡一妒。。。）¨
（１３）从式（１０）（１２）和（１３）不难看出：与定子电流的频谱相比，基波成分转换成了直流分量，断条特征成分频率为２Ａｓｆ，偏心特征成分频率为ｍｆ；与瞬时
功率的频谱相比．没有了二倍频分量及其周围的故障成分，使得整个频谱更整洁，适合于进行相应的故障监测和诊断。
４实验结果
为验证该方法对鼠笼式异步电动机转子复合故障诊断的有效性．用１台湖北电机厂生产的Ｙ１００Ｌ１—４型鼠笼式异步电动机作为实验对象，进行ｒ正常导条＋偏心、转子１根断条＋偏心、转子２根断条＋偏心、转子３根断条＋偏心等复合故障实验，负载为１台２．５ｋｗ直流发电机。该电机主要技术数据见表ｌ（表中Ｒ，砜，，、，孙分别为额定功率、电压、电流及转速；Ｍ，肌分别为定／转子槽数）。
数据采集由中用电力科学研究院系统所生产的ＤＦｌ０２３便携式波形记录仪完成。４种情况下的电动
表１实验电机的主要技术数据
Ｔ曲ｌＴｈ。ｓｐ８ｃｊｍａｔｉｏｎｓ
ｎｆｌａｂｏｒａｔｏ＾ａｌｍａｃｈｉｎｅ
机运转速度均为１４４０ｒ／ｍｉｎ，各电量的采样频率为１０ｋＨｚ。将采集到的电压和电流信号保存为文本文件格式，经适当的转换。再由ＭａＩｌａｂ完成平均瞬时功率的计算和频谱分析。
频谱分析结果如图ｌ一４所示。为比较瞬时功率法和平均瞬时功率法的特点．每个图的上部表示瞬时功率的频谱曲线．纵坐标记为ｐ，（￡），下部表示平均瞬时功率的频谱曲线，纵坐标记为ｐ，（￡）。图ｌ是
０
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１００１５０
ｒ／Ｈｚ
０
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Ｓ
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ｒ／Ｈｚ
围１正常转芋＋偏心时的瞬时功率
和平均瞬时功率的频谱曲线
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平均瞬时功率的频谱曲线
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方数据只存在偏心的情形．此时的瞬时功率频谱中既有直流分量及其周围的偏心特征成分，也有二倍频分量，而平均瞬时功率频谱中不仔在■倍频分量．所有极值点反映的是偏心故障特征。图２—４是复合故障情况下的频谱曲线，可以看出故障得到了准确的分离，在平均瞬时功率频谱图中同样不存在二倍频分量。由此可以认为．由于平均功率法的频谱曲线巾消除ｒ二倍频分量的影响。使得频谱曲线更平稳、变化趋势更明显，适合于突出故障特征和故障诊断。
同时需要指出的是，在前面的理论分析中，忽略了复合故障之间的相互影响．直接由叠加原理得出了复合故障下的平均瞬时功率表达式（１３），这种假定的前提是故障处于早期阶段。当故障较严重时，
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图４３根断条＋偏心时的瞬时功率和平均瞬时功率的频谱曲线
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ａｎｄｅｃｃｅｎｔ打ｃｉｔｖ
它们之间的影响会趋于明显。如图３，４，当偏心比较严莺且断条超过２根刚，偏心故障特征频率ｍＺ的左右出现了较明显的檄值点．这就是两者相巨影响的结果．，冈为状态监测的目的就是早期发现故障，这种影响在故障初期不会影响诊断的有效性。
肌ａＩＭｅ硝ｎｇ［Ｃ］．Ｓａｎ
６４２—６４６．
Ｄｉ。９０．ＵＳＡ：［ｓｎ］，１９９Ｓ，ｐａｎ
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ａｐｐｍａｃｈ［Ｊ－ＥＩｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉ眦ｓａｎｄＰｏｗｅｒＳｙｓ—
ｔｅｍｓ，２（）００．２８（５）：２８９—２９９
５结论
理论推导和实验结果表明＋由定子线电压和线电流所构成的平均瞬时功率作为监测量诊断鼠笼式异步电动机转子故障．既可以将定子电流中的基波转换成平均瞬时功率中的直流量、克服常规的单个定子电流频谱分析方法难以准确诊断转子断条的缺点，义可以只保留直流量周围的主要故障特征成分．消除了：倍频及其周闱分量的影响，从而达到突出故障特征、准确分离复合故障的效果。参考文献
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肌ｍｉｔｏｒｉｎｇ
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（责任编辑：柏英武）
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刘振兴（Ｊ９６５一），男，湖南槐江人，副教授，博士研究生，
从事电机状态监洲、电气传动、电力系统继电保护等方面工作（Ｅ－ｍ矗ｊｌ：幽∞Ｊｍ审ｉｕ＠１６３．ｃＤｍ）；
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尹项根（１９５６一），男，湖北武淀人．教授，博士研究生导
师，从事电力系统继电保护和综合自动化方面工作（Ｅ．ｍａｎ：１盯ｌｎ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ．ｃｎ）；
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万方数据
鼠笼式异步电动机转子故障在线监测与诊断方法
作者：作者单位：
刘振兴， 尹项根， 张哲
刘振兴(华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074)， 尹项根,张哲(华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074)
电力自动化设备
ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT2004，24(1)3次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
参考文献(12条)
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2. 刘振兴. 张哲. 尹项根 异步电动机的状态监测与故障诊断技术综述[期刊论文]-武汉科技大学学报(自然科学版)2001(03)
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8. 刘振兴. 张哲. 尹项根 一种新型的笼型异步电动机转子故障在线监测和诊断方法[期刊论文]-电工技术学报2002(04)
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相似文献(10条)
1.学位论文 陈彦云 鼠笼式异步电动机转子故障检测器的研究 1996
该文利用多回路分析法,建立鼠笼式异步电动机存在不同程度转子故障时的仿真模型,仿真实验的结果表明,异步电动机转子故障的定子电流频谱分析检测法是正确的和有效的.结合信号处理中的窗函数及频谱细化技术,提出交流异步电动机转子故障检测器的总体设计方案.
2.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲. 谢德华 三相鼠笼式异步电动机转子断条故障程度的诊断方法 -武汉科技大学学报(自然科学版)2003,26(2)
从三相鼠笼式异步电动机转子断条的物理本质出发,解释断条时定子电流频谱中各种特征频率成分出现的原因,并得出相邻的多根导条断裂时,由定子电流中故障特征成分与基波成分的幅值之比与断条程度之间的修正关系.经计算对比表明,该修正关系与实际情况较吻合,适合于用来诊断转子断条数.
3.学位论文 刘佳峰 SATI故障诊断方法及其智能化装置的研究 2007
三相鼠笼式异步电动机由于其优良的性能和低廉的价格而获得了广泛的应用，其转子铝条性能的优劣，直接影响电动机整机质量的高低。对
SATI(Squirrel-cage Aluminum-rotor of Three-phase Induction-motor)故障诊断方法及其智能化装置进行研究就是为了严格地从生产源头控制电动机
转子铝条的质量。
文中从三相异步电动机的基本电磁理论出发，结合其转子故障情况下的电磁关系，深入研究了转子故障特征及其诊断对策。
传统的电感计算公式适合无故障电动机的分析计算，难以满足有故障电动机的分析计算要求。为此，文中从绕组函数出发，结合气隙的表达式，系统地推导了适合于任意运行状态下的异步电动机定、转子电感参数计算公式，以此为基础进行的异步电动机断条故障诊断仿真结果与实验结果基本吻合，这是该课题主要研究成果之一。
使用传统的线电流频谱分析方法往往难以突出断条故障特征，因为故障成分的频率和电源频率十分接近。为此，文中研究了三种不同的异步电动机故障诊断方法：基于Hilbert模量频谱分析的转子故障诊断方法；基于矢量控制的故障诊断方法；基于瞬时功率信号频谱分析的故障诊断方法。这三种故障诊断方法可以从相关波形图中明显地看出转子是否存在故障，随着断条数目的增多，故障成分的幅值明显增大。
超声波无损检测结果可以通过显示屏实时形象地显示出转子铝条的缺陷状况(诸如：端环裂缝、铝条裂缝、铝条气泡等)。
在文中所提供的SATI故障诊断理论方法的基础上，精心策划了电测、磁测和声测的具体设施及其在SATI故障诊断中的运用方法：并且还提供了该故障诊断系统的相关机械设施。
由于该课题是一个融合电学、磁学、声学、数学、机械学等学科的综合型研究课题，其难度和工作量较大，同时受时间和财力条件所限，其样机制作有待于继续进行该课题研究的师弟师妹们完成。
4.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲. 刘惠康 基于瞬时功率信号频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障在线诊断方法 -中国电机工程学报2003,23(10)
该文介绍了一种基于瞬时功率频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障监测与诊断方法.采集定子某两个端子之间的线电压和对应的线电流,由二者的乘积即可构成瞬时功率信号.理论分析表明,与常见的基于定子线电流频谱分析方法相比,使用瞬时功率信号能避免基波电流对故障特征成分的影响,更好地突出故障特征,分离复合故障.这些都有益于对故障程度的量化,和诊断规则的建立.通过对样机进行断条和偏心故障设置,多种故障情况下的实验结果也证实了上述结论.
5.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲 基于矢量控制思想的鼠笼式异步电动机故障在线监测与诊断方法 -中国电机工程学报2003,23(5)
该文介绍了基于矢量控制思想的鼠笼式异步电动机状态监测与故障诊断方法的原理,并通过实验验证了该方法相对于其他电流监测方法所具有的更好的突出故障特征、准确分离复合故障的能力.基于该方法的故障诊断系统可与调速系统集成,适合于工业应用.
6.学位论文 刘振兴 电机故障在线监测诊断新原理和新技术研究 2004
旋转电机广泛应用于国民经济各个部门,在工业生产企业,生产日益向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化方向发展,因传动用的交、直流电动机故障或异常导致的经济损失非常庞大;在电力生产企业,大型汽轮发电机的单机容量越来越大,因异常和故障导致的经济损失也越来越大.因此,实行状态检修的呼声日益高涨.而状态检修很大程度上取决于对设备的状态监测与故障诊断结果.旋转电机状态监测与故障诊断技术已成为新的研究热点.本文在此背景下,系统地总结了国内外现有的旋转电机监测与诊断技术.针对已有方法存在的不足,以鼠笼式异步电动机为主要研究对象,提出了新的电感参数计算方法和三种新的故障诊断技术.同时也提出了大型汽轮发电机定子温度计算模型和基于模型参数的空心线棒堵塞故障诊断技术以及直流电动机换向性能诊断方法.
7.期刊论文 刘振兴. 尹项根. 张哲 鼠笼式异步电动机转子故障检测方法 -电力自动化设备2002,22(10)
基于定子电流的频谱分析方法是异步电动机状态监测与故障诊断的主要途径.总结了异步电动机转子断条和偏心故障时,定子电流中可能出现的故障特征频率成分,通过对同时存在断条和偏心故障的异步电动机的实验结果分析,发现基波周围的断条和偏心特征频率成分尽管容易出现频率重叠,但因其幅值较大,对其进行监测仍是故障诊断最有效的途径;避免误诊的方法是对断条和偏心特征频率成分各自的分布规律进行监测分析,如果同时结合槽谐波及其周围的偏心特征频率成分的监测,将会使结果更准确.
8.期刊论文 石超. 尉宇. SHI Chao. WEI Yu 基于频域RELAX方法的鼠笼式异步电动机转子故障诊断 -电测与仪表2010,47(8)
传统的通过FFT变换对电机定子电流信号直接进行频谱分析,难以有效识别出转子断条故障.本文提出了一种在频域采用RELAx算法进行故障诊断的方法,它根据信号最小能量准则,结合粗估计和细估计,得到各频率分量的幅值和相位信息,从而直接构造各频率成分的复频域表达式,最后在频域内消除基波分量.相对于在时域内剔除基波分量的方法,它具有直接,快速的特点,缺点是对各频率分量的参数估计不是特别准确,但实验证明,该方法有效地突出了电机故障特征,在电机早期故障诊断中具有一定的应用价值.
9.期刊论文 杨利军. 刘振兴. YANG Li-jun. LIU Zhen-xing 基于绕组函数的鼠笼式异步电动机故障仿真 -电力自动化设备2005,25(11)
仿真是故障研究的一种重要途径,仿真效果与模型系数的计算准确度密切相关.异步电动机仿真模型中有大量的电感参数,利用绕组函数计算这些电感参数适用范围广、精度高.在此基础上,建立了鼠笼式异步电动机正常时和定子匝间短路、转子断条、气隙偏心等常见故障情况下的数学模型,并进行仿真分析.仿真结果与理论分析得到的结论基本吻合,表明模型及参数计算正确,可为故障诊断提供依据.
10.期刊论文 黄全明 鼠笼式异步电动机的故障处理 -山西焦煤科技2009(z1)
介绍了引起鼠笼式异步电动机不能起动或达不到额定转速、声音不正常或振动、过热、轴承过热等故障的原因,论述了相应的处理方法.
引证文献(2条)
1. 罗铭. 刘振兴. 黄菲 变频电源笼型异步电机断条故障诊断仿真研究[期刊论文]-武汉科技大学学报（自然科学版） 2008(4)
2. 罗铭. 刘振兴. 黄菲 变频电源笼型异步电机断条故障诊断仿真[期刊论文]-电机与控制学报 2008(2)
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下载时间：2011年2月21日