电机故障的逻辑诊断方法

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1、电机故障的逻辑诊断方法王立欣，王明彦，齐明　（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001）    摘 要：进行故障诊断必须首先确定诊断参数及其测试方法。该文用仿真试验的方法研究了电机定子绕组匝间或相间短路、转子断条和转子轴偏心等各类故障。讨论了故障对电机电磁、振动和声学性能的影响。建立了包括直接故障及其条件故障在内的电机故障模型。利用逻辑诊断方法，借助布尔矩阵确定了最小诊断试验集及相应的监测参数。通过对绕组电压和电流中三次谐波的监测能够在故障初期和在运行条件下确定故障类型，提出的算法能对电机的技术状态做出快速判断。   关键词：电机；故障诊断

2、；逻辑方法1引言现有的电机监测和诊断方法，用于运行中电机时效果并不理想。主要问题在于对电机的故障研究不够充分，没有找到能够正确表征故障电机电磁、振动和声学性能变化的诊断参数。文献[1]~[3]就此问题作了具体研究，认为明确需要监测的参数有利于提出新的有效的诊断方法，并应用技术诊断学的基本原理解决电机的诊断问题。本文研究了应用逻辑诊断方法在电机运行过程中监测其技术状态并获得诊断信息的可行性。电机的动态性能是其电磁、振动和声学过程的总体反映，在电机的各个主要功能部件（包括定子、转子、铁心、气隙、轴承组件）之间存在着紧密的电磁和机械联系，它们的状态互相影响。某部件的

3、损坏（直接故障）在其它诊断相关部件（如果第一个部件的故障引起第二个部件确定的故障，这两个部件是诊断相关的）中会引起条件故障[4]。条件故障包括气隙中电磁场均匀性被破坏，定子绕组电流中出现高次谐波，气隙磁势不均匀等。所有故障都将引起相应参数的变化，而参数的变化可以通过试验监测。逻辑诊断就是在对故障充分分析的基础上，确定诊断试验项目和监测参数，再根据试验结果对电机的状态作出判断。2逻辑诊断方法电机的状态可以用参数和特征的集合来描述，设：向量X(x1,x2,K,xn）外部激励输入，向量Y(y1,y2,K,ym）为电机的动力学指标，Z(z1,z2,K,zk）为参数或特

4、征向量，则试验结果   R=f(Xg,Yg,Zg,t)为以某种形式（表格、表达式等）给出的正常状态的模型。该模型表征诊断试验结果与激励、动力学指标及状态参数之间的关系。运行实践表明，在故障初期，电机的主要动力学指标仍保持原值，只有明显损坏时它们才显著变化。考虑到这一点，在正常激励下，当出现第i类故障时，故障模型为其中Zs(i)表征第i类故障下损坏部件的状态变化；Zs(j/i)表征i类故障导致的第j类条件故障引起的其它部件的状态变化。所以，当第i类故障出现时电机中的故障集为故障集及条件故障集可以用相应的诊断参数或特征的集合来描述：   根据故

5、障的诊断参数，可以确定相应的诊断试验，假设诊断参数和试验结果都只有“0”和“1”两种取值，则可以建立电机状态的具有逻辑性质的数学模型——布尔矩阵。表1为由各种故障下不同诊断试验的结果组成的布尔矩阵[5]。                     用布尔矩阵建立最小的诊断试验集就是找到最小的列集合，使得在每一行中至少有一列为“1”。例如，对于故障S(i)最小试验集记为即某试验（πi）结果不为0或某诊断参数Zi=1，则发生了故障S（i）。3电机的典型故障分析3.1定子绕组的匝间或相间短路故障图1给出了交流电机在发生定子绕组的匝间或相间短路故障时的诊断模型，故障部件

6、对其它部件的作用用箭头表示，而短路环流的作用用虚线表示。匝间和相间短路的基本标志是绕组局部过热，各相电流不对称，噪声和振动加剧。但是只有在故障的终了阶段，短路环流达到一定数值，即电机就要退出运行时这些现象才表现得非常明显。在故障初期需用参数的变化来诊断。定子绕组的匝间或相间短路将引起下列参数的变化：                           　（1）三次谐波电流的不对称已知定子上每相绕组的磁势是空间分布不变，随时间变化的各次谐波的总和　正常情况下，由于三相绕组是对称的，三次谐波的电流产生的总磁势为0。当出现匝间或相间短路时，三相中谐波产生的磁势不对称

7、，在气隙中出现了频率为基波3倍(3f1)的磁势，它沿基波的方向旋转，并在绕组中产生频率为3f1的电动势   故障情况下绕组中形成的短路环导致三次谐波发生局部补偿，致使故障绕组中三次谐波减小。随着故障的发展，三相电流的不对称程度加剧，气隙中三次谐波的合成磁通量增加，导致非故障绕组中三次谐波电流增加。（2）故障相参数的基波减小在同步电机中短路环流可用感性负载等效，它将引起定子的附加电枢反应，并对基波激磁磁通产生影响[6]。尤其在空载条件下，这种现象尤为明显。因为故障电机在空载运行时，定子相电流为0，电枢反应只由短路电流引起。电枢反应产生的磁势幅度为　式中wk为在故

8、障绕组中的短路匝数；Ik为短路环中的电