交流電機(jī)故障分析判斷與維護(hù)
當(dāng)前社會(huì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活都對(duì)動(dòng)力源提出了新的要求，在全球化石能源日漸枯竭的今天，交流電機(jī)已成為最主要的動(dòng)力輸出設(shè)備，數(shù)量與應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，交流電機(jī)的容量不斷增大，所組成的系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜，所以降低其故障率提高可靠性的要求也越來(lái)越高。作為系統(tǒng)中重要的動(dòng)力輸出源，交流電機(jī)一旦出現(xiàn)故障，便導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作，引起系統(tǒng)癱瘓，其經(jīng)濟(jì)損失不可估量。因此近些年來(lái)電機(jī)故障診斷技術(shù)引起專家和技術(shù)人員的高度重視。針對(duì)故障診斷社會(huì)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出科技含量較高的診斷設(shè)備。
1、電機(jī)故障診斷的特點(diǎn)
交流電機(jī)動(dòng)力輸出原理是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)能，系統(tǒng)較為復(fù)雜，包括電路系統(tǒng)、磁路系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)等。任何一個(gè)子系統(tǒng)工作狀況不好或其間銜接出現(xiàn)問(wèn)題，便會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)工作紊亂即電機(jī)出現(xiàn)故障。所以電機(jī)故障的成因復(fù)雜，涉及的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域較廣，診斷難度較大，對(duì)電機(jī)維修人員也提出了較高的要求。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)故障診斷涉及到的專業(yè)知識(shí)主要有電機(jī)理論、電磁測(cè)量、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、熱力學(xué)、絕緣技術(shù)、人工智能等。
電機(jī)故障的特征往往不明顯，具有隱含性，故障征兆也具有多個(gè)產(chǎn)生原因即故障原因的多元性。一個(gè)故障也可能表現(xiàn)出多種征兆，如籠型異步電機(jī)當(dāng)鼠籠斷裂或端環(huán)開(kāi)裂時(shí)表現(xiàn)為機(jī)體振動(dòng)加劇，電流不穩(wěn)定，定子電流增加（1~2s）fl電流分量、起動(dòng)緩慢、電機(jī)轉(zhuǎn)差率增加、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等故障征兆，這些征兆之間有時(shí)獨(dú)立存在，有時(shí)同時(shí)存在。電機(jī)鼠籠斷條發(fā)生后，如果不及時(shí)停機(jī)檢查維修電，讓電機(jī)在故障下運(yùn)行，將會(huì)造成更多的籠條斷裂，故障會(huì)加劇，最終可能造成電機(jī)無(wú)法修復(fù)。有時(shí)不同故障起因也可能會(huì)反映出同一個(gè)故障征兆，這時(shí)就要逐一排查能夠產(chǎn)生該征兆的各種原因。另外，電機(jī)故障還與其負(fù)載情況、運(yùn)行工作環(huán)境等有關(guān)，在不同的外在因素影響下，電機(jī)表現(xiàn)出的故障征兆是不同的，這又增加了對(duì)電機(jī)故障的診斷難度。所以必須要熟悉電機(jī)的構(gòu)造、電磁學(xué)相關(guān)理論和運(yùn)行狀況分析的具體操作技術(shù)，電機(jī)故障機(jī)理分析首當(dāng)其沖。
2、交流電機(jī)故障機(jī)理分析
交流電機(jī)的故障機(jī)理分析中，對(duì)故障的所產(chǎn)生的征兆的分析篩選十分重要，現(xiàn)實(shí)中交流電機(jī)的故障會(huì)產(chǎn)生各種不同的征兆，有的征兆特征量較易監(jiān)測(cè)到，有的很難監(jiān)測(cè)。
在生產(chǎn)實(shí)踐中一線維修養(yǎng)護(hù)人員往往具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此要在熟悉診斷理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合維護(hù)人員的具體操作經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)各種故障與征兆的關(guān)系，這是故障機(jī)理研究的重要內(nèi)容。但是我們對(duì)診斷技術(shù)探討的不能止步，要在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)理論分析，通過(guò)建立數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)行準(zhǔn)確的定性分析，要利用現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，從而更加科學(xué)地尋找故障產(chǎn)生的根本原因，用計(jì)算機(jī)分析出可供具體監(jiān)測(cè)的特征量。故障狀態(tài)是一種非正常的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以往的普通分析方法已經(jīng)不再適用，因此實(shí)際工作的問(wèn)題產(chǎn)生了對(duì)理論研究需求。例如，三相異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組故障是大中型異步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障，故障診斷的第一步是建立故障狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，異步電機(jī)常用的分析方法是以相繞組為基礎(chǔ)，以多相繞組的總體效應(yīng)分析電機(jī)，如等效電路法。若交流電機(jī)發(fā)生故障，定子或轉(zhuǎn)子繞組三相嚴(yán)重不對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)有較強(qiáng)的空間諧波，電流中有較強(qiáng)的時(shí)間諧波，因此不宜采取上述方法，而應(yīng)用"電流回路法"進(jìn)行分析，即從定、轉(zhuǎn)子單個(gè)線圈出發(fā)列出矩陣方程，定轉(zhuǎn)子繞組局部短路或開(kāi)路只需要改變相應(yīng)電阻矩陣和電感矩陣的參數(shù)來(lái)表示，由此進(jìn)行仿真計(jì)算，得到負(fù)載情況、起動(dòng)情況，故障后定子電流、轉(zhuǎn)速、輸入功率等參量的變化規(guī)律，并提煉出與故障關(guān)系密切的幾個(gè)物理量為關(guān)鍵特征量。交流電機(jī)故障狀態(tài)電磁分析比較復(fù)雜，有的故障成因和故障發(fā)展各階段的征兆至今仍不十分清楚，因此無(wú)法確切掌握和提取這些故障的特征量。
3、交流電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)和特征量CPF的提取從機(jī)理分析的結(jié)果中可以得到，交流電機(jī)的故障與特征參量的變化具有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)具體故障，選擇與該故障相關(guān)性較強(qiáng)的有特征參量為該設(shè)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)參量，實(shí)時(shí)記錄下這些主要的特征參量，這是診斷分析的基礎(chǔ)。
故障特征量(以下簡(jiǎn)稱CPF)，特別是早期CPF強(qiáng)度較弱，相反的干擾監(jiān)測(cè)的其他信號(hào)較強(qiáng)，常用的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，傳感器受限因素很多，如準(zhǔn)確性、微處理器的速度、A/D轉(zhuǎn)換的分辨率與轉(zhuǎn)換速度等，而且過(guò)去的數(shù)據(jù)處理方式存在缺陷，所以提取CPF難度較大，需要采用一些特殊的電工測(cè)量手段與信號(hào)處理方法。例如，小波變換原理的應(yīng)用。小波分析是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，它是Fourier分析的創(chuàng)新和發(fā)展，它可將一個(gè)被測(cè)信號(hào)通過(guò)小波變換，表示為具有不同頻率的諧波函數(shù)的線性益加，它的特點(diǎn)是具有多重分辨力來(lái)刻畫(huà)信號(hào)的局部特征的能力，因而它很適用于探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象，并展示其成分，這在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及早期故障診斷中具有重要意義。
在故障診斷系統(tǒng)中，提取數(shù)據(jù)的可靠性，傳感器的靈敏和準(zhǔn)確程度首當(dāng)其沖，其次是信號(hào)的傳輸方式和數(shù)據(jù)預(yù)處理方式，為了使信號(hào)的傳輸不受噪聲的污染，在干擾較大的情況下，信號(hào)應(yīng)在數(shù)字化處理后再進(jìn)行傳輸和分析處理。
4、交流電機(jī)故障狀態(tài)識(shí)別和判斷
電機(jī)故障狀態(tài)分析是將通過(guò)上述措施獲得的特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進(jìn)行比較，以確定系統(tǒng)所處的狀態(tài)是否存在故障，故障性質(zhì)、部位和今后的發(fā)展趨勢(shì)等。診斷決策（控制）是根據(jù)對(duì)電機(jī)狀態(tài)的分析與判斷，決定應(yīng)采取的對(duì)應(yīng)措施，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整控制。由于交流電機(jī)故障的復(fù)雜性以及故障原因與其征兆之間的關(guān)系并非全是一一對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單"對(duì)號(hào)"；上述的狀態(tài)分析與判斷決策過(guò)程，值得研究，就像是醫(yī)生診斷病人的疾病，電氣專家對(duì)電機(jī)故障的判斷同樣需要經(jīng)驗(yàn)、理論和現(xiàn)代的數(shù)學(xué)工具。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于采用大規(guī)模并行處理方式，具有高度的自適應(yīng)性、很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)性能以及分布式信息存儲(chǔ)的特點(diǎn)，因而與一些其他的診斷方法（如專家系統(tǒng)診斷方法，故障樹(shù)診斷方法等）相比具有較大的優(yōu)越性，其應(yīng)用正不斷擴(kuò)大。
鼠籠異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條和轉(zhuǎn)子端部開(kāi)裂故障診斷，目前國(guó)內(nèi)外一般是根據(jù)異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條和轉(zhuǎn)子端部開(kāi)裂等故障，就會(huì)在定子電流中感應(yīng)出頻率為（1~2s）fl的附加分量，其大小與轉(zhuǎn)子不對(duì)稱的程度有關(guān)。但是由于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率S一般很小，故（1~2s）fl的附加分量的頻率與基頻fl很接近，且（1~2s）fl的分量的幅值很小，特別是在故障較輕的情況下，要用一般數(shù)據(jù)采集的方法辨析出該分量，精確獲其大小比較困難。實(shí)踐表明，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷，可以獲得滿意的診斷效果。首先，建立合理的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)組成網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、工作規(guī)則。經(jīng)仿真計(jì)算可知，三相鼠籠異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂或端環(huán)開(kāi)裂時(shí)，若帶有恒定負(fù)載，與正常運(yùn)行電機(jī)相比不僅定子中出現(xiàn)含有頻率為（l~2s）fl的電流分量，而且還會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速有所下降，定子電流，輸入功率有所增加，轉(zhuǎn)子未斷相導(dǎo)條電流增大等相關(guān)變化。
