起動過程診斷感應電動機轉子斷條故障

董濤，程培源，樊波，王東旭

  (空軍工程大學，陜西三原713800)

摘要：針對穩態定子電流頻譜難以突出故障特征分量的弱點，提出了基于起動過程的感應電動機轉子斷條檢測方法。故障特征頻率的定子電流分量對氣隙磁場有調制作用，導致定子電流、電磁轉矩和轉子轉速的周期性脈動，這些故障特征在起動過程中表現明顯。通過監測感應電動機的整個起動過程，可實對轉子斷條的故障檢測。實驗結果表明該方法行之有效。

    關鍵詞：感應電動機；轉子斷條；起動；檢測

    中圖分類號：TM346  文獻標識碼：A  文章編號：1004-7018(2010)04—0037—02

0 引  言

    轉子斷條故障是感應電動機常見故障之一。轉子發生輕微斷條故障后，一般不會立即對電機的運行產生很大的影響，但隨著電機運行時間的延長，已斷裂的導條容易誘發其它導條斷裂，導致掃膛故障，毀壞整個定子繞組，使得整臺機器嚴重損壞。感應電動機起動過程是個復雜的暫態過程，在這個暫態過程中，轉子斷條故障特征分量和工頻分量相隔較遠，并且受工頻分量的影響較小，所以分析感應電動機起動過程有利于轉子斷條故障檢測[1]。

1轉子斷條故障特征分量的機理分析

    正常的鼠籠式感應電動機的所有轉子導條均勻分布。當出現轉子斷條故障時，轉子電路結構上的對稱性被破壞，產生橢圓形磁勢，可以分解成相對于轉子的正轉分量F21和反轉分量F22。F21與定子磁勢F，相對靜止，F：：相對于定子參照系的轉速為(1—2s)ω，因而會在定子繞組中感應出頻率(1—2s)f的電勢和電流。(1—2sV頻率的電流是轉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；α_1-2s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生的電磁轉矩為：

    AT1-2s(t)引起轉子轉速的波動，進一步引起波磁通的相位發生相應的變化：

式中：P為電機極對數；s為轉差率；ΔT(1-2s)。為轉矩；ΔT1-2s(t)的幅值；J為轉動慣量。

    可見，轉子出現斷條故障時，首先在定子繞組中產生頻率（1-2s)f的電流分量，該電流分量和氣隙磁場作用，產生以2sf頻率波動的附加電磁轉矩，進一步引起電磁轉矩和轉子轉速的波動。因此可通監測(1—2s)f故障特征分量在感應電動機起動過程中的表現來診斷轉子有無斷條故障以及故障程度^[2]。

2轉子斷條故障對起動電流的影響

    由于定、轉子的電磁耦合，任何轉子故障導致的轉子電流不平衡，都會引起氣隙磁場的變化，并感應到定子繞組中，在定子電流中有所反映。對稱狀態的電機正常運行時，定子電流中只有單純的基頻成份，氣隙磁場可認為是圓形旋轉磁場，沒有逆序分量。當轉子出現斷條故障，原來的平衡狀態被破壞。斷條故障越嚴重，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，通過分析穩態時運行時的定子電流，檢測是否存在(1—2s)，頻率分量來診斷異步電動機的轉子斷條故障。但是穩態運行時，故障特征分量(1—2s)f頻率與基頻非常相似，不容易分辨^[3]。

    無故障感應電動機起動時轉差率大，定子繞組中的電流也大，約為額定電流的5～7倍。隨著電動機轉速的上升，轉差率s減小，電動機電流逐漸減小。從總體看，電流應是平穩的，但存在轉子斷條故障時，起動瞬時電流變小。定子電流被頻率為(1一2s)f頻率的附加電流所疊加，整個電流波形變得不規則且有一定的波動。除起動開始和起動結束的兩個時段外，其他時間段內(1—2s)，分量的頻率遠離基頻分量。同時，在起動過程中(1—2s)f頻率分量與，頻率分量幅值之比遠大于穩態運行時的幅值之比，因而基頻分量對(1—2s)，頻