起动过程诊断感应电动机转子断条故障

董涛，程培源，樊波，王东旭

  (空军工程大学，陕西三原713800)

摘要：针对稳态定子电流频谱难以突出故障特征分量的弱点，提出了基于起动过程的感应电动机转子断条检测方法。故障特征频率的定子电流分量对气隙磁场有调制作用，导致定子电流、电磁转矩和转子转速的周期性脉动，这些故障特征在起动过程中表现明显。通过监测感应电动机的整个起动过程，可实对转子断条的故障检测。实验结果表明该方法行之有效。

    关键词：感应电动机；转子断条；起动；检测

    中图分类号：TM346  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2010)04—0037—02

0 引  言

    转子断条故障是感应电动机常见故障之一。转子发生轻微断条故障后，一般不会立即对电机的运行产生很大的影响，但随着电机运行时间的延长，已断裂的导条容易诱发其它导条断裂，导致扫膛故障，毁坏整个定子绕组，使得整台机器严重损坏。感应电动机起动过程是个复杂的暂态过程，在这个暂态过程中，转子断条故障特征分量和工频分量相隔较远，并且受工频分量的影响较小，所以分析感应电动机起动过程有利于转子断条故障检测[1]。

1转子断条故障特征分量的机理分析

    正常的鼠笼式感应电动机的所有转子导条均匀分布。当出现转子断条故障时，转子电路结构上的对称性被破坏，产生椭圆形磁势，可以分解成相对于转子的正转分量F21和反转分量F22。F21与定子磁势F，相对静止，F：：相对于定子参照系的转速为(1—2s)ω，因而会在定子绕组中感应出频率(1—2s)f的电势和电流。(1—2sV频率的电流是转子断条的主要故障特征。

基波和(1—2S)f频率的电流分量可分别表示为：

式中：ω为基波角频率；I1为电流基波幅值；α1为基波初相位;f为电源频率；I1-2s为(1—2s)f电流分量的幅值；α_1-2s为(1—2s)f电流分量的初相位。不考虑断条故障影响，气隙基波磁通可表示为：

式中：φ为基波磁通幅值；αφ为基波磁通初相位。

    频率(1—2s)f的电流分量和基波磁通相互作用产生的电磁转矩为：

    AT1-2s(t)引起转子转速的波动，进一步引起波磁通的相位发生相应的变化：

式中：P为电机极对数；s为转差率；ΔT(1-2s)。为转矩；ΔT1-2s(t)的幅值；J为转动惯量。

    可见，转子出现断条故障时，首先在定子绕组中产生频率（1-2s)f的电流分量，该电流分量和气隙磁场作用，产生以2sf频率波动的附加电磁转矩，进一步引起电磁转矩和转子转速的波动。因此可通监测(1—2s)f故障特征分量在感应电动机起动过程中的表现来诊断转子有无断条故障以及故障程度^[2]。

2转子断条故障对起动电流的影响

    由于定、转子的电磁耦合，任何转子故障导致的转子电流不平衡，都会引起气隙磁场的变化，并感应到定子绕组中，在定子电流中有所反映。对称状态的电机正常运行时，定子电流中只有单纯的基频成份，气隙磁场可认为是圆形旋转磁场，没有逆序分量。当转子出现断条故障，原来的平衡状态被破坏。断条故障越严重，逆序分量越大，频率分量的幅值亦越大。采用频谱分析的方法，通过分析稳态时运行时的定子电流，检测是否存在(1—2s)，频率分量来诊断异步电动机的转子断条故障。但是稳态运行时，故障特征分量(1—2s)f频率与基频非常相似，不容易分辨^[3]。

    无故障感应电动机起动时转差率大，定子绕组中的电流也大，约为额定电流的5～7倍。随着电动机转速的上升，转差率s减小，电动机电流逐渐减小。从总体看，电流应是平稳的，但存在转子断条故障时，起动瞬时电流变小。定子电流被频率为(1一2s)f频率的附加电流所叠加，整个电流波形变得不规则且有一定的波动。除起动开始和起动结束的两个时段外，其他时间段内(1—2s)，分量的频率远离基频分量。同时，在起动过程中(1—2s)f频率分量与，频率分量幅值之比远大于稳态运行时的幅值之比，因而基频分量对(1—2s)，频