简易综合参数估计法在电机转子断条检测中的应用

赵巧洪，何能全

（1.二滩水电开发有限责任公司，四川成都617000；2.二滩开发公司锦屏电厂，四川成都610031）

0 前言

鼠笼式三相交流电机因其结构简单、工作可靠，在生产生活中被广泛应用。尤其是6 kV及以上高电压等级的电动机，电压高、容量大，在生产中发挥着重要作用，保证电机的可靠运行有着非常重要的意义。

据某省电力试验研究所1995～1997年对该省11个大型火电厂数千台大型高压电动机的故障情况所做的调查，122台故障电动机中，转子断条故障占27台[1]。大型交流鼠笼式异步电机因其体积大，解体检查困难，一般维护仅限于定子回路，如定子绕组绝缘测试、直流电阻测试、轴承检查等常规维护，而对转子检测较少。转子断条后，不及时发现和处理，一定会导致缺陷进一步发展，最后引发转子大面积损坏或鼠笼条脱落损坏定子，导致更严重的事故发生。如在恒转矩负载下的转差率增大，定子电流和输入功率增加，启动时间明显加长，甚至无法启动，运行时，电动机还伴有剧烈的振动，噪声增大等现象。因此，寻找一种简便、易于实现的转子检测技术对电机维护有非常重要的意义。

1 常见鼠笼电机转子检测技术

研究人员一直在寻找一种简易可行的检测异步电动机转子状态的方法，经过多年的发展，已经取得了一些研究成果。根据转子断条或静、动态偏心时，气隙中产生谐波磁通量，在定子线圈中产生感应电流，以及它对供电频率的调制作用，引起铁芯振动、转矩和转速等技术指标和定、转子电阻的变化的特点，检测这些变化量，作为故障特征信号，以此进行故障诊断。常见的方法如下。

（1）参数估计法：让电动机在定载、变载等不同的工作情况下运行，同时采集定子电压和定子电流，由正常电动机的数学模型，经过数学处理得到多阶故障模型及其输出方程，根据已知条件算出故障电阻，将该值与电动机标准转子电阻相比较即可判断转子有无故障[2]。这种方法的缺点在于需要电动机结构方面的大量数据，而且计算复杂。

（2）信号分析法：定子电流检测——使用频谱分析法和派克相量法，通过检测定子电流从而确定电动机转子故障；感应电压检测——在电动机内部定子齿、定子轭或在外部机座上放置探测线圈，当电动机完好时，线圈中的感应电压频率为基频频率，而当转子鼠笼条断裂时，气隙磁场中出现一个反向旋转的磁场使得气隙磁场发生畸变，并以转差频率脉动，从而确定转子故障；转矩谐波检测——对转矩频谱进行分析，根据其2倍转差频率的有无判断转子故障是否存在。

（3）人工智能法：专家系统、神经网络、模糊逻辑、模式识别等技术。

2 转子鼠笼断条后的电磁特征

当转子发生断条故障后，转子绕组的对称性被破坏，转子电流产生的椭圆旋转磁动势将在定子绕组中产生频率为(1-2s)f1的电流分量。定子电流中的(1-2s)f1频率的电流分量与气隙磁场作用，使电动机的电磁转矩产生2sf1频率的波动，进而使转子转速产生2sf1频率的波动，在气隙中出现频率为（1±2s）f1的磁通成分，从而在定子绕组中感应出（1±2s）f1频率的电势和电流，

式中，fbrb——定子电流中出现的转子断条故障频率；

f1——电源频率；

k——自然数k=1,2,…；

s——电动机运行时的转差率。

通过对鼠笼式异步电动机的定子电流进行频谱分析，检测其是否含有fbrbl频率的谐波，即可判断电动机是否发生转子断条故障，一般只检测(1-2s)f1频率分量即可。

3 简易综合参数估计法的转子检测原理及实验数据

简易综合参数估计法实际是基于参数估计法，它利用鼠笼式异步电动机发生转子鼠笼条断裂后会在定子线圈中感应出(1-2s)f1频率电流分量的特征，通过测量观察电流、电压大小、频率及波形的波动情况来判断转子是否发生断条以及发生断条的程度。

试验原理接线图见图1。

图1 试验原理接线图Fig.1 Circuit of the detection

其中ou、ov、ow为电动机定子三相绕组。

试验方法：在电动机静止时，分别给电动机的任意两个抽头加压（uv、uw、vw），在不同的电流值时，手动盘车，转动电动机转子（速度1r/10s），在一个周期内记录绕组电压、电流、频率偏移值，并观察波形的变化。

以下为二滩水电厂6 kV电压等级、容量260 kW三台电机实验记录数据，其中1号电动机为完好电机，2号电机有1根鼠笼条断裂，3号电机有11根鼠笼条断裂。1号、2号电机所加电流为0.3A、0.5A、0.7A、0.9A、1.5A、2A、3A、4A；3号电机所加电流0.3A、0.4A、0.5A、0.6A、0.8A、1A、1.3A、1.9A。

部分实验数据见表1～3。

根据以上测量数据，可以得出以下结论：

（1）1号电动机，即完好电动机的各个参数（电流、电压、波形）基本没有变化。

（2）通过1号、2号、3号这三台电动机的试验结果可以看出，转子断条可以由电流波、电压、波形这些参数反映出来，即此方法可以作为检验鼠笼条断条（一根及以上）的方法。

（3）经过对2号、3号电动机电流偏移量与所施加电流大小的关系的分析可以得出，所加电流值越大，电流波动越明显。转子断条越严重，电流波动越明显。

（4）经过对2号和3号电压偏移量与所施加电流大小的关系表分析可以得出，转子断条越严重，电压波动越明显。同时，对于断条严重的电动机，电压偏移的幅度随施加电流大小的增加而增加。

表1 1号电动机试验数据Table 1:Test data of the motor No.1

表2 2号电动机电压偏移量与所施加电流实验数据Table 2:Voltage deviation and current of the motor No.2

表3 3号电动机电压偏移量与所施加电流实验数据Table 3:Voltage deviation and current of the motor No.3

（5）相对于1号电动机，有断条的电动机波形有明显的变化。

（6）1号、2号和3号频率变化不明显，基本不变。

4 简易综合参数估计法的优缺点

优点：该方法所需设备仪器较少，检测快速，判断准确，不需要对电机进行解体，检测成本较低，容易实现。

缺点：该方法比较适合于已经发生转子鼠笼条断裂的电机的检测，无法对发展中的缺陷进行预测，无法对电机转子的潜在缺陷进行预测。

综合参数估计法的意义：鼠笼式异步电动机转子断条很少时，电机仍可以继续运行，简易综合参数估计法能及时准确检测出转子断条故障，有效防止事故进一步扩大，因此该转子检测方法的应用前景非常广阔。■

[1]吴国沛，任阵，管霖，等.鼠笼式异步电动机常见故障的分析与诊断[J].华南理工大学学报，1999，27(10)：52～57.

[2]宁玉泉.笼型感应电动机转子故障时的参数计算[J].电工技术学报，2002，17(4)：84～88.

[3]张龙照,邱阿瑞.用频谱分析方法检测异步电动机转子故障[J].电工技术学报，1987，(4)：46～50.