三相电机故障诊断及容错控制研究

三相电机故障诊断及容错控制研究

1. 边海瑞 2.宋军智 3.李聪菊

2. 1.3.中车永济电机有限公司 ，山西省永济市，044500 2. 中国铁路西安局集团有限公司，陕西西安，710027

摘要：三相电机作为驱动设备，以其结构简单、价格低廉、使用方便而在工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中取得了广泛应用，是一种用量最大、覆盖面最广的电 机.但是，由于电机的装配、运行特性、结构、工作方式和负荷情况等的复杂变化，就会产生各种电机故障，电机故障会引起一系列连锁反应，导致设备甚至整个过程不能正常运行.因此，研究各种智能在线监测、诊断系统，对防止电机故障的发生和及时发现并消灭故障，保证电机可靠运行，减少过剩维修，降低维修费用，提高生产效率，具有十分重要的经济和社会意义，这已成为国内外学者们一个非常重视的关键和前沿课题。

关键词：三相电机；故障诊断；故障容错控制

一、故障诊断与容错控制的意义

随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，设备结构复杂，功能越来越完善. 自动化程度也越来越高.由于结构的复杂性和大功率、高负荷地连续运转，设备在工作过程中，随看时间的増长和内外部条件的变化，不可避免地会发生故障。这些故障，轻则降低设备性能，影响生产，重则停机停产，毁坏没备，甚至机毁人亡.国内外曾经发生的各种空难、海难、断裂、倒塌、泄漏等事故，都造成了人员的巨大伤亡和严重的经济损失与社会影响。如何及时发现故障和预测故障并保证设备在工作期间始 终安全、髙效、可靠地运转，故障诊断和容错控制技术为提高设备运行的安全和不确定性提供了一条有效途径.但由于故障的随机性、模糊性和不确定性，一个故障的形成往往是众多因素造成的结果，且各因素之间的联系又十分复杂，这样用传统的故障诊断方法已不能满足现代化设备的要求，因此必须釆用智能故障诊断和容错控制理论与方法.

二、三相电机常见故障介绍

三相感应电机是由定子、转子、轴承和气隙等几个部分组成，虽然其总体结构比较简单却具有极为复杂的机、电和磁等物理甚至化学的演变过程。长期运行的三相感应电机由于受供电电源、负载性质、运行机制、安装环境以及地基等的影响，其某些部件的性能会逐渐劣化，其中最常见的故障有定子绕组的匝间短路，转子导条及端环断裂、轴承磨损以及气隙偏心等。其中定子匝间短路故障大约为三分之一，转子断条故障和端环故障大约为十分之一，轴承故障大约占总故障的五分之一。

定子绕组匝问短路故障主要是同一相绕组相邻两匝线圈之间由于出现绝缘破坏而发生的短路。三相感应电机的绝缘系统无论在机械强度、耐热性、对环境的抵抗力以及耐久性等方面，都是电机结构中最为薄弱的环节之一，其发生故障的几率也较高。定子绕组为了减少附加铜耗，通常在股线间需要换位，在制造过程中，线圈的压型或换位不当时易造成匝间短路。另外，由于各种原因引起的碰磨、老化、过热、受潮、污染和电晕等都会造成绝缘损坏使短路线圈处温度较高，长期发展下去将引起周围绝缘破坏，导致更为严重的多匝线圈间短路，甚至发生相间短路、单相对地短路等严重故障。

转子导条和端坏开裂也是感应电机主要的故障类别之一。三相感应电机在启动时，导条内短时间流过很大电流不仅承受很大冲击力而且很快升温，产生热应力，端环还要承受较大的离心力。反复的启动、运行、停转使导条和端环受到循环热应力和变形，由于各部分位移量不同受力不均匀，加上生产及制造时导条的铸造质量、导条与端环的材质和焊接也会存在一些问题，使导条在转子槽内不能充分紧固，最终造成导条和端环因应力分布不均而断裂。转子导条断裂后继续使用会使与其相邻导条的应力增大，断条故障将进一步扩大出现多根断条，导致电机烧坏现象，严重时还会由于转子扫膛而擦伤定子铁芯导致整机报废。

三、三相电机故障诊断及容错研究 　　

为了能够更加透彻的理解如何对三相电机出现的故障进行系统的诊断，现举例进行说明。 　　

（一）转子位置检测故障诊断研究

要想准确判断出事哪一个传感器出现了故障，就得对转子位置的信号进行详细分析，具体流程为：首先是将一个电周期分为6个区间，将VT1VT6定为区间1,然后每隔60°区间就加1,直到VT5VT6 （既区间6）,在这个过程中，无论是在三相电机的启动、制动过程还是当它处在运行状态，由于通常认为电机转速相对于换相区间可以当做准静态量，所以就能够通过对比下一个X间和上一个区间的宽度来确定传感器有没有出现故障。为了对此有更直观的认识，这里用区间1与区间2为例子来说明，先设区间1的宽度是时间tl,当三相电机运行在90摄氏度状态时，传感器c这时候能够正常输出信号，而当主电路VT6换流到VT2的时候，这时候也就是从区间1进入到区间2的过程，在这一过程中，会开始对区间2的宽度t2进行计时,当t2>ktl,且k=1.5时，这时候的传感器2的输出信号没有出现跳变的情况，那么就可以得知该传感器发生故障了。 　　

（二）转子位置故障容错控制研究

当传感器发生一到两路损坏时，可以冇效利用其余正常运行的传感器通过对转了位置进行评估并用于电机换相，最终实现故障的容错控制。

当其中的一路传感器发生故障时，首先要确定两个区间的宽度，下面以区间1与区间2为例进行分析，当区间2的宽度超过前面所设定的宽度，这时候就说明Hb出现故障，因此， 要马上换相，同时，在随后的所有电周期里，在区间2里，当 t5=t4的时候以及在区间5中当t5=t4的时候均需换相，也就是利用上次没有发生故障的传感器信号来获得下一个转子的位置。同样的道理，当岀现两路传感器信号故障的时候，就要用第三个正常的传感器信号通过延时来获取其它转子的位置信号，通过采用这种方式，即使传感器出现故障，仍然可以有效获得六个换相点的时刻点，有效实现对三相电机的容错控制。

结论　　

三相电机作为一种重要的设备，广泛使用于现代工业系统中，对工业生产起着非常重要的作用，也正是因为它的地位如 此重要，其所产生的故障影响和造成的损失也才会如此突出。虽然当前的三相电机己经比过去先进了许多，稳定性、可靠性 有了很大的提高，但由于使用环境、工作方式等的影响，故障总是在所难免，为此，必须大力推广故障检测和容错控制，以便有效对故障进行防控，确保电机的稳定、可靠运行，为生产提供更安全町靠的保障。

参考文献

1. 侯霞，胡寿松，基于小波神经网络的多模型故障检测[J].南京航空航天大学学报[J]. 2003,35(4): 366-369. 　　

2. 徐小来，王莉，谢一静.异步电动机定子绕组短路故障仿真研究[J],大电机技 术.2006,1:23・25.

3. 29.张强,张建文.Park矢量变换在异步电机故障诊断中的应用[J].煤炭技术2006, 6(25):35-37.