电机在60Hz运行过程中的故障频谱分析

电机在60Hz运行过程中的故障频谱分析

郭丽君,李钊,王凯

中车永济电机有限公司  山西永济  044502

摘要：电机超速运行是为了考核转子机械强度与装配质量，验证电机超速后，各部件有无永久变形和不妨碍电机正常运行的其它缺陷，对一合电机的振动情况进行数据采集，概述了该电机在６０Ｈｚ运行过程中所出现的振动状况、参数

和特征，利用频谱分析对其振动原因进行推理和分析。

关键词：电机；６０Ｈｚ运行；故障；频谱分析

1概述

频谱是一种典型的动态信号分析方法，是将电流信号从时域转换到频域上，通过对电流频率的成分和频率的结构组成进行分析，将各次谐波电流按照高低排列成频谱图，对特征电流谐波进行分析，判断电机运行状态的一种监测诊断方法。电流频谱诊断是一种不停机不拆电机就可进行电机运行状态的在线诊断技术，通过对电流谐波的分析实现对电机运行的状态量化评价和劣化部位的定位，在数据采集和管理的基础上进一步对电机进行趋势管理。

2诊断原理

电机设备是基于电磁理论将电能转换为机械能的动力设备，由电路系统、磁路系统、绝缘系统和机械系统等组成。系统间相互独立并关联，影响电流成分的因素主要是电路（绕组）和磁路（铁芯）。故障形成的过程和表现形式存在多样性，如电机绕组过流、过热引起的局放、匝间短路、绝缘老化和电机转子偏心等情况引起的电流成分的改变。电流频谱诊断原理是通过对电机的各次谐波含有率与总谐波失真率进行处理比较，对电机运行状态和劣化程度的评估和判断，对电机中的各次数谐波电流的含有率进行标准化处理，根据各次数谐波函数对各次谐波的含有率进行运算后得出各次数的诊断计算值，并计算出判定基准值，将判定基准与数据标准化后的指数值进行分析对比，就可对电机的运行情况进行判断评估。

3电流谐波产生的机理

谐波电流是以基本频率为基数的整倍频电流，具有一定的规律性，电机中的谐波电流是因电磁场和空间位置的相对变化所产生的。谐波电流作用在基波上形成复合波形，按照傅里叶级数进行波形的展开，则可分解为不同频率的正弦波电流，分解为各次谐波电流。电机为满足现场生产变速和力矩调整的需求，通常会经过变频器进行驱动，输入电流会经过变频器的整流逆变等环节的处理。变频器和功率元器件是谐波电流的主要来源，且呈现出一定规律和频谱对应关系。电机的三相正弦波电流在转子磁动势中心点的磁动势为：

式中，ω为角速度；θ为坐标空间的电角度；Ａ为常数，Ｉｕｖｗ分别为ｕ、ｖ、ｗ三相电流的有效值。ｎ次谐波的合成磁动势为：

频率为ｆ时，ω为２πｆ，ｔ为时间，Ｂ为时间常数，Ｆｍ为最大磁动势。当三相电流对称时，ｎ＝３，９，１５…次谐波合成的磁动势为０，ｎ＝５，１１，１７…次谐波与基波反向回转ω／ｎ，ｎ＝７，１３，１９…次谐波与基波同向回转ω／ｎ。电机主要由旋转轴承及回转轴机械部件和定转子线圈电气部件组成，如果机械部分出现劣化，电机的电流中就会出现不规则的振荡成分，其中就包含了规则的谐波成分从不规则的电流波形中选取本质谐波，按照相关函数进行关联度的分布。

式中，ｔ为时间；τ为谐波的周期；ｆ（ｔ）瞬时变化是完全无规律的，关系度Ｒ只有在τ＝０时才能得到某个确切的值，从无规律的波形中找到与谐波相关性最高的特征曲线。

4定子对电流谐波影响分析

定转子绕组是电机产生电磁力矩，实现电能到机械能转换的重要部件，电机启动时的电流是正常电机额定电流的６～９倍，定转子绕组在电机启动和负载调整的过程中会流过大电流，出现快速升温产生热力效应，并承受大驱动力和离心力的冲击。转子是电机最易出现问题的部位，出现劣化时会出现启动时间延长、滑差加大、力矩减小等现象，同样会引起异常振动、噪声增加及定子电流异常波动等情况造成电流谐波。

正常情况下电机定子电流的频率是确定的，主要是电源频率成分。正常电机的电流谐波如图１所示，主频率幅值最高，在主频率两侧的１±２ｓ倍基频的位置出现对称边频带小峰值，主要通过傅里叶分解法或图像放大法进行捕获解析。

如果电机转子回路出现问题劣化，绕组和匝间绝缘短路就会引起局部过热加速绝缘老化，造成绕组阻抗的改变，在谐波磁通的影响下产生谐波感应电流，在与电源频率相差两倍转差率的位置会出现谐波边频带，随劣化程度和外界负载的增加而加重，还可能出现两倍转差率的其它整数倍的边频分量。故障的特征频率可表示为：

式中，ｋ为正整数；ｓ为转差率；ｆ０为工频。该特征频率是转子断条和端环开裂故障最有效的诊断判据。异常电机的电流谐波如图２所示。

5气隙偏心对电流谐波的影响

气隙偏心是指电机定子中心与转子轴心不重合，主要分为静态偏心和动态偏心两种，虽然外在表现是一种相对位置机械表象，但是气隙改变会引起气隙磁场变化，从而影响绕组中的磁势和感应电动势改变电流。气隙偏心会引起定子电流出现频带关系，通过采样进行分解可获得边频带的谐波电流频谱，动静态偏心产生的磁动势能被相互的磁导波调制，在气隙中产生Ｐ及Ｐ±２对级的ω±ｒω及ω±２ｒω频率的磁场，在定子绕组中产生感应电动势和电流，是电流谐波诊断分析的重要依据，其特征频率为：

式中，ｆ１为基频；ｍ为正整数；ｓ为转差率；ｐ为极对数。受气隙影响，磁阻会因为位置而发生变化，气隙磁通的分布会包含谐波成分，５次谐波的磁束以ω／５与基波相反的转速方向旋转，７次谐波的磁束以ω／７与基波相同的转速方向旋转，这些非同步谐波磁通产生谐波电流并产生转矩，与基波转矩叠加复合，根据谐波电流的大小不同会形成不同的转矩凹陷。当电机的结合不良或转轴不平衡时会出现７次谐波电流，气隙不均时５次谐波电流会明显增强。电机转矩对电流谐波影像图如图３所示。

6电机主要部位与电流谐波组成的对应关系

采用多变量解析法对电流谐波与电机劣化部位的对应关系进行分析，通过分析多元事件的特性值之间的关联性，对主要成分进行解析，并根据特征值的方差从大到小的顺序进行筛取，列出主要影响谐波的贡献率，见表１。由此看出，电机不同部位的劣化与电流谐波次数具有明显的对应关系，呈现出规律性。

结语：

当电机出现劣化存在隐患时，定子电流就会发生变化，不再是以基频电流为主要成分的标准正弦波形，会出现其他分量的谐波电流，通过对电流谐波频谱的分析获取电流谐波的特征频率，开展电机运行状态和故障诊断是一种有前景且可行的研究方向和方法。

参考文献

[1]刘雄，赵振毅．电机转子监测和诊断系统[M]．西安：西安交通大学出版社，1991．

[2]虞济和．故障诊断的基本原理[M]．北京：冶金工业出版社，2002．

[3]黄雅罗．发电设备状态检修[M]．北京：中国电力出版社，2000．