1.2.3 電機(jī)故障的分析方法

無論是對(duì)電機(jī)還是對(duì)其他電氣設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，都依賴于對(duì)被診斷對(duì)象進(jìn)行深入的機(jī)理分析，弄清故障產(chǎn)生的原因、故障引起的各種征兆、故障的發(fā)展趨勢(shì)，甚至還有必要弄清故障對(duì)被診斷對(duì)象的性能所產(chǎn)生的影響。

由于電機(jī)內(nèi)同時(shí)存在多個(gè)相關(guān)的工作系統(tǒng)（如電路系統(tǒng)、磁路系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)等），故障起因和故障征兆表現(xiàn)出多樣性，而對(duì)輕微故障的電機(jī)，其故障征兆又具有相當(dāng)?shù)碾[蔽性，其量值小，難以發(fā)現(xiàn)與捕捉，這為電機(jī)故障診斷增加了困難。

在電機(jī)中，一個(gè)故障常常表現(xiàn)出多種征兆，例如，籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組斷條或端環(huán)開裂這一故障會(huì)引起定子電流發(fā)生變化（擺動(dòng)），電機(jī)振動(dòng)增加，起動(dòng)時(shí)間增加，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)等，而這些變化又受其他多種因素的影響，如電源不穩(wěn)、負(fù)載波動(dòng)等。另一方面，有時(shí)多種不同的故障可能會(huì)引起同一種故障征兆，如引起電機(jī)振動(dòng)增大的原因很多，除轉(zhuǎn)子繞組斷條故障外，其他如定子繞組匝間短路，定子端部繞組松動(dòng)，機(jī)座安裝不當(dāng)，鐵心松動(dòng)，轉(zhuǎn)子偏心、不對(duì)中，轉(zhuǎn)子與定子相摩擦，轉(zhuǎn)子裂紋故障，軸承損壞[14]等。在這種情況下，如果僅僅排除某一種故障，并不一定能徹底排除電機(jī)的全部故障，必須診斷出所有故障的起因，排除所有故障，系統(tǒng)才能恢復(fù)到正常狀態(tài)；因?yàn)槎喾N故障可能引起相同的征兆，所以發(fā)現(xiàn)某一征兆并不一定能確認(rèn)設(shè)備發(fā)生了什么故障。由此可見，對(duì)交流電機(jī)這種運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜、影響因素眾多的電氣設(shè)備，如果對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理、運(yùn)行特征、工作方式、負(fù)載性質(zhì)不清楚，要對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障診斷是十分困難的。

電機(jī)的所有故障都是按一定的機(jī)理產(chǎn)生和發(fā)展的，具有一定的規(guī)律。這些規(guī)律往往必須通過對(duì)電機(jī)及其故障的深入分析、研究才能發(fā)現(xiàn)。只有對(duì)電機(jī)有充分的認(rèn)識(shí)，對(duì)其各種故障的機(jī)理、故障本身以及故障引起的各種征兆間的關(guān)系有充分的了解，找到這種規(guī)律，再利用先進(jìn)的檢測(cè)手段，有目地的采集包含故障征兆的有關(guān)參量，配合最為有效的信號(hào)處理技術(shù)，并結(jié)合其他經(jīng)驗(yàn)、成果，才能最終完成電機(jī)的故障診斷，對(duì)故障做出正確的判斷。因此，對(duì)電機(jī)故障的分析是故障診斷的前提。

電機(jī)的故障往往通過電機(jī)的運(yùn)行表現(xiàn)出來，電機(jī)的故障分析一般通過其運(yùn)行狀態(tài)分析進(jìn)行。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析主要包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析和暫態(tài)運(yùn)行分析兩大類。分析方法主要有：理論分析、實(shí)物試驗(yàn)、仿真研究等。

1. 理論分析法（解析計(jì)算法）

理論分析法是應(yīng)用一定的基本物理規(guī)律，對(duì)所分析的對(duì)象（如電機(jī)或整個(gè)機(jī)組），通過研究，寫出表達(dá)其運(yùn)行規(guī)律的數(shù)學(xué)方程式，然后依靠數(shù)學(xué)知識(shí)和實(shí)際運(yùn)行條件對(duì)方程式進(jìn)行理論計(jì)算，從而得到所需要的分析結(jié)果的研究方法。這種方法所得的結(jié)果為解析表達(dá)式，形式簡(jiǎn)潔，能揭示分析對(duì)象的內(nèi)在規(guī)律，具有普遍性，有一定的指導(dǎo)作用，所以國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者一直致力于尋求電機(jī)故障的解析計(jì)算方法。如文獻(xiàn)［15］用電機(jī)振動(dòng)中齒諧波來監(jiān)測(cè)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心，并通過理論分析得到電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心所引的齒槽諧波頻率的解析表達(dá)式；文獻(xiàn)［16］用對(duì)稱分量法對(duì)定子繞組內(nèi)部短路進(jìn)行分析。但由于電機(jī)的故障關(guān)系復(fù)雜，一般來說理論分析大都比較繁鎖，有些情況很難得到準(zhǔn)確的解析形式的解，往往進(jìn)行一些近似與假設(shè)，這使得理論分析結(jié)果與實(shí)際電機(jī)故障具有較大的誤差，影響了故障診斷的準(zhǔn)確性。

2. 試驗(yàn)研究法

試驗(yàn)研究法是進(jìn)行電機(jī)故障分析的重要方法之一，它是在實(shí)驗(yàn)室通過模擬電機(jī)（或機(jī)組）進(jìn)行故障動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的研究方法。它主要具有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：第一，大型電機(jī)（機(jī)組）造價(jià)昂貴，無論從安全性、經(jīng)濟(jì)性還是從方便性與可行性等方面看，大型電機(jī)（機(jī)組）都不便于進(jìn)行大量的試驗(yàn)，所以可以通過模擬電機(jī)（機(jī)組）進(jìn)行試驗(yàn)。第二，有些故障一時(shí)不能從理論上找到其規(guī)律，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此可以先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，通過有關(guān)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象探索故障的規(guī)律。第三，對(duì)理論分析的結(jié)論、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)然用試驗(yàn)研究法進(jìn)行電機(jī)故障的分析也有很多不足，如試驗(yàn)代價(jià)較高、周期較長(zhǎng)等。同時(shí)，由于內(nèi)部短路故障電流很大，從試驗(yàn)機(jī)組的安全考慮，試驗(yàn)的條件要求比較苛刻，一般達(dá)不到實(shí)際電機(jī)的正常運(yùn)行工況；由于電機(jī)可發(fā)性短路故障的種類很多，試驗(yàn)難以模擬全部的故障［在一臺(tái)電機(jī)（機(jī)組）中人為地造成各種不同的故障有時(shí)是很困難的］，也就給尋求內(nèi)部故障規(guī)律帶來了不便。雖然試驗(yàn)研究法存在這些缺點(diǎn)，但是它可以真實(shí)地模擬影響電機(jī)故障特性分析的飽和、磁滯、渦流及阻尼等實(shí)際效應(yīng)，可作為理論研究的一種有益的補(bǔ)充。

3. 數(shù)字仿真法

仿真研究所采用的模型主要有物理模型和數(shù)學(xué)模型兩種，對(duì)應(yīng)的仿真研究也可以分為基于物理模型的物理仿真和基于數(shù)學(xué)模型的數(shù)字仿真。由于數(shù)字仿真比物理仿真靈活，且經(jīng)濟(jì)、安全，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字仿真過程可分為4個(gè)步驟：實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、仿真模型建立、編制和調(diào)試仿真程序、仿真結(jié)果分析和驗(yàn)證。

在電機(jī)故障分析中應(yīng)用較多的仿真研究方法有坐標(biāo)變換法、場(chǎng)路耦合法和多回路分析法等幾種。

（1）坐標(biāo)變換法

在電機(jī)的分析研究中，坐標(biāo)變換法一直處于很重要的地位。其中對(duì)稱分量法在交流電機(jī)不對(duì)稱分析時(shí)得到廣泛的應(yīng)用[17,18]，它將不對(duì)稱的三相系統(tǒng)分解為三組對(duì)稱的分量再進(jìn)行求解。但當(dāng)不對(duì)稱系統(tǒng)中空間諧波分量很大時(shí)，對(duì)稱分量法并不理想；雖然這種分析電機(jī)外部不對(duì)稱是很方便的，但對(duì)電機(jī)繞組不對(duì)稱問題，即使是進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，對(duì)稱分量法也會(huì)遇到很多問題。主要仍是難以準(zhǔn)確估計(jì)氣隙磁場(chǎng)引起的各電抗分量的修正及各相分量的相互關(guān)聯(lián)問題，在分析交流電機(jī)繞組不對(duì)稱問題時(shí)，對(duì)稱分量法不是理想的方法。

著名的Park方程可以使電機(jī)方程變?yōu)槌Ｏ禂?shù)，使方程大大簡(jiǎn)化而便于求解，隨著許多學(xué)者對(duì)在計(jì)及諧波方面的研究，進(jìn)一步豐富了坐標(biāo)變換的理論。后來Park變換又被進(jìn)一步推廣和發(fā)展，形成多種參考坐標(biāo)系統(tǒng)，在電機(jī)理論的發(fā)展過程中曾起過重要作用[19,20]。但這些變換對(duì)電機(jī)內(nèi)部繞組故障的分析也不理想。

（2）相坐標(biāo)法

建立在相坐標(biāo)系上且以相繞組為基本分析單元的相坐標(biāo)法可以較好地考慮繞組產(chǎn)生的空間諧波磁場(chǎng)作用。由于其參數(shù)是實(shí)際物理值，不必經(jīng)過參數(shù)的復(fù)雜變換，對(duì)各種對(duì)稱的或非對(duì)稱的正常或故障運(yùn)行狀況，都容易處理并得到一致的解答。Malik等學(xué)者采用該方法深入到相繞組內(nèi)部分析了同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障[21]，是對(duì)相坐標(biāo)法的一個(gè)發(fā)展。

在研究交流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的空間諧波問題和某些不對(duì)稱問題，以及電力系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)行的問題時(shí)，相坐標(biāo)法具有越來越重要的地位。但是，對(duì)于交流電機(jī)繞組內(nèi)部故障，以相繞組為基本單元的相坐標(biāo)法就產(chǎn)生了難以克服的局限性。

（3）場(chǎng)路耦合法

將電機(jī)的電磁場(chǎng)方程與外部系統(tǒng)的聯(lián)系方程直接耦合聯(lián)立求解，可以較好地考慮電機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)、分布參數(shù)、鐵磁材料的飽和等因素，可以深入電機(jī)內(nèi)部各點(diǎn)的狀態(tài)，可以用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)分析[22,23]。但電磁場(chǎng)的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，分析電機(jī)內(nèi)部繞組故障不是很方便。

（4）多回路分析法

對(duì)于電機(jī)繞組內(nèi)部的不對(duì)稱，如電機(jī)定子繞組短路、籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條和端環(huán)開裂等，以對(duì)稱相繞組為基本分析單元的分析方法已不能滿足研究要求。為深入研究交流電機(jī)內(nèi)部繞組不對(duì)稱問題，有必要突破傳統(tǒng)的理想電機(jī)模型的限制。

以單個(gè)線圈為分析單元的交流電機(jī)多回路理論是由我國(guó)學(xué)者高景德、王祥珩首次提出的[24]，在電機(jī)分析中具有重大意義，為電機(jī)分析做出了杰出的貢獻(xiàn)[1,24-27]。它突破了傳統(tǒng)故障分析中理想電機(jī)的假設(shè)，將分析深入到定子繞組內(nèi)部，直接以單個(gè)線圈為研究單元，并根據(jù)研究問題的需要，組成相應(yīng)的回路。分析時(shí)，將電機(jī)看作具有多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的回路網(wǎng)絡(luò)，定轉(zhuǎn)子繞組按其實(shí)際回路列寫電壓和磁鏈方程。在處理發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障時(shí)，多回路理論可以考慮繞組內(nèi)部故障時(shí)影響較大的因素（如故障空間位置和繞組形式等），從而可以較為準(zhǔn)確地獲得繞組故障后的內(nèi)部電磁關(guān)系和繞組電流分布，多回路分析法在電機(jī)定子內(nèi)部故障的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)過程分析中皆有了較好的應(yīng)用。

30多年來，多回路分析法在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障、繞組非對(duì)稱分布的單相電容電機(jī)、同步電機(jī)帶整流負(fù)載、特殊勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析中也得到了廣泛的應(yīng)用[28-30]。