1.2.4 電動機故障診斷

異步電動機狀態監測與故障診斷是指在線監測異步電動機相關運行參數（如電壓、電流、磁通、轉速、溫度、振動、噪聲、局部放電），并采用適當方法評估異步電動機當前的運行狀態；若處于故障狀態，則進一步確定故障的類型、發生部位、嚴重程度及其發展趨勢。該項技術的出現引發了異步電動機維修體制的一次革命，使傳統的事后維修方式逐步轉變為預知維修（狀態維修）方式。電機狀態監測與故障診斷系統可以向現場運行人員提供必要的信息，以合理安排、組織預防性維修，從而避免惡性事故的發生。

1. 定子繞組診斷方法

定子繞組故障主要包括匝間短路、過熱及絕緣故障。其中，匝間短路故障約占定子繞組故障的50%，過熱故障約占20%，而絕緣故障則占到25%左右。

（1）匝間短路故障診斷方法

匝間短路是交流電機常見故障，往往會進一步發展并導致相間短路或接地短路。可以通過探測軸向漏磁通并分析其諧波成分對匝間短路進行監測與診斷。文獻［31］提出了一種匝間短路監測與診斷方法，即通過測量電動機定子電流的負序分量判斷匝間短路是否發生及其嚴重程度，這一方法同時考慮了電動機供電電壓不平衡、負載變化等因素對匝間短路故障診斷的影響，因而具有很高的可靠性。

此外，基于定子電流Park矢量分析的匝間短路診斷方法更加簡單。如果電動機定子某相繞組發生匝間短路，則定子三相電流的平衡遭到破壞，定子電流Park矢量（i_D，i_Q）的末端軌跡將變成橢圓形，而且其橢圓率對應故障嚴重程度，其傾斜方向則與故障相對應。當然，這一方法目前并不是盡善盡美的，仍然存在某些技術問題亟待解決，如橢圓率的度量問題、橢圓率與匝間短路嚴重程度具體對應關系的確定問題等。

（2）過熱故障診斷方法

定子繞組過熱是一個電動機保護問題，典型的保護方案是根據電動機定子電流正負序分量形成等效熱電流，并將其提供給電動機熱模型，進而實現反時限過熱保護，這實質上就是定子繞組的過熱監測與診斷。

另一類方法是基于電動機溫度場有限元的分析，但計算極為復雜，因而實時性很差，尚未得到廣泛應用。文獻［32］采用參數辨識技術成功實現了對電動機轉子的熱監測，該方法同樣也適用于定子熱監測。

對于轉子轉速，可采用人工神經網絡進行估計，并不需要安裝轉速傳感器。因為簡捷、實用，這種基于參數辨識技術的電動機熱監測方法具有廣闊的發展前景。

（3）絕緣故障診斷方法

局部放電是絕緣故障最明顯的早期征兆，因此可通過監測局部放電來評估定子繞組的絕緣狀態。目前，這項技術已逐步成熟。其中，基于高頻電流互感器或阻容高通濾波器的局部放電在線監測系統已經得到廣泛的應用。應用該方法必須考慮如何從強噪聲干擾環境中提取微弱放電信號這一問題。

2. 轉子故障診斷方法

（1）氣隙偏心診斷方法

典型的監測方法是對電動機定子電流信號做頻譜分析，通過檢測頻譜圖中是否存在相關頻率分量判斷氣隙是否偏心。如果存在氣隙偏心，電動機定子電流中將出現如下頻率的附加分量

式中 f_s——電動機供電頻率；

k——整數，k=1，2，3，…；

R——轉子槽數；

n_d——旋轉偏心次數；

s——轉差率；

p——極對數；

n_ω——定子磁動勢諧波次數。

利用式（1-1）進行氣隙偏心監測，會涉及電動機結構參數，這是該方法的一個缺點。文獻［10］給出了一個簡單的表達式（1-2），它不涉及電動機結構參數，因而應用更方便。

（2）轉子斷條（或端環斷裂）診斷方法

典型的監測方法仍然是對電動機定子電流信號做頻譜分析，通過檢測頻譜圖中是否存在相關的頻率分量判斷轉子是否斷條。如果存在轉子斷條故障，電動機定子電流中將出現式（1-3）所示頻率的附加分量，

近年來，小波分析這一新興的信號處理技術也逐漸應用于轉子斷條在線監測。

3. 軸承故障診斷方法

軸承故障監測與診斷方法可分為兩類：軸承振動信號分析法與定子電流信號分析法。軸承振動信號分析法采集軸承時域振動信號并將其變換至頻域，進而將頻域振動信號與軸承固有的頻域振動特性做對比以判斷軸承故障是否發生。這種方法準確率相當高，但需要在軸承上裝設振動傳感器。定子電流信號分析法采集定子電流信號并做進一步處理，相對軸承振動信號分析法而言，該方法更加簡捷、實用，是今后的發展趨勢。