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电机故障在线监测诊断新原理和新技术研究

刘振兴  
【摘要】:旋转电机广泛应用于国民经济各个部门,在工业生产企业,生产日益向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化方向发展,因传动用的交、直流电动机故障或异常导致的经济损失非常庞大;在电力生产企业,大型汽轮发电机的单机容量越来越大,因异常和故障导致的经济损失也越来越大。因此,实行状态检修的呼声日益高涨。而状态检修很大程度上取决于对设备的状态监测与故障诊断结果。旋转电机状态监测与故障诊断技术已成为新的研究热点。本文在此背景下,系统地总结了国内外现有的旋转电机监测与诊断技术。针对已有方法存在的不足,以鼠笼式异步电动机为主要研究对象,提出了新的电感参数计算方法和三种新的故障诊断技术。同时也提出了大型汽轮发电机定子温度计算模型和基于模型参数的空心线棒堵塞故障诊断技术以及直流电动机换向性能诊断方法。 鼠笼式异步电动机的三种主要故障为定子匝间短路、转子断条和气隙偏心。尽管故障特征早已为人所知,尚无完整的理论分析。本文从基本的电磁物理分析入手,全面地分析了故障特征产生原因。 交流电机的仿真研究对于电机的设计、控制、运行和故障行为研究具有重大的指导意义,仿真模型中最关键的参数是定、转子电感。常用的电感计算公式主要适合于正常电机,难以满足故障(尤其是偏心状态)情况下的要求。为此本文从绕组函数出发,结合气隙的表达式,系统地推导了适合于任意状态下的异步电动机定、转子电感参数计算公式,其结果可以推广到隐极式同步电机。以此为基础进行的异步电动机故障(包括定子匝间短路、转子断条和气隙偏心)仿真结果与实验结果基本吻合,验证了仿真模型和模型参数计算的正确性。 使用传统的线电流频谱分析方法往往难以突出断条故障特征,因为故障成分的频率太接近电源频率。为此本文提出了三种不同的异步电动机故障诊断技术:基于Hilbert模量频谱分析的转子故障诊断方法,只需采样单相电流,硬件开销小,主要适合于转子故障检测;利用矢量控制思想的故障诊断方法可以诊断定、转子各种故障,需要同时采集各相电压和电流信号,还需已知定、转子参数,这种方法适合于与调速系统集成;基于瞬时功率信号频谱分析的故障诊断方法也能诊断各种定、转子故障, WP=4 且不需定、转子的电阻和电感参数。以上三种方法均经过了严格的数学证明,试验结果与理论分析结论一致,表明以上方法在各自的应用范围内效果良好。 大型汽轮发电机定子内水冷系统堵塞是定子常见故障之一,破坏性极大。以往运行人员主要通过温度报警来发现异常,此时已经造成绕组线棒损伤或破坏,而大量的测温元件反映的温度信息没能得到充分应用。为此,本论文提出了定子聚四氟乙烯出水口和槽部测温元件处的温度模型,模型全面反映了空心线棒的流通状况、测温元件及其与被测对象的接触性能。通过正常情况下的大量数据,可以辨识出模型中的参数,获取正常电机各种运行状态下的温度标定值。通过参数的在线辨识还可以进行空心线棒流通状况以及温度传感器接触性能监测。 直流电动机电刷和换向器的滑动接触,要求同心度高和接触性能良好,否则容易产生火花,甚至出现环火,需要有可靠的监测与诊断方法。参照异步电动机偏心故障特征,本文分析了直流电动机偏心故障特征在电枢电流中的表现形式,结果既可用来监测是否存在偏心,还可以估计电动机的速度。建立的模型(电压平衡方程),考虑了各种因素的影响,其中电刷与换向器之间的接触压降能很好地反映接触性能,这一模型为早期发现换向性能劣化、避免环火的出现提供了基础。 文章的最后总结了旋转电机状态监测与故障诊断中需要进一步解决的问题。


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