從結(jié)構(gòu)上來說,感應(yīng)電機(jī)比同步電機(jī)和直流電機(jī)更加簡單,主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為較低的制造成本、較高的運(yùn)行可靠性等,因此,在市場中應(yīng)用的比較廣泛,各個(gè)行業(yè)對(duì)其具有較大的需求量,比如有超過90%感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng),60%左右的感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于電網(wǎng)負(fù)載中。
在各種較為大型機(jī)械中,比如水泵、破碎機(jī)、壓縮機(jī)等,都是靠大型的感應(yīng)電機(jī)來完成驅(qū)動(dòng)的,如果在工作中,感應(yīng)電機(jī)沒有較高的可靠性,經(jīng)常出現(xiàn)故障,將會(huì)給各個(gè)行業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,尤其在電網(wǎng)運(yùn)行中,一旦發(fā)生故障,將會(huì)造成重大事故的發(fā)生,嚴(yán)重威脅人們的生命安全。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)感應(yīng)電機(jī)的可靠運(yùn)行的要求越來越高。
1感應(yīng)電機(jī)偏心故障的研究現(xiàn)狀
根據(jù)以往的研究資料顯示,在分析電機(jī)電流信號(hào)的基礎(chǔ)上,對(duì)偏心檢測方面具有較深的研究,如果感應(yīng)電機(jī)存在偏心故障,將會(huì)有一些頻率特定的電流分量存在于定子繞組中,經(jīng)過多方面的試驗(yàn)研究證實(shí),找到了繞組函數(shù)法,為氣隙偏心的進(jìn)一步研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
也提出了相應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)多回路模型,在正弦電壓激勵(lì)基礎(chǔ)下,對(duì)無故障電機(jī)的啟動(dòng)性能給予仿真,取得了較好的應(yīng)用效果,在此模型的基礎(chǔ)下,對(duì)各種感應(yīng)電機(jī)故障進(jìn)行分析,比如定子繞組短路、定子繞組開路、轉(zhuǎn)子斷條、轉(zhuǎn)子斷端環(huán)等,得到了效果較好的故障特征。
比如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流等。在此模型中氣隙是均勻的,在電感的計(jì)算過程中,很容易體現(xiàn)氣隙偏心效果,在后來的研究中,是具有支持作用的理論依據(jù)。在研究過程中,多回路模型應(yīng)用的比較多,在電感矩陣的計(jì)算中,體現(xiàn)出靜態(tài)氣隙偏心,并使用氣隙長度增大的方法對(duì)鐵心磁壓降進(jìn)行考慮。
事實(shí)驗(yàn)證,在電感計(jì)算中確實(shí)存在氣隙偏心現(xiàn)象,但是定子繞組間和轉(zhuǎn)子回路之間的互感與轉(zhuǎn)子回路和定子相繞組之間的互感是有區(qū)別的。隨后,對(duì)靜態(tài)偏心和無偏心情形下的空載啟動(dòng)性能之間的差異進(jìn)行比較,。
包括定子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、定子電流曲線、轉(zhuǎn)子電流曲線等,研究結(jié)果顯示,在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行過程中,如果存在靜態(tài)偏心現(xiàn)象,將會(huì)延長電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。在感應(yīng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)的情形下,如果轉(zhuǎn)子電流較大,將會(huì)使電機(jī)的穩(wěn)態(tài)升溫持續(xù)增加。
2對(duì)不平衡磁拉力和振動(dòng)的相關(guān)分析
2.1 不平衡磁拉力的相關(guān)分析
在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行中,引起不平衡磁拉力的原因比較多,比較常見的因素為電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心現(xiàn)象,同時(shí),繞組不當(dāng)和材料磁化不均勻也會(huì)引起不平衡磁拉力,在任何電機(jī)故障中,不平衡磁拉力現(xiàn)象都是值得關(guān)注的。
重要的研究方向就是波動(dòng)情況超過兩倍電頻率和氣隙最小處,在感應(yīng)電機(jī)的相關(guān)計(jì)算中,由于必須對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行計(jì)算,因此,在計(jì)算不平衡磁拉力時(shí)比較困難。近年來,在此方面的研究也比較多,比如測量徑向力等。
在簡化計(jì)算不平衡磁拉力時(shí),也有相應(yīng)的計(jì)算模型,比如有限元模型、解析法模型等,線性磁路在解析法模型中應(yīng)用的比較多,各國學(xué)者在此方面都進(jìn)行了深入的研究,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)模型。
比如飽和的非線性模型,在不平衡磁拉力的現(xiàn)實(shí)計(jì)算中,純靜態(tài)偏心與純動(dòng)態(tài)偏心是不符合實(shí)際研究的,當(dāng)感應(yīng)電機(jī)出現(xiàn)偏心故障時(shí),可以使用數(shù)值方法對(duì)電磁力進(jìn)行計(jì)算,與測量值進(jìn)行比較,經(jīng)歷了相應(yīng)的線性和非線性過程。
2.2 振動(dòng)的相關(guān)分析
在電機(jī)運(yùn)行中,振動(dòng)現(xiàn)象的研究十分復(fù)雜,涉及的范圍比較廣,比如機(jī)械、電磁等。引起電機(jī)振動(dòng)的一系列聯(lián)動(dòng)因素綜合作用的結(jié)果,轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致不平衡磁拉力,不平衡磁拉力又引發(fā)電機(jī)振動(dòng),追根揭底,還是由于轉(zhuǎn)子的偏心引起的,氣隙偏心的一個(gè)重要故障特征就是具有特定頻率的振動(dòng)信號(hào)。
根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在對(duì)氣隙偏心進(jìn)行檢測時(shí),不僅可以用電流信號(hào)分析法,還可以使用機(jī)殼的振動(dòng)信號(hào)給予檢測。在靜態(tài)偏心的識(shí)別中,可以對(duì)振動(dòng)主齒諧波的變化進(jìn)行觀察,可以通過是否存在特殊頻率分量來識(shí)別動(dòng)態(tài)偏心。
根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究顯示,結(jié)合低頻信號(hào)的觀測分析電流信號(hào),可以對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏心的變化給予很好的觀察和判斷,如果出現(xiàn)兩端的偏心較大而平均偏心較小的情形時(shí),分析和檢測電流信號(hào)是行不通的。
在此情形下,可以檢測機(jī)殼特定頻率的振動(dòng)信號(hào)。通過進(jìn)一步的研究,有人提出對(duì)感應(yīng)電機(jī)的兩級(jí)進(jìn)行分析,出現(xiàn)的軸承座振動(dòng)和轉(zhuǎn)軸振動(dòng)情況,主要是由靜態(tài)偏心導(dǎo)致的,進(jìn)一步證明電磁力與轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)有關(guān)。
3感應(yīng)電機(jī)偏心故障的研究展望
3.1 提出動(dòng)態(tài)弧偏心
在感應(yīng)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中,氣隙偏心情況是比較復(fù)雜的,除了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心外,還有不同程度的沿軸向偏心情況,即混合偏心,對(duì)于任何的偏心狀態(tài),都有一個(gè)理想化的期望,是一臺(tái)三相潛水感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子相擦后定子鐵心內(nèi)圓等,鐵心的中部偏后有一個(gè)相擦區(qū)域。
只有在弧形轉(zhuǎn)子鐵心下,才能形成相擦區(qū)域,因此,在分析偏心故障時(shí),可以建立一個(gè)動(dòng)態(tài)偏心模型,表示此種偏心形式。在分析弧偏心時(shí),也可以使用多回路模型,只要在矩陣的計(jì)算中引入弧形氣隙特征即可。
電機(jī)氣隙模型的應(yīng)用,雖然簡化了偏心模型,但使研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有所降低,因此,在今后的研究中,要不斷提升模型的精確度,更加準(zhǔn)確的對(duì)氣隙偏心進(jìn)行檢測和分析。
3.2 在較為復(fù)雜的情形下對(duì)偏心故障的診斷
對(duì)于多數(shù)大型感應(yīng)電機(jī)來說,工作環(huán)境都比較惡劣,需要拖動(dòng)較大的負(fù)載,在運(yùn)行過程中,很多因素都會(huì)對(duì)故障信息產(chǎn)生影響,比如負(fù)載擾動(dòng)、外界磁場、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等。近年來,交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的比較快,在逆變器的開關(guān)過程中,頻率噪聲也會(huì)嚴(yán)重影響故障診斷系統(tǒng)。
因此,與單個(gè)感應(yīng)電機(jī)相比,應(yīng)用于交流調(diào)速器系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)要復(fù)雜的多。感應(yīng)電機(jī)除了氣隙偏心故障外,還有其他故障,比如定子繞組短路、轉(zhuǎn)子斷條等,如果在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行過程中,多種故障同時(shí)存在,那么各種特征故障信號(hào)將會(huì)相互影響,使故障診斷的復(fù)雜性不斷增加,在今后的研究中,也值得深究。
3.3 監(jiān)測偏心故障的新技術(shù)
在對(duì)電機(jī)氣隙偏心進(jìn)行判斷時(shí),經(jīng)常使用的方法為振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測、定子電流的分析等,但是這些監(jiān)測方法,具有較弱的抗信號(hào)干擾能力,可靠性比較低,在實(shí)際監(jiān)測中,最為理想的方法就是對(duì)氣隙偏心度進(jìn)行測量。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展,有越來越多的方法應(yīng)用于電機(jī)故障的診斷中,通過結(jié)合多種先進(jìn)技術(shù),使氣隙偏心的監(jiān)測更加有效和準(zhǔn)確,在偏心檢測技術(shù)的發(fā)展中,這也是主要的發(fā)展方向。
3.4 對(duì)偏心抑制策略的相關(guān)探索
對(duì)電機(jī)偏心故障給予研究,不只是為了在監(jiān)測和診斷上,更加具有準(zhǔn)確性和有效性,另一個(gè)重要的方面,對(duì)偏心故障的機(jī)理進(jìn)行深入研究,進(jìn)而從氣隙偏心的抑制方面進(jìn)行研究,不斷開發(fā)新的抑制技術(shù),甚至是氣隙調(diào)節(jié)和控制技術(shù)等。
3.5 從理論出發(fā),對(duì)不平衡磁拉力給予進(jìn)一步研究
產(chǎn)生不平衡磁拉力的機(jī)理相對(duì)比較復(fù)雜,對(duì)不平衡磁拉力給予準(zhǔn)確計(jì)算,是一個(gè)較為重要的研究內(nèi)容,但現(xiàn)階段,在不平衡磁拉力的計(jì)算方面,還沒有具有較強(qiáng)適用性和準(zhǔn)確性的計(jì)算表達(dá)式。
因此,在未來的研究中,研究重點(diǎn)就是關(guān)于此方面的研究。同時(shí),不同的不平衡磁拉力現(xiàn)象,具有不同的發(fā)生機(jī)理,在實(shí)際研究工作中,要根據(jù)不同的發(fā)生機(jī)理,采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施,對(duì)不平衡磁拉力進(jìn)行消除或降低。
進(jìn)而最大限度的降低感應(yīng)電機(jī)的噪聲和振動(dòng)情況,并通過對(duì)不平衡磁拉力的研究,找出相應(yīng)的方法,對(duì)氣隙偏心度的降低進(jìn)行探討,在將來的研究工作中,這也是一個(gè)主要的研究方向。
4結(jié)語
綜上所述,本文通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障的分析,在此研究的基礎(chǔ)上,對(duì)氣隙偏心檢測技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測,并根據(jù)實(shí)際情況,提出了相應(yīng)的電機(jī)氣隙偏心模型,比如動(dòng)態(tài)弧偏心,并對(duì)大型感應(yīng)電機(jī)的氣隙偏心故障給予大膽合理的猜想,促進(jìn)了感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障的進(jìn)一步研究。
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原文標(biāo)題:【研究】感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障研究綜述及展望
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