1.2.3 电机故障的分析方法

无论是对电机还是对其他电气设备进行状态监测与故障诊断，都依赖于对被诊断对象进行深入的机理分析，弄清故障产生的原因、故障引起的各种征兆、故障的发展趋势，甚至还有必要弄清故障对被诊断对象的性能所产生的影响。

由于电机内同时存在多个相关的工作系统（如电路系统、磁路系统、机械系统、绝缘系统、通风散热系统等），故障起因和故障征兆表现出多样性，而对轻微故障的电机，其故障征兆又具有相当的隐蔽性，其量值小，难以发现与捕捉，这为电机故障诊断增加了困难。

在电机中，一个故障常常表现出多种征兆，例如，笼型异步电动机转子绕组断条或端环开裂这一故障会引起定子电流发生变化（摆动），电机振动增加，起动时间增加，转速、转矩产生波动等，而这些变化又受其他多种因素的影响，如电源不稳、负载波动等。另一方面，有时多种不同的故障可能会引起同一种故障征兆，如引起电机振动增大的原因很多，除转子绕组断条故障外，其他如定子绕组匝间短路，定子端部绕组松动，机座安装不当，铁心松动，转子偏心、不对中，转子与定子相摩擦，转子裂纹故障，轴承损坏[14]等。在这种情况下，如果仅仅排除某一种故障，并不一定能彻底排除电机的全部故障，必须诊断出所有故障的起因，排除所有故障，系统才能恢复到正常状态；因为多种故障可能引起相同的征兆，所以发现某一征兆并不一定能确认设备发生了什么故障。由此可见，对交流电机这种运行状态复杂、影响因素众多的电气设备，如果对其结构、原理、运行特征、工作方式、负载性质不清楚，要对电机进行故障诊断是十分困难的。

电机的所有故障都是按一定的机理产生和发展的，具有一定的规律。这些规律往往必须通过对电机及其故障的深入分析、研究才能发现。只有对电机有充分的认识，对其各种故障的机理、故障本身以及故障引起的各种征兆间的关系有充分的了解，找到这种规律，再利用先进的检测手段，有目地的采集包含故障征兆的有关参量，配合最为有效的信号处理技术，并结合其他经验、成果，才能最终完成电机的故障诊断，对故障做出正确的判断。因此，对电机故障的分析是故障诊断的前提。

电机的故障往往通过电机的运行表现出来，电机的故障分析一般通过其运行状态分析进行。电机运行状态分析主要包括稳态运行分析和暂态运行分析两大类。分析方法主要有：理论分析、实物试验、仿真研究等。

1. 理论分析法（解析计算法）

理论分析法是应用一定的基本物理规律，对所分析的对象（如电机或整个机组），通过研究，写出表达其运行规律的数学方程式，然后依靠数学知识和实际运行条件对方程式进行理论计算，从而得到所需要的分析结果的研究方法。这种方法所得的结果为解析表达式，形式简洁，能揭示分析对象的内在规律，具有普遍性，有一定的指导作用，所以国内外许多学者一直致力于寻求电机故障的解析计算方法。如文献［15］用电机振动中齿谐波来监测异步电机转子偏心，并通过理论分析得到电机转子偏心所引的齿槽谐波频率的解析表达式；文献［16］用对称分量法对定子绕组内部短路进行分析。但由于电机的故障关系复杂，一般来说理论分析大都比较繁锁，有些情况很难得到准确的解析形式的解，往往进行一些近似与假设，这使得理论分析结果与实际电机故障具有较大的误差，影响了故障诊断的准确性。

2. 试验研究法

试验研究法是进行电机故障分析的重要方法之一，它是在实验室通过模拟电机（或机组）进行故障动态模拟试验的研究方法。它主要具有三个方面的优点：第一，大型电机（机组）造价昂贵，无论从安全性、经济性还是从方便性与可行性等方面看，大型电机（机组）都不便于进行大量的试验，所以可以通过模拟电机（机组）进行试验。第二，有些故障一时不能从理论上找到其规律，难以建立准确的数学模型，因此可以先进行实验模拟，通过有关数据、现象探索故障的规律。第三，对理论分析的结论、数学模型进行验证。

当然用试验研究法进行电机故障的分析也有很多不足，如试验代价较高、周期较长等。同时，由于内部短路故障电流很大，从试验机组的安全考虑，试验的条件要求比较苛刻，一般达不到实际电机的正常运行工况；由于电机可发性短路故障的种类很多，试验难以模拟全部的故障［在一台电机（机组）中人为地造成各种不同的故障有时是很困难的］，也就给寻求内部故障规律带来了不便。虽然试验研究法存在这些缺点，但是它可以真实地模拟影响电机故障特性分析的饱和、磁滞、涡流及阻尼等实际效应，可作为理论研究的一种有益的补充。

3. 数字仿真法

仿真研究所采用的模型主要有物理模型和数学模型两种，对应的仿真研究也可以分为基于物理模型的物理仿真和基于数学模型的数字仿真。由于数字仿真比物理仿真灵活，且经济、安全，因而获得了广泛的应用。数字仿真过程可分为4个步骤：实际系统的数学模型建立、仿真模型建立、编制和调试仿真程序、仿真结果分析和验证。

在电机故障分析中应用较多的仿真研究方法有坐标变换法、场路耦合法和多回路分析法等几种。

（1）坐标变换法

在电机的分析研究中，坐标变换法一直处于很重要的地位。其中对称分量法在交流电机不对称分析时得到广泛的应用[17,18]，它将不对称的三相系统分解为三组对称的分量再进行求解。但当不对称系统中空间谐波分量很大时，对称分量法并不理想；虽然这种分析电机外部不对称是很方便的，但对电机绕组不对称问题，即使是进行稳态分析，对称分量法也会遇到很多问题。主要仍是难以准确估计气隙磁场引起的各电抗分量的修正及各相分量的相互关联问题，在分析交流电机绕组不对称问题时，对称分量法不是理想的方法。

著名的Park方程可以使电机方程变为常系数，使方程大大简化而便于求解，随着许多学者对在计及谐波方面的研究，进一步丰富了坐标变换的理论。后来Park变换又被进一步推广和发展，形成多种参考坐标系统，在电机理论的发展过程中曾起过重要作用[19,20]。但这些变换对电机内部绕组故障的分析也不理想。

（2）相坐标法

建立在相坐标系上且以相绕组为基本分析单元的相坐标法可以较好地考虑绕组产生的空间谐波磁场作用。由于其参数是实际物理值，不必经过参数的复杂变换，对各种对称的或非对称的正常或故障运行状况，都容易处理并得到一致的解答。Malik等学者采用该方法深入到相绕组内部分析了同步发电机定子绕组内部故障[21]，是对相坐标法的一个发展。

在研究交流电机气隙磁场的空间谐波问题和某些不对称问题，以及电力系统不对称运行的问题时，相坐标法具有越来越重要的地位。但是，对于交流电机绕组内部故障，以相绕组为基本单元的相坐标法就产生了难以克服的局限性。

（3）场路耦合法

将电机的电磁场方程与外部系统的联系方程直接耦合联立求解，可以较好地考虑电机的几何结构、分布参数、铁磁材料的饱和等因素，可以深入电机内部各点的状态，可以用于对电机进行暂态、稳态分析[22,23]。但电磁场的计算相当复杂，分析电机内部绕组故障不是很方便。

（4）多回路分析法

对于电机绕组内部的不对称，如电机定子绕组短路、笼型异步电动机转子断条和端环开裂等，以对称相绕组为基本分析单元的分析方法已不能满足研究要求。为深入研究交流电机内部绕组不对称问题，有必要突破传统的理想电机模型的限制。

以单个线圈为分析单元的交流电机多回路理论是由我国学者高景德、王祥珩首次提出的[24]，在电机分析中具有重大意义，为电机分析做出了杰出的贡献[1,24-27]。它突破了传统故障分析中理想电机的假设，将分析深入到定子绕组内部，直接以单个线圈为研究单元，并根据研究问题的需要，组成相应的回路。分析时，将电机看作具有多个相对运动的回路网络，定转子绕组按其实际回路列写电压和磁链方程。在处理发电机定子绕组内部故障时，多回路理论可以考虑绕组内部故障时影响较大的因素（如故障空间位置和绕组形式等），从而可以较为准确地获得绕组故障后的内部电磁关系和绕组电流分布，多回路分析法在电机定子内部故障的稳态及瞬态过程分析中皆有了较好的应用。

30多年来，多回路分析法在异步电动机转子断条故障、绕组非对称分布的单相电容电机、同步电机带整流负载、特殊励磁的同步发电机系统以及变频驱动系统的分析中也得到了广泛的应用[28-30]。