1.2.4 电动机故障诊断

异步电动机状态监测与故障诊断是指在线监测异步电动机相关运行参数（如电压、电流、磁通、转速、温度、振动、噪声、局部放电），并采用适当方法评估异步电动机当前的运行状态；若处于故障状态，则进一步确定故障的类型、发生部位、严重程度及其发展趋势。该项技术的出现引发了异步电动机维修体制的一次革命，使传统的事后维修方式逐步转变为预知维修（状态维修）方式。电机状态监测与故障诊断系统可以向现场运行人员提供必要的信息，以合理安排、组织预防性维修，从而避免恶性事故的发生。

1. 定子绕组诊断方法

定子绕组故障主要包括匝间短路、过热及绝缘故障。其中，匝间短路故障约占定子绕组故障的50%，过热故障约占20%，而绝缘故障则占到25%左右。

（1）匝间短路故障诊断方法

匝间短路是交流电机常见故障，往往会进一步发展并导致相间短路或接地短路。可以通过探测轴向漏磁通并分析其谐波成分对匝间短路进行监测与诊断。文献［31］提出了一种匝间短路监测与诊断方法，即通过测量电动机定子电流的负序分量判断匝间短路是否发生及其严重程度，这一方法同时考虑了电动机供电电压不平衡、负载变化等因素对匝间短路故障诊断的影响，因而具有很高的可靠性。

此外，基于定子电流Park矢量分析的匝间短路诊断方法更加简单。如果电动机定子某相绕组发生匝间短路，则定子三相电流的平衡遭到破坏，定子电流Park矢量（i_D，i_Q）的末端轨迹将变成椭圆形，而且其椭圆率对应故障严重程度，其倾斜方向则与故障相对应。当然，这一方法目前并不是尽善尽美的，仍然存在某些技术问题亟待解决，如椭圆率的度量问题、椭圆率与匝间短路严重程度具体对应关系的确定问题等。

（2）过热故障诊断方法

定子绕组过热是一个电动机保护问题，典型的保护方案是根据电动机定子电流正负序分量形成等效热电流，并将其提供给电动机热模型，进而实现反时限过热保护，这实质上就是定子绕组的过热监测与诊断。

另一类方法是基于电动机温度场有限元的分析，但计算极为复杂，因而实时性很差，尚未得到广泛应用。文献［32］采用参数辨识技术成功实现了对电动机转子的热监测，该方法同样也适用于定子热监测。

对于转子转速，可采用人工神经网络进行估计，并不需要安装转速传感器。因为简捷、实用，这种基于参数辨识技术的电动机热监测方法具有广阔的发展前景。

（3）绝缘故障诊断方法

局部放电是绝缘故障最明显的早期征兆，因此可通过监测局部放电来评估定子绕组的绝缘状态。目前，这项技术已逐步成熟。其中，基于高频电流互感器或阻容高通滤波器的局部放电在线监测系统已经得到广泛的应用。应用该方法必须考虑如何从强噪声干扰环境中提取微弱放电信号这一问题。

2. 转子故障诊断方法

（1）气隙偏心诊断方法

典型的监测方法是对电动机定子电流信号做频谱分析，通过检测频谱图中是否存在相关频率分量判断气隙是否偏心。如果存在气隙偏心，电动机定子电流中将出现如下频率的附加分量

式中 f_s——电动机供电频率；

k——整数，k=1，2，3，…；

R——转子槽数；

n_d——旋转偏心次数；

s——转差率；

p——极对数；

n_ω——定子磁动势谐波次数。

利用式（1-1）进行气隙偏心监测，会涉及电动机结构参数，这是该方法的一个缺点。文献［10］给出了一个简单的表达式（1-2），它不涉及电动机结构参数，因而应用更方便。

（2）转子断条（或端环断裂）诊断方法

典型的监测方法仍然是对电动机定子电流信号做频谱分析，通过检测频谱图中是否存在相关的频率分量判断转子是否断条。如果存在转子断条故障，电动机定子电流中将出现式（1-3）所示频率的附加分量，

近年来，小波分析这一新兴的信号处理技术也逐渐应用于转子断条在线监测。

3. 轴承故障诊断方法

轴承故障监测与诊断方法可分为两类：轴承振动信号分析法与定子电流信号分析法。轴承振动信号分析法采集轴承时域振动信号并将其变换至频域，进而将频域振动信号与轴承固有的频域振动特性做对比以判断轴承故障是否发生。这种方法准确率相当高，但需要在轴承上装设振动传感器。定子电流信号分析法采集定子电流信号并做进一步处理，相对轴承振动信号分析法而言，该方法更加简捷、实用，是今后的发展趋势。