電梯交流電機(jī)定子線圈匝間短路故障診斷方法

王雙龍 戴國(guó)洪

摘 要：文中提出了針對(duì)電梯交流電機(jī)定子線圈匝間短路故障檢測(cè)的方法。首先，建立定子線圈匝間短路的數(shù)學(xué)模型;其次，利用Matlab仿真得到定子線圈匝間短路三相電流Park矢量軌跡圖;最后，對(duì)Park矢量軌跡圖像進(jìn)行故障分析，即利用圖像處理軟件Halcon對(duì)軌跡圖進(jìn)行處理求出橢圓的離心率。研究表明：當(dāng)定子線圈正常時(shí)，其Park矢量軌跡圖為整圓，離心率趨近于0;當(dāng)定子線圈發(fā)生匝間短路時(shí)，其Park矢量軌跡圖為橢圓，并且隨著匝間短路故障的嚴(yán)重程度加深，橢圓的離心率趨近于1。

關(guān)鍵詞：定子線圈;匝間短路;Park變換;離心率;Matlab;Halcon

中圖分類號(hào)：TP39;TM307文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

電梯電機(jī)中，定子主要由定子鐵芯和嵌于鐵芯槽中的定子繞組組成。定子故障大致分為機(jī)械故障和電氣故障，其中機(jī)械故障主要指定子鐵芯發(fā)生破損。電氣故障在各種故障中占據(jù)較大成分，是與定子繞組破損有關(guān)的故障。定子繞組由很多匝相互絕緣的銅導(dǎo)線繞制而成，其內(nèi)部流通電流[1]。由于電梯電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，及電流在繞組中流通時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，因此定子繞組的多數(shù)故障便與此兩類原因相關(guān)。定子繞組常見(jiàn)的故障包括匝間短路、相間短路、斷路、絕緣損壞等[2-3]。當(dāng)電梯電機(jī)由于定子線圈發(fā)生匝間短路故障時(shí)，電梯會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)和停止震感強(qiáng)烈的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)電機(jī)停止運(yùn)行，因此對(duì)電梯電機(jī)定子線圈定期進(jìn)行故障檢測(cè)很有必要。本文針對(duì)電梯電機(jī)定子線圈匝間短路故障信號(hào)，提出運(yùn)用Park變換算法得到三相電流的矢量軌跡圖像，然后利用機(jī)器視覺(jué)軟件Halcon計(jì)算出軌跡離心率的診斷方法。圖1所示為定子線圈匝間短路故障檢測(cè)原理。

1 定子線圈故障分析與建模

1.1 故障分析

定子主要由定子鐵芯和嵌于鐵芯槽中的定子繞組組成，如圖2所示。匝間短路是絕緣故障的一種，主要是指繞組內(nèi)相鄰幾匝線圈間的絕緣層破損，造成多匝線圈之間短路，從而引起電流較大的變化。發(fā)生此故障時(shí)一般會(huì)看到部分繞組的端部有幾匝線圈有燒焦的跡象，甚至出現(xiàn)裸露的銅線，而其他部位的繞組一般較完好。

匝間短路的原因主要有以下幾方面：

（1）電機(jī)設(shè)計(jì)不合理。不合理的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如端部弧線轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑偏小，使歪弧翹起，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于離心力的作用，匝間絕緣被壓破損，從而出現(xiàn)定子繞組匝間短路故障。

（2）制造質(zhì)量存在問(wèn)題。如因制造工藝粗糙造成的工藝性損傷，以及線匝局部未設(shè)風(fēng)口或風(fēng)口風(fēng)量不合格導(dǎo)致的定子嚴(yán)重過(guò)熱，均易造成匝間短路。

（3）繞組端部變形導(dǎo)致匝間短路。

（4）由過(guò)電壓或遭雷擊造成的匝間短路。

（5）在潮濕的運(yùn)行環(huán)境中，繞組受潮使絕緣電阻下降引起匝間短路。

（6）運(yùn)行環(huán)境中的鹽霧、沙塵進(jìn)入，會(huì)腐蝕、磨損絕緣層。

（7）定子繞組端部與轉(zhuǎn)子相互摩擦造成端部匝間短路。

在定子繞組的內(nèi)部，匝間短路故障的發(fā)生會(huì)引起繞組的三相阻抗不再對(duì)稱，三相電流大小不再平衡，而且其各自間的相位差也不再是平衡的120°。其中，相位差偏離120°最大的是非故障相，并且偏離程度隨故障程度的增大而增大。三相電流的不對(duì)稱會(huì)引起之前由三相對(duì)稱電流形成的平穩(wěn)磁場(chǎng)的畸變，進(jìn)而破壞氣隙磁場(chǎng)的平衡狀態(tài)，造成電梯電機(jī)震動(dòng)增大。

1.2 三相電流Park變換

Park變換是常用于分析和建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型的變換方法，其原理是依據(jù)磁勢(shì)等效原則，將三相電流/電壓坐標(biāo)系變換為靜止的兩相電流/電壓坐標(biāo)系來(lái)分析電機(jī)的一種數(shù)學(xué)方法，其變換原理如圖3所示[4-5]。在三相坐標(biāo)系和兩項(xiàng)坐標(biāo)系中，繞組的匝數(shù)分別為N和M，兩坐標(biāo)系繞組分別通以正弦交流電（角頻率為ω），產(chǎn)生的合成磁勢(shì)為Fs，F(xiàn)s在兩坐標(biāo)系中都以ω進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照兩者之間任何時(shí)刻的合成磁勢(shì)Fs等效的原則，假定d軸和a軸重合，則可以建立如下方程：

1.3 建模與仿真

對(duì)于理想狀態(tài)下的交流發(fā)電機(jī)定子線圈三相交流電的電流Park矢量為：

2 視覺(jué)檢測(cè)

Halcon是一款圖像處理軟件，它自帶可視化操作界面。本文利用Halcon強(qiáng)大的圖像處理能力，找出三相電流Park矢量軌跡圖像的長(zhǎng)半軸a，短半軸b[6-8]，并利用橢圓的離心率計(jì)算公式計(jì)算出不同故障情況下三相電流Park矢量軌跡圖像的離心率e，如圖9所示。

不同匝間故障程度的定子線圈測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所列。當(dāng)定子線圈未發(fā)生故障時(shí)，Park矢量長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度基本相等，離心率為0.305 977，此時(shí)Park矢量圖近似整圓，此時(shí)將其離心率的大小作為判斷定子線圈是否發(fā)生匝間短路故障的標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)定子線圈發(fā)生故障時(shí)，Park矢量橢圓長(zhǎng)半軸變長(zhǎng)，短半軸縮短，離心率大于0.31;隨著短路匝數(shù)比例增大，Park矢量橢圓長(zhǎng)半軸進(jìn)一步增大，短半軸進(jìn)一步減小，離心率越來(lái)越大。

Park矢量橢圓的長(zhǎng)半軸或者短半軸長(zhǎng)度隨著不同的定子線圈而發(fā)生改變，因此無(wú)法作為故障特征進(jìn)行研究與分析。而離心率反映的橢圓扁平程度也是一種歸一化表示，故障程度越大，離心率越能夠靈敏地反映出故障發(fā)生的程度，所以選取Park矢量橢圓的離心率作為故障特征以表征定子線圈匝間短路的故障程度。

3 結(jié) 語(yǔ)

建立電機(jī)定子線圈匝間短路故障數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Matlab軟件仿真出正常的定子線圈和發(fā)生不同程度匝間短路故障的三相電流Park矢量軌跡圖。結(jié)合Halcon軟件處理并分析不同矢量軌跡圖的離心率大小，形象直觀地判斷定子線圈故障與否。當(dāng)發(fā)生輕微定子線圈匝間短路時(shí)，僅從定子線圈三相電流時(shí)域波形中難以分辨故障。通過(guò)Park矢量分析，發(fā)現(xiàn)Park矢量橢圓離心率可以靈敏地反映故障的發(fā)生和程度。因此，采用Park矢量橢圓離心率作為故障特征，判斷定子線圈是否發(fā)生故障并預(yù)估故障程度。

參 考 文 獻(xiàn)

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