糖廠異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子斷條故障信號(hào)獲取研究

周 川，張恩壽，郝 艷，羅韶波，高 飛，晏劍明，管紅斌，柏興發(fā)，湯晏文， 章 鵬，闕建春，戎 麒，陳 睿，姚 鵬

(1俊發(fā)集團(tuán)有限公司，云南昆明 650225；2昆明電器科學(xué)研究所，云南昆明 650221；3云南英茂糖業(yè)(集團(tuán))有限公司，云南昆明 650228；4云南銀塔電力建設(shè)有限公司，云南昆明 650216；5云南省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院，云南昆明 650051；6云南曦煜科技有限公司，云南昆明 650024；7云南人民電力電氣有限公司，云南昆明 650503)

0 引言

依據(jù)中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的制糖工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了較大的規(guī)模，其產(chǎn)糖量在1100萬(wàn)t左右，而食糖消費(fèi)水平年均在1400萬(wàn)t左右，位居世界前5。但另一方面，我國(guó)制糖工業(yè)的整體水平一般，產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對(duì)偏小，與先進(jìn)國(guó)家有一定的差距。主要差距：一是生產(chǎn)工藝和裝備已落后發(fā)達(dá)國(guó)家十余年；二是產(chǎn)品單一；三是大量依賴人工操作，勞動(dòng)生產(chǎn)率偏低，造成生產(chǎn)成本過(guò)高，要想提高經(jīng)濟(jì)效益主要依靠市場(chǎng)價(jià)格這根杠桿來(lái)抵御生產(chǎn)成本[1]。

近年來(lái)，昆明電器科學(xué)研究所科研人員在提高生產(chǎn)效率方面做了很多的工作，即開(kāi)發(fā)了優(yōu)化壓榨控制、計(jì)算機(jī)煮糖等，縮短了煮糖時(shí)間，同時(shí)減少水、電、汽消耗，在線控制能力有了較高水平?？蒲腥藛T根據(jù)我國(guó)制糖工業(yè)存在的問(wèn)題和為糖廠服務(wù)多年的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，結(jié)合我國(guó)糖廠具體情況和取得的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)糖廠大量傳動(dòng)設(shè)備繞線式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子是否斷條提出一些故障分析方法。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程包含非常豐富的信息，前人對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)故障后定子電流特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生故障后，繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)發(fā)生多種變化，除了繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流中的故障特征電流分量的頻率變化外，繞線式異步電動(dòng)機(jī)的其他電學(xué)和力學(xué)參量如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、起動(dòng)時(shí)間等均會(huì)發(fā)生變化，改變了繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性[2-4]。本文重點(diǎn)研究糖廠制煉分廠煮糖工藝段甲、乙、丙膏分蜜機(jī)重復(fù)啟動(dòng)時(shí)繞線式異步電機(jī)斷條故障現(xiàn)象的信號(hào)獲取，特別是對(duì)耿馬糖廠甲膏分蜜機(jī)繞線式異步電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條斷條故障進(jìn)行詳細(xì)研究，以期從理論上得到繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)條斷條故障對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能的影響，故障檢測(cè)的更多的特征量，再?gòu)膶?shí)際得出解決問(wèn)題的方法。

1 電動(dòng)機(jī)的基本物理學(xué)方程

1.1 電磁學(xué)方程

依據(jù)多回路電路理論，假設(shè)電動(dòng)機(jī)定子相數(shù)為m，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條根數(shù)為n，忽略一些次要的無(wú)關(guān)的材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)因素后，可得其電磁學(xué)方程：m相定子形成m個(gè)回路，n根轉(zhuǎn)子導(dǎo)條形成n+1個(gè)回路，轉(zhuǎn)子電路中，回路數(shù)等于網(wǎng)孔數(shù)，因?yàn)樾纬闪藞A環(huán)，網(wǎng)孔數(shù)等于導(dǎo)條數(shù)加上1。依據(jù)電路理論中的基爾霍夫定律，得到電動(dòng)機(jī)中的電壓方程式和磁鏈方程式如下[5]：

式中：U為電壓、Ψ˙為磁鏈對(duì)時(shí)間的微分、R為電阻、I為電流，M為互感、Ψ為磁鏈，將電機(jī)磁學(xué)方程式(2)代入電機(jī)電學(xué)方程式(1)得到電機(jī)的電磁學(xué)方程式(3)：

式中：I˙為電流對(duì)時(shí)間的微分，M˙為互感對(duì)時(shí)間的微分。

1.2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程描述電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，電動(dòng)機(jī)電磁學(xué)方程、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程聯(lián)立起來(lái)的方程組構(gòu)成了完備的電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的包含完整電動(dòng)力學(xué)、磁學(xué)、機(jī)械各參數(shù)的物理學(xué)模型，以其作為模型進(jìn)行電機(jī)的工程問(wèn)題研究方便有效[5]。

繞線式異步電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，用作電動(dòng)機(jī)時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩Te起驅(qū)動(dòng)作用，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL以及由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(轉(zhuǎn)子及所拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備固有)所決定的慣性轉(zhuǎn)矩之和構(gòu)成總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律得出電動(dòng)機(jī)力學(xué)平衡方程為：

這就是電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即：

為電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備的慣性轉(zhuǎn)矩。

從能量角度來(lái)看，當(dāng)定子回路數(shù)等于m，轉(zhuǎn)子回路數(shù)等于n+1時(shí)，籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是：

將式(7)線性化可得：

經(jīng)過(guò)矩陣的線性運(yùn)算：

式(9)中，p：電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；θR：轉(zhuǎn)子位移角(rad)。

就三相異步電動(dòng)機(jī)而言，m=3，定子端電壓US=[ua,ub,uc]T，定子電流IS=[ia,ib,ic]T，轉(zhuǎn)子電流IR=[i1,i2,…,in,ie]T。

如果不考慮定、轉(zhuǎn)子間互感的高次諧波分量，可得轉(zhuǎn)矩為：

式中，Tave：平均轉(zhuǎn)矩(N·m)；Tpul：脈振轉(zhuǎn)矩(N·m)。

2 繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程研究

2.1 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障前后起動(dòng)電流的比較

繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，由于電氣慣性很小，電壓和磁場(chǎng)瞬間建立，機(jī)械慣性卻很大，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0本質(zhì)是堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。s=1是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與轉(zhuǎn)子速度之間的差值達(dá)到最大值，等于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組中的反電動(dòng)勢(shì)也是最大值。隨后，磁動(dòng)勢(shì)平衡原理、電壓平衡原理決定了電動(dòng)機(jī)電流急劇增大[2,4,5-10]。

對(duì)于良好的繞線式異步電動(dòng)機(jī)而言，由于起動(dòng)時(shí)滑差大，反電動(dòng)勢(shì)小，通電回路阻抗只有直流電阻，其值很小，致使轉(zhuǎn)子電流很大，定子電流也很大(高達(dá)額定電流的5～7倍)。如果重載起動(dòng)，還會(huì)更高，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，滑差逐漸減小，電動(dòng)機(jī)電流也逐漸減小。從起動(dòng)的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，電流變化平穩(wěn)，頻譜相對(duì)簡(jiǎn)單，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在斷條故障，相對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流磁勢(shì)被調(diào)制，頻譜更為復(fù)雜化，繞線式異步電動(dòng)機(jī)定子電流疊加了頻率為(1-2s)f1的附加電流，相對(duì)頻譜也更為復(fù)雜。整個(gè)繞線式異步電動(dòng)機(jī)電流波形與正常時(shí)相比發(fā)生了較大變化，電流成分、幅值、相位均有很大不同。電流波形進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)子斷條電動(dòng)機(jī)的電流變得很復(fù)雜，產(chǎn)生了包絡(luò)線[2,4,5-10]，結(jié)果如圖1所示。

圖1 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條與否定子繞組起動(dòng)電流對(duì)比波形

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流三相不平衡度超標(biāo)，發(fā)生不對(duì)稱現(xiàn)象，致使電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)發(fā)生巨大脈動(dòng)，從矢量的眼光來(lái)看，矢量定向分解后，出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)分量，形成反向電磁轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致有效驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，加速度減小，起動(dòng)時(shí)間拖長(zhǎng)。起動(dòng)過(guò)程過(guò)渡過(guò)程時(shí)間拖長(zhǎng)的特征可視為故障特征，大型繞線式異步電動(dòng)機(jī)的故障特征更為明顯。

2.2 轉(zhuǎn)子繞組故障與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式：

式中，J：全負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；Ω：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度(rad/s)；T：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)。

由式(12)依據(jù)牛頓第二定律可以得出，只有電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T＞負(fù)載阻尼轉(zhuǎn)矩TL，拖動(dòng)系統(tǒng)加速度dΩ/dt＞0時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，建立速度，加速旋轉(zhuǎn)。從理論上說(shuō)，起動(dòng)過(guò)程完成后，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T=負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，加速度dΩ/dt=0，速度不再增加，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，電動(dòng)機(jī)無(wú)故障的條件下，理論上說(shuō)是一個(gè)常數(shù)值。如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條，會(huì)造成轉(zhuǎn)子電流不對(duì)稱，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩失去平衡，增加轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)分量。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條后，斷裂導(dǎo)條電流回路斷路，無(wú)電流流通，驅(qū)動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩變小，更進(jìn)一步，轉(zhuǎn)子電流不對(duì)稱引起氣隙磁場(chǎng)脈動(dòng)，產(chǎn)生反方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，反方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成反方向的電磁轉(zhuǎn)矩，不但削弱正方向的電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩扭矩，還會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)起阻礙作用，使電動(dòng)機(jī)的有效電磁轉(zhuǎn)矩變得更小。電機(jī)學(xué)的基本原理決定了轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)與轉(zhuǎn)速的波動(dòng)互相影響，逐漸加強(qiáng)，漸趨惡化。

圖2表示轉(zhuǎn)子斷條故障與電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系， 圖(a)是無(wú)故障電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖，圖(b)是轉(zhuǎn)子斷條電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖。轉(zhuǎn)子斷條后，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性是：波動(dòng)幅度巨增，頻譜復(fù)雜度巨增。電磁轉(zhuǎn)矩震蕩次數(shù)增加，穩(wěn)定調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，動(dòng)靜態(tài)控制指標(biāo)變差。

圖2 繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖

當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或剛剛加入糖膏電動(dòng)機(jī)處于輕載的瞬間，電動(dòng)機(jī)定子電流量值很小，故障特征頻譜信號(hào)微弱，采用頻譜分析的方法很難檢測(cè)到轉(zhuǎn)子斷條故障的特征量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或者輕載時(shí)，滑差很小，轉(zhuǎn)速量值很大，處于額定轉(zhuǎn)速附近，根據(jù)采樣定理，轉(zhuǎn)速波動(dòng)分量的周期長(zhǎng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量的周期也長(zhǎng)，這就容易從轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的信號(hào)中檢測(cè)是否存在波動(dòng)分量、波動(dòng)分量數(shù)值的大小以及頻譜的分布。因而電動(dòng)機(jī)空載或者輕載時(shí)，適宜利用轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速波動(dòng)檢測(cè)法進(jìn)行故障檢測(cè)[1-2,5]。

2.3 不同轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)頻譜分析研究

在繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂以及空載起動(dòng)運(yùn)行的情況下，在變頻器中設(shè)置不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別對(duì)定子A相電流進(jìn)行頻譜分析，分析結(jié)果顯示：空載也就是定子A相電流約等于零時(shí)，隨著電動(dòng)機(jī)端口電壓的逐漸升高(升速時(shí))，轉(zhuǎn)速升高，滑差減小，(1±2s)趨于1，故障特征頻率(1±2s)f1約等于基頻f1，故障特征頻率中混入了基頻旁瓣，基頻旁瓣會(huì)覆蓋故障特征分量，導(dǎo)致頻譜圖中的故障特征不甚明顯。

3 短時(shí)傅里葉方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子斷條故障

繞線式異步電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)：電流、電壓、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等在起動(dòng)過(guò)程中都處于不停的變化之中，隨著糖膏的加入，強(qiáng)化了各電氣參數(shù)的變化，各電氣參數(shù)是典型的非平穩(wěn)信號(hào)，用函數(shù)的眼光來(lái)看，它們不僅僅是定義于時(shí)間域的函數(shù)，也是定義于頻率域的函數(shù)。由工程數(shù)學(xué)可知，短時(shí)傅里葉變換能夠?qū)⒍x域?yàn)闀r(shí)間的一維函數(shù)映射為定義域?yàn)闀r(shí)間以及頻率的二維函數(shù)。基于此，可以從時(shí)間或者頻率的2個(gè)視角來(lái)分析研究非平穩(wěn)信號(hào)[2,6,8,11]。

3.1 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換是一種時(shí)間、頻率的局部化方法。其局部性由給定的時(shí)間窗函數(shù)g(t)的寬度決定，當(dāng)時(shí)間窗函數(shù)g(t)的寬度是整條時(shí)間軸，幅值為1時(shí)，短時(shí)傅里葉變換退化為傅里葉變換。給定一個(gè)沿著時(shí)間軸滑動(dòng)、時(shí)間寬度很短的窗函數(shù)g(t)，那么信號(hào)x(t)的短時(shí)傅里葉變換(STFT)定義為：

由定義式可見(jiàn)，由于窗函數(shù)g(t)的引入，且時(shí)間寬度有限，短時(shí)傅里葉變換具有時(shí)域的局部性特征，定義式右邊除了積分變量u以外，還有時(shí)間變量t、頻率變量f，說(shuō)明它是時(shí)間和頻率的二元函數(shù)。

當(dāng)窗函數(shù)滿足如下條件時(shí)：

那么，理論上可以證明，x(t)可以由反變換的方式獲得，具體為：

短時(shí)傅里葉變換的原理：取時(shí)間t很短的函數(shù)g(t)作為窗口函數(shù)，用g(τ-t)與待分析的信號(hào)x(t)相乘作局部截取，截取完成后作傅里葉變換；換句話說(shuō)，也就是用窗口函數(shù)g(t)與待分析信號(hào)x(t)作卷積運(yùn)算，就可以得到t時(shí)刻信號(hào)x(t)的傅里葉變換。對(duì)于不同的時(shí)間t，均有不同位置的時(shí)間窗函數(shù)g(t)與其對(duì)應(yīng)，也有不同時(shí)刻的傅里葉變換與其對(duì)應(yīng)，這些不同的傅里葉變換組成整個(gè)時(shí)間軸上的傅里葉變換集。短時(shí)傅里葉變換這一二元函數(shù)具有時(shí)域分辨率和頻域分辨率，時(shí)域分辨率、頻域分辨率均由窗口函數(shù)決定，與頻率和時(shí)間的變化無(wú)關(guān)[2,6,8,11-20]。

在使用STFT變換時(shí)，短時(shí)間窗口函數(shù)g(t)的形狀及窗口的時(shí)間寬度，更直接點(diǎn)說(shuō)，其連續(xù)性、光滑性、消失矩等均影響變換所得二元函數(shù)的時(shí)間分辨率以及頻率分辨率。不同時(shí)間窗口函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)也不一樣，時(shí)間窗口函數(shù)的不同性質(zhì)對(duì)分辨率的影響也不一樣。因此，選擇時(shí)間窗口函數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮時(shí)間分辨率要求與頻率分辨率要求。

短時(shí)傅里葉變換也有其不足之處，在整個(gè)信號(hào)所處的時(shí)間域以及頻率域范圍內(nèi)，其時(shí)間分辨率Δt、頻率分辨率Δf不隨時(shí)間t以及頻率f的變化而變化，雖然可以以固定的頻率分辨率Δf描述某局部時(shí)間段固定的Δt上的頻率信息，但是如果要分析的非平穩(wěn)信號(hào)在整個(gè)需要分析的時(shí)間-頻率空間中分布極其不均勻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的時(shí)間段需要不同長(zhǎng)度的時(shí)間窗口進(jìn)行分析的情況，固定的時(shí)間窗口就無(wú)法滿足這樣的需要變化的時(shí)間窗口的要求。

3.2 斷條故障仿真研究

基于前面所述的電動(dòng)機(jī)電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)1臺(tái)4極、3相、50 Hz、45 kW繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，不失一般性，忽略電動(dòng)機(jī)的幾何及物理材料參數(shù)的影響。進(jìn)入仿真程序后，電機(jī)負(fù)載設(shè)置為空載，將4極、3相、50 Hz、45 kW等參數(shù)輸入仿真軟件，起動(dòng)仿真過(guò)程，可以看到，電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩約等于0。為延長(zhǎng)起動(dòng)過(guò)程過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，方便觀察分析，采用逐漸增壓的方式進(jìn)行起動(dòng)[2,6,8,11]。

采用短時(shí)博里葉變換的方法對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的定子電流作時(shí)間頻率分析，能夠分辨出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條情況下頻率為(1-2s)f1的電流的產(chǎn)生發(fā)展演變軌跡，由軌跡特征可以判斷繞線式異步電動(dòng)機(jī)是否存在轉(zhuǎn)子斷條故障。

圖3(a)為無(wú)故障逐漸增壓起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的情況下， 繞線式異步電動(dòng)機(jī)定子電流的時(shí)域圖以及頻域圖，起動(dòng)時(shí)間大約是1.5 s。圖3(b)為故障時(shí)逐漸增壓起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的情況下，繞線式異步電動(dòng)機(jī)定子電流的時(shí)域圖以及頻域圖，起動(dòng)時(shí)間同樣大約是1.5 s。通過(guò)對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)定子電流進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換處理，圖3(b)中存在明顯的非基頻電流，而圖3(a)中則沒(méi)有明顯的非基頻電流[2,6,11-12,21]。

圖3 短時(shí)博里葉分析頻譜圖

3.3 斷條故障對(duì)糖廠影響

糖廠是一個(gè)流水作業(yè)很強(qiáng)的生產(chǎn)單位，而繞線式異步電動(dòng)機(jī)在糖廠中應(yīng)用非常普遍(如撕裂機(jī)、離心機(jī)等)。盡管繞線式異步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)不會(huì)立即引起糖廠流水線停機(jī)，但會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電流增大，給生產(chǎn)線帶來(lái)事故隱患。當(dāng)撕裂機(jī)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條后會(huì)造成蔗刀機(jī)轉(zhuǎn)速不夠，甘蔗破碎度差，影響入榨量和抽出率。離心機(jī)出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條后，轉(zhuǎn)速不夠而造成離心效果差，影響糖膏分篩質(zhì)量。

耿馬糖廠甲膏分蜜機(jī)在“5改7”項(xiàng)目中使用了7臺(tái)繞線式異步電動(dòng)機(jī)作甲膏離心機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在第一個(gè)技改完成后的第1年，7臺(tái)甲膏分蜜機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不同時(shí)間分別出現(xiàn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條，到該榨季結(jié)束只有2臺(tái)帶病在運(yùn)行，其余全部轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條。分別是3臺(tái)在低速起動(dòng)加料節(jié)段出現(xiàn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條，啟動(dòng)電流很大，出現(xiàn)電機(jī)異聲；2臺(tái)在中速加速?zèng)_洗節(jié)段出現(xiàn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條，電流降不下來(lái)；2臺(tái)在高速生蒸氣沖洗節(jié)段出現(xiàn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條，電流偏高，運(yùn)行電流接近啟動(dòng)電流最大值的50%，帶病工作，嚴(yán)重影響了整個(gè)榨季進(jìn)程。榨季結(jié)束后，全部繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重返廠家，重新加工轉(zhuǎn)子，往返折騰造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失。

3.4 斷條故障解決辦法

繞線式異步電動(dòng)機(jī)重返廠家后，我們和廠家工程技術(shù)人員共同研究，提出了轉(zhuǎn)子導(dǎo)條抽出線的連接環(huán)不宜用直接焊接的方法。建議廠家采用在短接環(huán)上鉆孔，讓導(dǎo)條條線直接穿過(guò)鉆孔洞后再焊接的方法來(lái)提高焊接點(diǎn)的牢固性，改變?cè)瓉?lái)工況(直接焊接)。由于對(duì)短接環(huán)進(jìn)行鉆孔、導(dǎo)條條線加長(zhǎng)穿越短接環(huán)會(huì)影響電機(jī)動(dòng)平衡，導(dǎo)條條線長(zhǎng)度精準(zhǔn)測(cè)算和鉆孔大小及焊點(diǎn)多少需要重新做電機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn),才能確保電機(jī)在低速啟動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生過(guò)大的啟動(dòng)電流，在中速運(yùn)行時(shí)電機(jī)也不會(huì)發(fā)出異響，高速運(yùn)行時(shí)感覺(jué)不到電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。繞線式異步電動(dòng)機(jī)改進(jìn)返修回廠組裝后，經(jīng)過(guò)一個(gè)榨季運(yùn)行，工作正常，設(shè)備完好無(wú)損，解決了這一問(wèn)題。

通過(guò)這一理論建立和實(shí)現(xiàn)，讓糖廠工程技術(shù)人員能快速判斷出繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條是否斷條，并根據(jù)出現(xiàn)故障時(shí)的特征要素判斷出解決這一問(wèn)題的最優(yōu)方案，減少判斷故障時(shí)間和停機(jī)維修時(shí)間，達(dá)到糖廠提高生產(chǎn)安全率的目的，減少不必要的損失。

4 結(jié)語(yǔ)

本文完成了繞線式異步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載逐漸增加的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子斷條故障存在與否的仿真對(duì)比研究，通過(guò)在時(shí)間、頻率、幅值三維空間中對(duì)定子電流的仔細(xì)研究，得出了在空載運(yùn)行的狀態(tài)下，也就是電動(dòng)機(jī)的滑差很小的條件下，采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的波動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子斷條故障檢測(cè)是合理的?；钤叫?，轉(zhuǎn)速波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的周期均越長(zhǎng)，根據(jù)香農(nóng)定理，故障檢測(cè)允許的響應(yīng)時(shí)間也就越長(zhǎng)，從轉(zhuǎn)矩的信號(hào)中檢出波動(dòng)分量也就越容易，而從轉(zhuǎn)矩信號(hào)中觀測(cè)到相應(yīng)波動(dòng)分量的大小也更容易，對(duì)在不同轉(zhuǎn)速下空載起動(dòng)運(yùn)行條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的系統(tǒng)故障特征。針對(duì)起動(dòng)過(guò)程中繞線式異步電動(dòng)機(jī)各電氣參數(shù)的非平穩(wěn)信號(hào)特征，取得了采用短時(shí)博里葉變換方法的繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障檢出技術(shù)。

5 致謝

本文的構(gòu)思和寫(xiě)作，得益于常年在糖廠電力系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)過(guò)程中積累的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和方法，以及平時(shí)工作接觸中得到了糖業(yè)電力系統(tǒng)領(lǐng)域前輩楊津聽(tīng)教授的影響，在此特表謝意！