秦 焱，彭 鎮(zhèn)

(鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 前言

電動機轉(zhuǎn)子斷條故障是指異步電動機轉(zhuǎn)子導條斷裂 (端環(huán)開裂)故障。異步電動機在拖動機械設備運行過程中，轉(zhuǎn)子導條或繞組受到電磁力、離心力和機械軸上的阻力矩的作用。船舶三速錨機電動機采用鼠籠式異步電動機，錨機電動機工作環(huán)境惡劣，在起錨、拋錨過程中由于檔位的轉(zhuǎn)換，電動機轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)不斷受到?jīng)_擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩的作用，另外在錨機拔錨出土的過程中，錨機電動機可能堵轉(zhuǎn)，電動機定、轉(zhuǎn)子電流可達額定運行時電流的6～8倍，轉(zhuǎn)子導條發(fā)熱嚴重，導條可能斷裂，端環(huán)可能脫焊。錨機電動機轉(zhuǎn)子故障是電動錨機系統(tǒng)的常見故障之一。錨機電動機一般安裝在錨機艙室內(nèi)，采用傳統(tǒng)的定期拆卸維修的方法比較麻煩，也不經(jīng)濟，采用電動機在線監(jiān)測和故障診斷的方法可以在電動機轉(zhuǎn)子故障早期發(fā)現(xiàn)故障，確定恰當?shù)木S修時間和維修方案，確保船舶的安全。

電動機常用的轉(zhuǎn)子斷條 (端環(huán)開裂)故障的檢測方法有:電動機定子電流檢測方法、電動機磁通檢測方法和電動機機械信號 (特別是振動信號)檢測方法。其中定子電流比較容易獲得，因此基于電動機定子電流的檢測方法稱為電動機故障的典型檢測方法之一。研究表明，異步電動機發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障后，在定子電流中將出現(xiàn) (1±2s)f1頻率的附加電流分量 (s為電動機轉(zhuǎn)差率，f1為供電電源頻率)，該電流分量可以作為轉(zhuǎn)子斷條 (端環(huán)斷裂)的故障特征分量。

錨機電動機實際運行狀況很復雜，在起錨和拋錨過程中錨機電動機的機械負荷是變化的，且負載波動比較大，特別在拔錨出土的過程中，電動機承受沖擊性負載的作用，電機定子電流的在線頻譜圖中除了含有基波f1頻率分量之外，還包含以基波頻率f1為中心頻率的各種調(diào)制分量，在故障診斷中這些調(diào)制分量可能被錯誤看成 (1±2s)f1斷條故障特征分量，從而造成誤判，降低故障診斷的準確性，因此在線故障診斷中，必須考慮電動機負載波動的實際工作狀況。

異步電動機轉(zhuǎn)子斷條在線檢測中，還必須考慮電網(wǎng)的頻率波動、電網(wǎng)諧波和由在線采集檢測系統(tǒng)引入的“電磁噪聲”對電機轉(zhuǎn)子故障診斷的影響。供電電網(wǎng)中的頻率波動、諧波和“電磁噪聲”在定子電流頻譜圖中表現(xiàn)為基波的頻譜泄漏和譜間干擾增加，基波分量有可能淹沒了故障頻率分量，嚴重影響了電機轉(zhuǎn)子故障診斷的準確性。

本文提出了基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡分析的船用錨機電動機轉(zhuǎn)子斷條在線檢測方法。

1 帶通數(shù)字濾波

濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號中的特定頻率成分通過，同時抑制或極大地衰減其它頻率成分 (又稱此頻帶為阻帶)。根據(jù)濾波器的選頻特性，一般將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻4種。濾波器傳遞函數(shù)的一般表達式為:

在電動機在線檢測信號中，基波信號、故障特征信號、電網(wǎng)諧波信號和在線采集檢測系統(tǒng)引入的“電磁噪聲”的頻率特征是不相同的，諧波信號和“電磁噪聲”干擾信號的頻率一般大于故障特征信號。故障特征信號的頻率和基波信號很接近，以基波頻率為中心頻率，選擇恰當?shù)膸挘瑤〝?shù)字濾波器可以有效濾除電網(wǎng)諧波和“電磁噪聲”干擾信號。

2 希爾伯特包絡分析

定義希爾伯特模的平方為希爾伯特變換的模量，也稱為信號x(t)的包絡信號:

在希爾伯特包絡頻譜中，電流信號中的基波分量轉(zhuǎn)變成直流分量，故障特征分量變成了2sf1、4sf1等分量，其中2sf1分量遠大于4sf1分量，2sf1可作為電機轉(zhuǎn)子故障特征量在Hilbert包絡頻譜中的表現(xiàn)形式，Hilbert包絡頻譜突出了故障特征分量，增加了電動機轉(zhuǎn)子故障判別的靈敏度，而且，2sf1分量的幅值可以反映異步電動機轉(zhuǎn)子斷條故障的嚴重程度。

3 基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡頻譜的檢測方法

錨機電動機實際工作的條件比較復雜，存在電網(wǎng)頻率波動、負載波動、電網(wǎng)諧波和采集系統(tǒng)引入的“電磁噪聲”的干擾，在這些因素的影響下，電動機故障的在線電流信號實際上是一個非平穩(wěn)信號，電流的幅值、頻率甚至相位都是波動的。因此，電動機故障在線檢測必須考慮電動機實際運行環(huán)境和檢測條件。

綜合運用多種信號處理技術(shù)可以減少電網(wǎng)諧波、頻率波動和電動機負載波動等對電動機故障在線檢測的干擾，有效提取轉(zhuǎn)子故障特征量。

電動機穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)差率一般為0.5%～7%，電動機轉(zhuǎn)子斷條故障后，轉(zhuǎn)差率的改變非常微小，電動機定子電流中轉(zhuǎn)子斷條故障特征分量的頻率一般限定在40～60 Hz的頻率范圍內(nèi)。在電動機的定子電流進行信號頻譜分析前，先對電流信號進行帶通數(shù)字信號濾波，可以有效地消除高次諧波對特征信號產(chǎn)生的干擾。本文采用巴特沃斯3階帶通濾波器，濾波器帶通頻率范圍為40～60 Hz，濾波后，定子電流中的諧波分量和電磁噪聲分量被有效地抑制。在實際故障檢測中，還可以根據(jù)實際電動機的轉(zhuǎn)差率變動范圍，更加精確地確定帶通濾波器的帶寬，可獲得更好的濾波效果。相對于FFT頻譜分析，Hilbert包絡頻譜分析對于電流信號中的諧波干擾是魯棒的，Hilbert包絡頻譜可以將基波信號轉(zhuǎn)化成直流分量，在頻譜圖中將出現(xiàn)2sf1、4sf1故障特征分量，同時有效地抑制了諧波分量，使得故障特征分量在頻譜圖中得以凸顯，在頻譜圖中獲得較高的信噪比。

將濾波后的定子電流信號進行Hilbert包絡頻譜分析，可以從頻譜圖中識別轉(zhuǎn)子斷條故障的特征分量，并判斷故障程度和供電電源頻率波動的情況。

4 故障診斷實例

某船舶錨機系統(tǒng)采用三速電動機拖動，三速電動機的型號JZ2－H－41－4/8/16;額定電壓，380 V;額定頻率，50 Hz;額定功率，7.5/7.5/5 kW;額定電流，16.8/17.8/26 A;額定轉(zhuǎn)速，1 400/665/300 r/min;接法，Y/YY/△;工作時間，10/30/5 min;絕緣等級，F(xiàn)級。

故障現(xiàn)象:起錨時，熱繼電器和過流繼電器頻繁動作，電動機起錨困難。

診斷方法:鑒于錨機艙空間狹窄且錨機電動機內(nèi)部帶電磁制動器的結(jié)構(gòu)，直接拆卸維修有一定的風險，故采用故障在線診斷的方法。

診斷步驟:

1)排除控制箱可能出現(xiàn)的故障:檢查錨機控制箱的線路和熱繼電器、過流繼電器和互感器等元器件的工作狀態(tài)，未發(fā)生異常。

2)排除錨機系統(tǒng)傳動機械裝置和電動機直流制動盤可能出現(xiàn)的故障:檢查錨機系統(tǒng)各部的機械傳動裝置未發(fā)生異常，且錨機在負載較輕的階段(收起臥于海底的錨鏈階段)，錨機系統(tǒng)工作正常，工作電流在額定電流范圍內(nèi)，無明顯異常。

3)檢查電動機的絕緣:用兆歐表檢查電動機各相之間絕緣電阻和各相對地的絕緣電阻，絕緣電阻均在5 MΩ以上。

4)根據(jù)上述檢查的結(jié)果，初步判定是三速錨機電動機內(nèi)部故障，用電橋精密檢測電動機三相定子繞組的電阻，三相定子繞組阻值基本相同且與標準電阻值的誤差在5%的范圍內(nèi)，排除電機定子繞組匝間短路、斷路和相間短路的故障。

5)初步判定電動機轉(zhuǎn)子存在故障。在線檢測錨機電動機工作時的定子三相電流，對三相電流采用上述基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡頻譜的檢測方法進行檢測。由于三相電流基本對稱，下面給出一相電流波形的分析結(jié)果。

電動機定子電流信號處理波形如圖1所示。

圖1 濾波前后定子電流的波形及其頻譜

圖2 電動機定子電流希爾伯特包絡頻譜圖

電動機定子電流的波形表明:

1)三速錨機電動機內(nèi)部存在轉(zhuǎn)子斷條故障。從頻譜圖中可以看出在4 Hz附近存在故障分量，此時轉(zhuǎn)差率s=0.038。Hilbert包絡頻譜分析的檢測方法中將轉(zhuǎn)子斷條故障特征量變?yōu)?sf1，頻譜圖中4 Hz的故障分量正好對應轉(zhuǎn)子斷條故障特征量。

2)頻譜圖中可以看出在4 Hz附近存在故障分量比較明顯，說明電動機轉(zhuǎn)子斷條的故障比較嚴重，連續(xù)斷條的根數(shù)在3根左右。

3)從濾波前后的定子電流的頻譜圖可以看出，采樣電流信號的濾波前的頻譜中很多諧波引起的小波峰，濾波后諧波在頻譜圖中的干擾被抑制，突出了基波分量附近的故障特征分量，表明帶通數(shù)字信號濾波可以有效抑制定子電流中的諧波分量和電磁噪聲分量。

4)Hilbert包絡頻譜中，故障特征量2sf1有兩個明顯的波峰，表明船舶電網(wǎng)存在頻率波動的情況，兩個波峰之間的距離反映了頻率波動的大致范圍，大致在±0.2 Hz左右。

根據(jù)在線診斷的結(jié)果，錨機電動機轉(zhuǎn)子存在轉(zhuǎn)子斷條的故障，且故障比較嚴重，建議將電動機吊出錨機艙進行拆卸修理。錨機電動機拆卸后，其轉(zhuǎn)子繞組確實存在轉(zhuǎn)子斷條的故障，轉(zhuǎn)子斷條的根數(shù)為4根，其中兩根屬于連續(xù)斷條的情況，電動機拆卸修理的結(jié)果證明采用基于帶通數(shù)字濾波和希爾伯特包絡頻譜分析的在線檢測方法可以有效檢測電動機轉(zhuǎn)子故障。

5 結(jié)論

異步電動機轉(zhuǎn)子斷條在線檢測中，電動機負載波動、電網(wǎng)的頻率波動、諧波和“電磁噪聲”等因素對電機轉(zhuǎn)子故障診斷產(chǎn)生了較大的干擾和影響。本文利用數(shù)字信號濾波和希爾伯特變換兩種信號處理技術(shù)的優(yōu)點和長處，提出了基于數(shù)字信號濾波和希爾伯特包絡頻譜分析的故障診斷方法。仿真和實例表明，該方法不僅可以抑制干擾因素的影響，有效提取轉(zhuǎn)子斷條故障特征量并實現(xiàn)故障診斷，而且能夠反映頻率波動的范圍。在船舶電機乃至電氣設備的修理過程中，采用傳統(tǒng)維修和狀態(tài)檢測相結(jié)合的方法，可以比較準確的判斷故障性質(zhì)和范圍，降低維修費用，縮短維修時間，減少電動機拆卸維修的次數(shù)。

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