三相電機故障診斷及容錯控制研究

摘 要 三相電機是當前使用廣泛的驅(qū)動設備，不過由于本身結構復雜以及內(nèi)外部諸多因素的影響，在長期的運轉(zhuǎn)過程中難免出現(xiàn)故障，降低設備的性能，影響生產(chǎn)的正常進行，嚴重的甚至會造成機毀人亡。為了更好地對三相電機的故障進行防控和處理，有必要引入故障檢測和容錯控制措施，以便有效確保電機的穩(wěn)定、可靠運行，為安全生產(chǎn)提供更好的保障。

【關鍵詞】三相電機 故障診斷 故障容錯控制

三相電機是一種非常重要的驅(qū)動設備，具有結構簡單、容易上手和價格低廉等優(yōu)點，因此廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)戎T多領域。不過由于其使用環(huán)境復雜多變以及電機本身的運行特性、負荷情況等的影響，在使用中難免出現(xiàn)一些故障，影響了相關生產(chǎn)生活的正常秩序并造成一定的損失。為了對三相電機的故障進行有效防控，確保其正常運行，減少因故障造成的損失，必須對三相電機的故障診斷和容錯控制進行分析研究。

1 故障診斷與容錯控制的意義

當前，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，各種生產(chǎn)設備越來越先進，功能越來越全面，但同時設備結構也越來越復雜。這些復雜設備通常承擔著繁重的任務，并在大功率、高負荷的狀態(tài)下長時間運轉(zhuǎn)，這樣隨著使用時間的延長，出現(xiàn)故障的概率也隨之提高，而一旦發(fā)生故障，要么降低其性能，影響了生產(chǎn)的正常進行，要么設備報廢，甚至機毀人亡，再加上故障具有隨機性、模糊性的特點，傳統(tǒng)的故障診斷方法所起的作用已經(jīng)越來越有限，因此，有必要引入更加先進的智能故障診斷和容錯控制方法。引入智能故障診斷與容錯控制方法具有極大的意義，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）能夠及時發(fā)現(xiàn)設備的故障，同時更加精確地確定發(fā)生故障的位置、類型和程度，并對故障及時進行隔離。

（2）可以相對準確地預測出設備的使用壽命和故障的發(fā)展情況。

（3）能夠根據(jù)不同的故障，相應地給出控制和處理方案。

（4）可以自動進行故障處理，包括對其進行削弱、消除及修復等，使設備盡量恢復正常工作狀態(tài)時的性能；必要情況下可以通過犧牲部分性能來確保設備能夠繼續(xù)完成它的規(guī)定功能。

2 三相電機常見故障介紹

三相電機的主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承等構成，總體結構是比較簡單的，不過它的演變過程卻相當復雜，包括了物理和化學的多個方面。在長期的使用過程中，三相電機的性能會因受到供電電源、安裝環(huán)境等多個內(nèi)外部因素的影響而逐漸退化并導致故障的產(chǎn)生，其常見的故障主要由三個：

2.1 定子繞組匝間斷路

它是最常見的三相電機，所占的故障比為約為三分之一。導致該故障產(chǎn)生的主要原因在于同一相繞組的相鄰線圈因絕緣破壞而發(fā)生短路。

2.2 轉(zhuǎn)子導條和斷環(huán)開裂

該故障所占的故障比約為十分之一。它的產(chǎn)生是因為三相電機在啟動過程中，導條會在短時間內(nèi)通過大量電流，形成強大的沖擊力，最終使得導條和端環(huán)因應力分布不均而發(fā)生斷裂，嚴重的話還會導致電機燒壞和整機報廢。

2.3 軸承故障

軸承故障所占的故障比也達到了五分之一左右。由于軸承是負載最重的部分，同時也很容易發(fā)生磨損，因此故障也是比較頻繁的。

3 三相電機故障診斷及容錯研究

為更深入的理解三相電機的故障診斷與容錯控制，下面分別舉例加以說明。

3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測故障診斷研究

要想準確判斷出事哪一個傳感器出現(xiàn)了故障，就得對轉(zhuǎn)子位置的信號進行詳細分析，具體流程為：首先是將一個電周期分為6個區(qū)間，將VT1VT6定為區(qū)間1，然后每隔60°區(qū)間就加1，直到VT5VT6（既區(qū)間6），在這個過程中，無論是在三相電機的啟動、制動過程還是當它處在運行狀態(tài)，由于通常認為電機轉(zhuǎn)速相對于換相區(qū)間可以當做準靜態(tài)量，所以就能夠通過對比下一個區(qū)間和上一個區(qū)間的寬度來確定傳感器有沒有出現(xiàn)故障。為了對此有更直觀的認識，這里用區(qū)間1與區(qū)間2為例子來說明，先設區(qū)間1的寬度是時間t1，當三相電機運行在90℃狀態(tài)時，傳感器c這時候能夠正常輸出信號，而當主電路VT6換流到VT2的時候，這時候也就是從區(qū)間1進入到區(qū)間2的過程，在這一過程中，會開始對區(qū)間2的寬度t2進行計時，當t2>kt1，且k=1.5時，這時候的傳感器2的輸出信號沒有出現(xiàn)跳變的情況，那么就可以得知該傳感器發(fā)生故障了。

3.2 轉(zhuǎn)子位置故障容錯控制研究

當傳感器發(fā)生一到兩路損壞時，可以有效利用其余正常運行的傳感器通過對轉(zhuǎn)子位置進行評估并用于電機換相，最終實現(xiàn)故障的容錯控制。

當其中的一路傳感器發(fā)生故障時，首先要確定兩個區(qū)間的寬度，下面以區(qū)間1與區(qū)間2為例進行分析，當區(qū)間2的寬度超過前面所設定的寬度，這時候就說明Hb出現(xiàn)故障，因此，要馬上換相，同時，在隨后的所有電周期里，在區(qū)間2里，當t5=t4的時候以及在區(qū)間5中當t5=t4的時候均需換相，也就是利用上次沒有發(fā)生故障的傳感器信號來獲得下一個轉(zhuǎn)子的位置。同樣的道理，當出現(xiàn)兩路傳感器信號故障的時候，就要用第三個正常的傳感器信號通過延時來獲取其它轉(zhuǎn)子的位置信號，通過采用這種方式，即使傳感器出現(xiàn)故障，仍然可以有效獲得六個換相點的時刻點，有效實現(xiàn)對三相電機的容錯控制。

4 結語

三相電機作為一種重要的設備，廣泛使用于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，對工業(yè)生產(chǎn)起著非常重要的作用，也正是因為它的地位如此重要，其所產(chǎn)生的故障影響和造成的損失也才會如此突出。雖然當前的三相電機已經(jīng)比過去先進了許多，穩(wěn)定性、可靠性有了很大的提高，但由于使用環(huán)境、工作方式等的影響，故障總是在所難免，為此，必須大力推廣故障檢測和容錯控制，以便有效對故障進行防控，確保電機的穩(wěn)定、可靠運行，為生產(chǎn)提供更安全可靠的保障。

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作者簡介

崔寶磊（1984-），男，天津市濱海新區(qū)人?，F(xiàn)供職于中海油田服務股份有限公司。

作者單位

中海油田服務股份有限公司 天津市 043100endprint