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【摘 要】异步电机在传统领域占有着重要的地位，而电机的工作的状态对生产的运行产生直接影响。因此，对电机的常见故障进行诊断和分析，能够有效的减少故障率，降低突发事故造成的财产损失，减少维修费用，减弱对人员的财产的威胁。本文就异步电机的信号处理方法和故障进行分析，望在电机系统故障诊断中提供借鉴。
【关键词】异步电机；故障；识别；途径
异步电机在传动领域中占有重要地位的原因在于其结构简单、价格便宜、运行稳定可靠，而电机的工作状态直接影响着生产工作活动，因此，加强电机故障诊断分析，能够及时在电机运行过程中及时找出问题，并采取相应解决方法解决，降低人员财产损失。但故障诊断技术存在误判率高、准确度等问题，需要进一步的深化和成熟。
1.异步电机主要故障及分析
电机可以分为四种，即同步发电机、异步电动机、同步电动机、直流电动机，而电机的种类、结构、运行方式以及工作原理等因素不同会产生不同的故障。电机内部有电路系统、绝缘系统、机械系统、散热系统等几个即独立又相互关联的工作系统，这些系统会出现或大或小的故障，因此，电机的诊断相对于一般机械设备设计的领域更多。
1.1故障诊断常用技术
故障诊断有多种方法，例如电流分析法、振动诊断、绝缘诊断换向诊断、湿度诊断等，根据不同的情况要采用不同的诊断方法。例如，电流分析法的监测量为电流信号，具有以下几方面的优点：一是应用范围广，能够全面反映电机系统信息；二是信号易采集且不影响电机正常工作；三是不受环境影响，精确度高；四是不受噪声干扰，拥有较好的信噪比；五是多台电机可集中监测，相对安全，便于集中监控；六是可以直接反映传动机构信息。
1.2诊断研究主要内容
电机故障诊断研究包括：电机故障机理研究，故障信号处理技术研究，故障诊断方法研究，监测、诊断仪器和系统的开发与研究。电机故障机理研究是整个学科的基础，关键在于对电机故障的形成的发展过程进行了解，对故障的内在本质及特征进行掌握。研究方法在于建立适宜的物理和数学模型，并求出模型的近似解或者解析解，并总结出一般性的规律。故障信号技术在诊断过程中起桥梁作用，通过加工、变换检测到的信号，提取对诊断有利用价值的特征量。常用方法有信号时域分析法、时频分析法以及信号频域分析法。目前所用的故障诊断方法一般为专家系统，其核心为知识库中的领域专家的知识，缺点为知识的获取问题，专家系统能够模拟人的逻辑思维，并实现较为严谨的逻辑推理，其诊断结构的精准度依赖其存在的知识。监测诊断系统已经发展为基于计算机的实时监测系统、便携式监测系统以及只能故障诊断系统，其主要功能是信号处理和数据管理。
1.3诊断主要方法
一是基于解析模型的诊断方法，这种方法已经取得了十分丰富的理论研究成果，尤其是对LTI系统的故障诊断。但是，这种方法比较值得注意的问题是实际应用问题，理论方法的研究成果优于实际应用；二是基于信号处理的诊断方法，这种方法能够部分回避建立诊断对象数学模型的困难之处，直接利用各类信号处理方法处理，适用性较好，不仅可用于线性系统，还可用于非线性系统，是一种比较有前景的故障诊断方法；三是基于知识的诊断方法，这种方法比较适用于非线性系统，通过对诊断对象多方面信息的引入，充分利用领域专家诊断知识，避免过度依赖精确数学模型。
2.基本原理
2.1电机构造和原理
就三相异步电机而言，一般有两大部分组成，一部分是转子，另一部分是定子，两者之间有较小的空气隙。定子有定子铁心、定子绕组和机座组成，定子铁心是电机主磁通磁路的一部分，定子绕组在铁心槽内，基本形式有单层绕组和双层绕组两种，由定子绕组在槽内布置的情况决定，机座的主要是固定和支撑定子铁心的作用。异步电机的基本原理是在定子和转子之间的气隙内建立的旋转磁场。旋转磁场在切割转子导体时，能够产生感应电势，且转子绕组是闭合的，电流会通过转子导体内，转子导体中的电流和旋转磁场相互作用会产生电磁力，电磁力方向与旋转磁场方向一致。
2.2工作特性
第一，转速特性。空载时，转子的电流几乎为零，因此，电机转速接近同步转速，负载的增加会导致转速小幅度下降，因此，转速特性是一条稍向下的倾斜曲线；第二，定子电流特性。空载时电流几乎为零，定子电流大部分为励磁电流，负载的增加使转子转速下降，转子电流增加，为保持磁势平衡，定子电流和磁势也将增加；第三，功率因数特性。从电源的角度看，异步电机类似于感性阻抗，因为功率因数总是落后的，所以，它需要从电网吸取感性无功功率。空载时，电功率因数较低，随着负载增加，电功率因数也增加，当达到额定负载时，功率因数最大；第四，电磁转矩特性。异步电动机负载在额定值以内时，转速和角速度变化较小，空载转矩几乎可认为没有变化，因此，电磁转矩特性是一条斜率近似于I/O的直线；第五，效率特性。异步电动机效率的最大值之处在可变损耗等于不变损耗时。
3.故障诊断试验系统
3.1系统构成
该实验系统主要由三相异步电动机、三项同步发电机、电动机转速控制器、变频器、三相阻抗负载、信号调理板、各种传感器及其检测装置、数据采集器、PC机组成。三相异步电动机调速控制系统由电动机转速控制器、变频器以及三相异步电动机三部分组成。同步发电机和异步电动机采用同轴连接方式，输出连接三项阻抗负载，且阻抗大小可调节。事实上，同步发电机可作为异步电动机的负载使用，通过调节同步发电机负载抗阻来改变异步电动机的负载。可以测量信号的有异步电动机的输出转矩、转速、电机轴承、绕组温度等。
3.2故障诊断系统
电机故障诊断系统可分为数据采集模块、信号处理模块、故障诊断模块三部分。数据采集模块由各种传感器、信号调理板以及数据采集仪组成，能够将模拟信号转换为数字信号。信号模块主要是对采集后的信号进行分析，判断是否存在故障频率分量。故障诊断模块主要是判断是否存在故障。
4.结束语
异步电动机在传动领域中所占的重要地位主要是因其结构简单、价格便宜、运行稳定可靠。电机的工作状态决定着生产的运行，分析诊断常见故障，有效地降低了故障率，减少了停产损失，降低了维修费用，消除了设备的人员安全威胁。
【参考文献】
[1]张雄希，刘振兴.基于分数阶傅里叶变换的变频调速异步电机故障诊断方法[J].电机与控制应用，2010，37（4）：59-62.
[2]荀泱，周国荣，袁禹等.基于嵌入式系统的异步电机故障检测系统[J].仪表技术与传感器，2009，（3）：129-131.
[3]蒋斌，颜钢锋.基于新型复值小波变换的异步电机故障诊断方法[J].机车电传动，2003，（1）：27-31.
【关键词】异步电机；故障；识别；途径
异步电机在传动领域中占有重要地位的原因在于其结构简单、价格便宜、运行稳定可靠，而电机的工作状态直接影响着生产工作活动，因此，加强电机故障诊断分析，能够及时在电机运行过程中及时找出问题，并采取相应解决方法解决，降低人员财产损失。但故障诊断技术存在误判率高、准确度等问题，需要进一步的深化和成熟。
1.异步电机主要故障及分析
电机可以分为四种，即同步发电机、异步电动机、同步电动机、直流电动机，而电机的种类、结构、运行方式以及工作原理等因素不同会产生不同的故障。电机内部有电路系统、绝缘系统、机械系统、散热系统等几个即独立又相互关联的工作系统，这些系统会出现或大或小的故障，因此，电机的诊断相对于一般机械设备设计的领域更多。
1.1故障诊断常用技术
故障诊断有多种方法，例如电流分析法、振动诊断、绝缘诊断换向诊断、湿度诊断等，根据不同的情况要采用不同的诊断方法。例如，电流分析法的监测量为电流信号，具有以下几方面的优点：一是应用范围广，能够全面反映电机系统信息；二是信号易采集且不影响电机正常工作；三是不受环境影响，精确度高；四是不受噪声干扰，拥有较好的信噪比；五是多台电机可集中监测，相对安全，便于集中监控；六是可以直接反映传动机构信息。
1.2诊断研究主要内容
电机故障诊断研究包括：电机故障机理研究，故障信号处理技术研究，故障诊断方法研究，监测、诊断仪器和系统的开发与研究。电机故障机理研究是整个学科的基础，关键在于对电机故障的形成的发展过程进行了解，对故障的内在本质及特征进行掌握。研究方法在于建立适宜的物理和数学模型，并求出模型的近似解或者解析解，并总结出一般性的规律。故障信号技术在诊断过程中起桥梁作用，通过加工、变换检测到的信号，提取对诊断有利用价值的特征量。常用方法有信号时域分析法、时频分析法以及信号频域分析法。目前所用的故障诊断方法一般为专家系统，其核心为知识库中的领域专家的知识，缺点为知识的获取问题，专家系统能够模拟人的逻辑思维，并实现较为严谨的逻辑推理，其诊断结构的精准度依赖其存在的知识。监测诊断系统已经发展为基于计算机的实时监测系统、便携式监测系统以及只能故障诊断系统，其主要功能是信号处理和数据管理。
1.3诊断主要方法
一是基于解析模型的诊断方法，这种方法已经取得了十分丰富的理论研究成果，尤其是对LTI系统的故障诊断。但是，这种方法比较值得注意的问题是实际应用问题，理论方法的研究成果优于实际应用；二是基于信号处理的诊断方法，这种方法能够部分回避建立诊断对象数学模型的困难之处，直接利用各类信号处理方法处理，适用性较好，不仅可用于线性系统，还可用于非线性系统，是一种比较有前景的故障诊断方法；三是基于知识的诊断方法，这种方法比较适用于非线性系统，通过对诊断对象多方面信息的引入，充分利用领域专家诊断知识，避免过度依赖精确数学模型。
2.基本原理
2.1电机构造和原理
就三相异步电机而言，一般有两大部分组成，一部分是转子，另一部分是定子，两者之间有较小的空气隙。定子有定子铁心、定子绕组和机座组成，定子铁心是电机主磁通磁路的一部分，定子绕组在铁心槽内，基本形式有单层绕组和双层绕组两种，由定子绕组在槽内布置的情况决定，机座的主要是固定和支撑定子铁心的作用。异步电机的基本原理是在定子和转子之间的气隙内建立的旋转磁场。旋转磁场在切割转子导体时，能够产生感应电势，且转子绕组是闭合的，电流会通过转子导体内，转子导体中的电流和旋转磁场相互作用会产生电磁力，电磁力方向与旋转磁场方向一致。
2.2工作特性
第一，转速特性。空载时，转子的电流几乎为零，因此，电机转速接近同步转速，负载的增加会导致转速小幅度下降，因此，转速特性是一条稍向下的倾斜曲线；第二，定子电流特性。空载时电流几乎为零，定子电流大部分为励磁电流，负载的增加使转子转速下降，转子电流增加，为保持磁势平衡，定子电流和磁势也将增加；第三，功率因数特性。从电源的角度看，异步电机类似于感性阻抗，因为功率因数总是落后的，所以，它需要从电网吸取感性无功功率。空载时，电功率因数较低，随着负载增加，电功率因数也增加，当达到额定负载时，功率因数最大；第四，电磁转矩特性。异步电动机负载在额定值以内时，转速和角速度变化较小，空载转矩几乎可认为没有变化，因此，电磁转矩特性是一条斜率近似于I/O的直线；第五，效率特性。异步电动机效率的最大值之处在可变损耗等于不变损耗时。
3.故障诊断试验系统
3.1系统构成
该实验系统主要由三相异步电动机、三项同步发电机、电动机转速控制器、变频器、三相阻抗负载、信号调理板、各种传感器及其检测装置、数据采集器、PC机组成。三相异步电动机调速控制系统由电动机转速控制器、变频器以及三相异步电动机三部分组成。同步发电机和异步电动机采用同轴连接方式，输出连接三项阻抗负载，且阻抗大小可调节。事实上，同步发电机可作为异步电动机的负载使用，通过调节同步发电机负载抗阻来改变异步电动机的负载。可以测量信号的有异步电动机的输出转矩、转速、电机轴承、绕组温度等。
3.2故障诊断系统
电机故障诊断系统可分为数据采集模块、信号处理模块、故障诊断模块三部分。数据采集模块由各种传感器、信号调理板以及数据采集仪组成，能够将模拟信号转换为数字信号。信号模块主要是对采集后的信号进行分析，判断是否存在故障频率分量。故障诊断模块主要是判断是否存在故障。
4.结束语
异步电动机在传动领域中所占的重要地位主要是因其结构简单、价格便宜、运行稳定可靠。电机的工作状态决定着生产的运行，分析诊断常见故障，有效地降低了故障率，减少了停产损失，降低了维修费用，消除了设备的人员安全威胁。
【参考文献】
[1]张雄希，刘振兴.基于分数阶傅里叶变换的变频调速异步电机故障诊断方法[J].电机与控制应用，2010，37（4）：59-62.
[2]荀泱，周国荣，袁禹等.基于嵌入式系统的异步电机故障检测系统[J].仪表技术与传感器，2009，（3）：129-131.
[3]蒋斌，颜钢锋.基于新型复值小波变换的异步电机故障诊断方法[J].机车电传动，2003，（1）：27-31.