電梯交流電機定子線圈匝間短路故障診斷方法

王雙龍 戴國洪

摘 要：文中提出了針對電梯交流電機定子線圈匝間短路故障檢測的方法。首先，建立定子線圈匝間短路的數學模型;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Park矢量軌跡圖像進行故障分析，即利用圖像處理軟件Halcon對軌跡圖進行處理求出橢圓的離心率。研究表明：當定子線圈正常時，其Park矢量軌跡圖為整圓，離心率趨近于0;當定子線圈發生匝間短路時，其Park矢量軌跡圖為橢圓，并且隨著匝間短路故障的嚴重程度加深，橢圓的離心率趨近于1。

關鍵詞：定子線圈;匝間短路;Park變換;離心率;Matlab;Halcon

中圖分類號：TP39;TM307文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

電梯電機中，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械故障和電氣故障，其中機械故障主要指定子鐵芯發生破損。電氣故障在各種故障中占據較大成分，是與定子繞組破損有關的故障。定子繞組由很多匝相互絕緣的銅導線繞制而成，其內部流通電流[1]。由于電梯電機運行過程中會發生振動，及電流在繞組中流通時會產生熱量，因此定子繞組的多數故障便與此兩類原因相關。定子繞組常見的故障包括匝間短路、相間短路、斷路、絕緣損壞等[2-3]。當電梯電機由于定子線圈發生匝間短路故障時，電梯會出現啟動和停止震感強烈的現象，嚴重時電機停止運行，因此對電梯電機定子線圈定期進行故障檢測很有必要。本文針對電梯電機定子線圈匝間短路故障信號，提出運用Park變換算法得到三相電流的矢量軌跡圖像，然后利用機器視覺軟件Halcon計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。發生此故障時一般會看到部分繞組的端部有幾匝線圈有燒焦的跡象，甚至出現裸露的銅線，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）電機設計不合理。不合理的定子結構設計，如端部弧線轉彎處的曲率半徑偏小，使歪弧翹起，當電機運行時，由于離心力的作用，匝間絕緣被壓破損，從而出現定子繞組匝間短路故障。

（2）制造質量存在問題。如因制造工藝粗糙造成的工藝性損傷，以及線匝局部未設風口或風口風量不合格導致的定子嚴重過熱，均易造成匝間短路。

（3）繞組端部變形導致匝間短路。

（4）由過電壓或遭雷擊造成的匝間短路。

（5）在潮濕的運行環境中，繞組受潮使絕緣電阻下降引起匝間短路。

（6）運行環境中的鹽霧、沙塵進入，會腐蝕、磨損絕緣層。

（7）定子繞組端部與轉子相互摩擦造成端部匝間短路。

在定子繞組的內部，匝間短路故障的發生會引起繞組的三相阻抗不再對稱，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。三相電流的不對稱會引起之前由三相對稱電流形成的平穩磁場的畸變，進而破壞氣隙磁場的平衡狀態，造成電梯電機震動增大。

1.2 三相電流Park變換

Park變換是常用于分析和建立電機數學模型的變換方法，其原理是依據磁勢等效原則，將三相電流/電壓坐標系變換為靜止的兩相電流/電壓坐標系來分析電機的一種數學方法，其變換原理如圖3所示[4-5]。在三相坐標系和兩項坐標系中，繞組的匝數分別為N和M，兩坐標系繞組分別通以正弦交流電（角頻率為ω），產生的合成磁勢為Fs，Fs在兩坐標系中都以ω進行旋轉，按照兩者之間任何時刻的合成磁勢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

對于理想狀態下的交流發電機定子線圈三相交流電的電流Park矢量為：

2 視覺檢測

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強大的圖像處理能力，找出三相電流Park矢量軌跡圖像的長半軸a，短半軸b[6-8]，并利用橢圓的離心率計算公式計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試結果見表1所列。當定子線圈未發生故障時，Park矢量長、短半軸長度基本相等，離心率為0.305 977，此時Park矢量圖近似整圓，此時將其離心率的大小作為判斷定子線圈是否發生匝間短路故障的標準;當定子線圈發生故障時，Park矢量橢圓長半軸變長，短半軸縮短，離心率大于0.31;隨著短路匝數比例增大，Park矢量橢圓長半軸進一步增大，短半軸進一步減小，離心率越來越大。

Park矢量橢圓的長半軸或者短半軸長度隨著不同的定子線圈而發生改變，因此無法作為故障特征進行研究與分析。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 語

建立電機定子線圈匝間短路故障數學模型，并運用Matlab軟件仿真出正常的定子線圈和發生不同程度匝間短路故障的三相電流Park矢量軌跡圖。結合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。當發生輕微定子線圈匝間短路時，僅從定子線圈三相電流時域波形中難以分辨故障。通過Park矢量分析，發現Park矢量橢圓離心率可以靈敏地反映故障的發生和程度。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生故障并預估故障程度。

參 考 文 獻

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