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从电气方面着手进行电机的故障检测 摘要：电机是利用电磁感应现象将电能转换成机械能的装置，电机驱动负载的增加可直接影响输入功率的增加。当电机带动的负载或扭矩增加时，电机逐渐变慢，输入电流增加，无论是扭矩增加还是转速的变化，都会改变电机的电流。负载稍许地变动就会引起电机50 Hz电源上电流的波动，使用灵敏度极高的设备能够采集到此波动信号。它能觉察到负载扭矩或速度的变化。由于不平衡、不对中、齿轮和皮带磨损、摩擦阻力、往复式元件等引起机械振动而产生了这些负载的变动，因此探测的电流波动就可作为机械诊断和电气诊断的信息。电压和电流是一个检测电动机故障的非常好的状态监测参数，在不影响电动机运行的条件下对电流和电压信号进行频谱分析即和可检测各种故障。 然而，当电机定子绕组发生匝间短路，绕组污染，阻抗，电阻R、阻抗Z、电感L 、相位角Φ°、倍频I/F、产生不平衡变化时，电机运行状态发生变化，电机效率下降，电机突然停机率提高，造成设备二次损失率会大增。本文会详细讲解如何快速诊断这些问题。 关键词：电机，状态监测，转子断条，不平衡不对中，三相不平衡参数，美国专利技术倍频I/F 一、提出问题 电机在实际生产中应用很广，除制造工艺及安装等多方面原因外，在长期不间断运行中，电机产生故障：匝间短路，绝缘损坏，相与相之间绝缘问题，相与地之间的故障，铁芯损坏，偏心，振动，电机发热，轴承问题，因此如何快速、及时、准确地检测出电机的故障，是运行部门和维护部门十分关心的一个重要议题。 随着状态技术的普及和推广，大部分企业认识到状态检测的重要性。提前预知电机的运行状态，防止电机突然停机，已经引起企业的重视。而对电机的检测采取的方法大部分企业是电机断电，拆开电机接线端盖，利用电桥测试电机三相电阻值，或摇表测试对地绝缘，还有企业定期对电机进行高压绝缘测试，这些测试方法都存在不同缺陷，主要原因如下： 1， 电机好坏不取决于三相电阻值平衡，认为三相平衡是电阻值的平衡是错误的 2， 电机运行中三相电流的平衡与否要看三相阻抗是否平衡， 3，电机匝间短路与阻值的降低不成正比 4，高压绝缘测试对投入运行的电机进行测试属于破坏性试验，降低电机的寿命 5，摇表测试大部分是在电机已经不能工作时对电机测试，为时已晚。达不到预知维修的目的。 6，不停机测试电机，来判断电机状态好坏，以前还没有更好的办法， 7，电机存在机械问题还是电气问题，有时也是棘手的问题 二、解决问题的正确方法 美国是较早引入电机状态检测的国家，最早是出于对位于核反应堆内部的电动机进行状态监测的需求，以保证设备安全和人员安全，对内部电机的测试和对运行电机参数的分析和提取以获得对电机状态的评估，工作量大且复杂，时间长，不能及时反映电机的当时状态，经过多次的电机研究表明电机的电流总是被其内部的故障状态所影响，研制出了新的电流和电压信号调理技术，用于对信号的分析以确定电机存在的内部和外部故障的性质。 电气特征分析ESA的概念是，电机正常工作，电机不停机，应用数据采集器，即ATPOLII，采集电机的电流和电压信号，分析软件对采集的信号进行信号调理并分析调理的信号从而识别各种故障。电机三相电压和电流信号的采集可以直接从一次回路（低压电机供电电压低于600V的电机）或通过CT 在电机控制的二次回路（高压电机供电电压高于600V的电机）获得，可在控制中心测试，直接用电流钳或电压钳采集，也可用事先安装好的安全套件采集。 1、ESA法电机分析原理 ESA是电气信号分析的英文缩写，它是针对工作中的电机进行检测一种方法。对理想的电机，理论上电机的电流信号是一个纯50Hz 的正玄波，在分析频谱上只有一个峰值存在，当电机发生故障时，如转子条断裂或有高阻连接等，谐波磁通在定子线圈上产生感应电流，这些感应电流叠加到50Hz 的正玄波上，从频谱图上看会导致在50 Hz 峰值附近的极通过边带波峰的幅值增加。通过解调技术，边带可从电源峰值中分离出来，而且清晰可见，不受其他频率的干扰。幅值波峰越高问题越严重。转子故障可引起振动、性能变差和转子过热。当带动的负载或扭矩增加时，如不平衡、不对中、齿轮和皮带磨损、摩擦阻力、往复式元件等引起机械振动而产生了负载的变动，同样可以对电机电流产生影响，因此探测到的电流波动，在电流和电压谱中就可以作为电机诊断的信息。 采集的电流和电压信号，利用快速傅立叶变换，采用计算机分析软件，可得到各种信号频率的分布，频谱上的峰值就对应着机器各部件的旋转速度。频谱的幅值决定于两个情况：驱动电机的总体电流量以及来自机械并被电机觉察到的机械干扰振幅。机械干扰，开始是扭矩变化，最后是电机少量速度变化，采集电流可测到微小电流的波动变化。对于恒定的速度工况，提高电机转速，就能显示出设备的机械状态劣化，如不平衡、不对中、驱动皮带轮磨损或轴承损坏。因此频率显示用于监视电动机所驱动的机械，无论是周期数据的采集，还是连续监视，都可提供潜在劣化的早期预兆。 2、 MCA 静态电路分析技术 MCA静态分析技术是电机电路分析的简称，它是针对不工作状态下电机进行检测的一种方法。它把复杂的电机三相电路等效成由电阻，电感，互感，电容参数组成的三相等效电路。在电机断电的情况下，人为给电机加载一个交流正弦信号，模拟电机正常工作状态，对于完好的电机，测试的全部三相参数电阻R、阻抗Z、电感L 、相位角Φ°、倍频I/F应均是平衡的，对于有问题的电机，三相参数电阻R、阻抗Z、电感L 、相位角Φ°、倍频I/F应是一项或者多项不平衡。电阻R、阻抗Z、电感L 、相位角Φ°都很容易理解，下面重点说明一下倍频测试值I/F的计算方法： 根据欧姆定律：电流I=电压V/W阻抗 W阻抗=（电阻R2+感抗Z2-容抗C2）1/2 为了简化说明，我们做一个假设： 通常电机电阻值和感抗比可以忽略不计，这样我们认为电阻R=0Ω 通常电机容抗和感抗比也可以忽略不计，这样我们认为容抗C=0Ω 我们将电阻R和容抗C带入上面阻抗W的计算公式中，得到： W阻抗=感抗Z 我们知道感抗Z=2Π*F(频率)*L（电感） 我们再将感抗Z=2Π*F(频率)*L（电感）带入到欧姆定律中 电流I=电压V/ 【2Π*F(频率)*L（电感）】 我们如果让电压V恒定,那么测试电流I和频率F与电感的乘积成反比。 我们知道，电机匝间短路，电感L的变化非常小，要想单纯测量电感的变化是不可能的，但是如果我们把电流的频率放大，那么阻抗Z就会同等的变大，这等于放大效果，就可以测量了。因此，我们测量时，50HZ条件下测试一次，再将频率放大一倍测试一次，根据欧姆定律公式，我们很容易知道频率放大一倍后电机的电流应该减小一倍。一台好的电机，三相的倍频测试值I/F应该完全一致。如果我们发现电机三相的倍频测试值不一样，电机一定存在匝间短路的问题。 由于前面我们做了一个假设，电机的电阻和容抗忽略不计，正常情况下电机都有一定的电阻和容抗，当测试电压频率翻倍时，电流随之变化，变化的范围在15～50%之间，倍频测试值I/F越接近50%，电机越健康。 电机匝间短路的发展趋势就是绕组由开始接近纯电感电机，向纯电阻方向发展。也就是I/F值由 -50%向 -0%发展的趋势（负号代表减少）。应此我们可以定义I/F为匝间短路评判值。三相I/F值一比较，匝间短路一目了然：-47%、-47%、-47%则为三相平衡，电机匝间无问题；-48%、-47%、-42%则为严重匝间短路问题。 三、工作中的电机应用ESA方法进行频谱分析 电机的电流决定于负载的大小，所以电流信号是和电机的负载相关的，电机的电压信号取决于系统的电源，电源品质的好坏和电压信号相关，因此，我们在观察电机的电流谱和电压谱时就能很容易区分点的问题和什么相关。电机的负载包括电机本身转子和定子及线路，驱动的负载设备等，下面重点介绍各类问题的分析方法。 1、 转子条问题诊断 如转子断裂问题，我们只需要看电流谱。在电流谱上，50Hz基频附近存在滑差频率(电机同步频率与电机实际工作频率之差)边带，通过大量实践，当这些边带达到或超过 –35dB（正常应低于35dB）时，就表示电机转子存在断条问题，如下图1所示。
转子断条在电流特征中，电机极通过频率PPF（滑差频率乘以电机的极数）表现为工频的边带，工频峰值和极通过频率边带峰值的幅值差是转子条健康的状态指标。上图1中极通过频率PPF幅值不超过35dB， 表明转子良好。 随着转子条的劣化（即存在高阻接点或裂纹开始产生），转子阻抗升高，从而电流谱上极通过频率PPF 分贝值升高，达到48dB指示高阻接点的存在，35dB 将指示多个断条发生，大部分情况是处于此之间某个状态，其严重性等级按表1 评估。 表1 转子分析1* 2、 电机静态偏心问题诊断 静态偏心是转子中心和定子中心在运转中气隙不匀造成的。由柔性基础，轴承松动，或滑动轴承气隙调整不当引起。如图2所示。静态偏心可以在电流谱中进行确定。静态偏心发生在中心频率CF（CF定义为：转子条数×转频，定子槽数×转频也被归纳到CF）。CF = 转频（RF）× 转子条数（RB），有线频LF的N倍边带，其中N是奇整数。如下图3所示。 公式1：静态偏心 =（RB×RF）±（N×LF），其中N = 奇整数
3、不对中和不平衡问题诊断 识别不对中和不平衡故障可以在电机电流解调谱中看到，解调谱是消除了工频信号，称做解调频谱，在电流的解调谱中，电动机转速可以表现为一个峰值，我们可以根据其幅值大小判断不平衡和不对中。在正常电动机的解调特征中，RS转速频率处峰值几乎没有，如果当电动机存在机械不平衡和不对中时，将出现峰值及其谐频，从频谱图中很容易看得到，如下图4所示。
4 MCA技术评判标准 利用电阻、电感、阻抗、倍频测试值I/F、阻抗角、相角及绝缘值，全面评估电机的整体性能。如下表二所示： 表二 | | | | | 图形相似。一个电机的电感10，11，12即低中高的读数，阻抗应该有相似的图形，即20，23，25低中高的读数阻抗。如果不相似，例如阻抗是20，15，19高低中，对于同一个电机，我们发现了故障。 | 阻抗的变化和电感的变化不相同，通常是绝缘系统中材料状态发生了变化，可以表明绕组受到了污染,绕组炭化，相间不平衡差距,转子条件不好。 | | | 用于寻找连接条件状态、断线、直接短路、绕组型号不同。 | | | 指示绕组短路。例如：74、75、76可以；74、74、76可疑；73、73、76短路。 | | | 可指示绕组短路。例如：-44、-45、-46可以；-44、-46、-46可疑；-42、-45、-45短路。 | | >5兆欧（对额定电压低于600V的电机）； >100兆欧（对额定电压高于600V的电机）。 | |
四、结论 电机检测以前我们都是从机械方面着手进行预知维修，本文重点从电机电流和电压信号方面来解决电机故障诊断和分析问题。现场不具备停机条件的电机采用ESA方法进行检测，能停机的电机可以采用MCA方法进行检测。 引用： 电机检测技术----庞若思，美国，2005年出版 电机故障诊断技术----胡立新，北京西马力公司，2006年出版 | 
发表于 2013-3-13 11:08
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发表于 2015-12-4 15:20
