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电气故障wang

2011年技术报告

异步电动机故障检测与诊断

目录

1.异步电动机故障检测与诊断的意义3

2.异步电动机结构、工作原理3

3.异步电动机的机械故障振动诊断4

3.1转子不平衡产生的机械振动5

3.2滚动轴承异常产生的机械振动5

3.2.1滚动轴承振动异常原因如下：

6

3.2.2轴承故障检测技术和诊断方法6

4.异步电动机的电气故障诊断7

4.1电气问题监测诊断时注意事项：

7

4.2电气问题的分类汇总13

4.2.1定子故障问题13

4.2.2转子偏心14

4.2.3转子其它故障15

4.2.4转子不均匀局部受热引起的轴弯曲16

5．电气故障案例分析16

6．结论18

参考文献：

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1.异步电动机故障检测与诊断的意义

随着现代科学技术的进步和电气化程度的提高，异步电动机作为一种重要的机电产品，已被广泛地应用于工业生产的各个领域，电机发生故障和停止运行，不仅会损坏电机本身，而且会影响整个系统的正常工作，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失。

通过对电机状态的监测和分析，及早发现故障和预防故障的进一步恶化，减少突发事故，及时有效地实现对电动机的预知维修，排除故障，而不致影响生产。

振动是所有设备在运行过程中普遍存在的现象，电机和其它设备一样，在运转过程中都会发生不同程度的振动。

不同类型和规格的电机在它们稳定运行时，振动都有一种典型特性和允许限值。

当电机内部出现故障、零部件出现缺陷、装配和安装情况发生变化时，其振动的幅值、振动形式和频谱成分均会发生变化。

不同的缺陷和故障，其引起振动方式也不同。

因此振动能客观地反映电机的运行状态，对电机的振动进行监测和诊断是掌握其运行状态和发现故障的重要技术手段。

2.异步电动机结构、工作原理

异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，它们之间存在空气隙。

它是靠旋转的定子磁场切割转子导体产生感应电流，此旋转磁场又对转子感应电流作用而带动转子转动，从而实现机电能量的转换。

当电动机定子对称三相绕组通入顺序三相电流时，电动机内部就产生一个旋转磁场。

3.异步电动机的机械故障振动诊断

机械故障主要指转子不平衡产生的机械振动与滚动轴承异常产生的机械振动。

3.1转子不平衡产生的机械振动

转子不平衡包括转子的质量偏心及转子零部件出现缺损，是旋转机械中最常见的一种故障形式。

转子质量偏心是由于加工安装误差、材质不均等原因造成的，称为初始不平衡。

转子部件缺损是指转子在运行中由于磨损、腐蚀、灰尘堆积等原因造成的。

出现此类故障时，电机会产生强烈的振动与噪声，严重影响轴承的工作状态，加速轴承及有关零件的磨损。

转子不平衡时使电机产生旋转离心力，电机运行变得不稳定了，因而产生机械振动。

其大小与偏心质量、偏心距及旋转角速度的平方成正比。

转子不平衡造成的机械性振动具有如下的特征，

3.1.1振动频率和转速频率相等；即1X（一倍频）较大。

3.1.2振动值随着转速增高而加大，但与电机负载无关。

3.1.3振动值以径向为最大，轴向很小。

3.2滚动轴承异常产生的机械振动

电机转子在前后两端由轴承支撑，大多为滚动轴承。

一般对于卧式电机，轴承主要承受径向力，通常采用球轴承，对于立式电机，轴承还要承受轴向力，通常采用推力轴承。

轴承内圈与转子高速运转，承受较大的载荷。

滚动轴承结构示意图

3.2.1滚动轴承振动异常原因如下：

3.2.1.1轴承各零部件损坏。

滚动轴承工作过程中，零件表面常出现点蚀、剥落、磨损、腐蚀、胶合等故障。

出现这些故障时，与轴承接触的其它元件表面产生周期性振动，此振动以一定的频率表现出来，该频率称为轴承元件工作时的故障特征频率，可通过轴承的几何尺寸和电机转速求得。

轴承故障能使振动加剧，导致振动超标，是电机常见的振动源。

3.2.1.2，不对中。

可能是轴承与轴不对中，也可能是电机两侧的轴承不对中，联轴节与电机轴也有可能不对中。

不对中通常产生较大的2X、3X成分，有时也可能产生较大的轴向振动。

具体判断还要结合其它方面的数据。

3.2.1.3部件松动。

轴承等部件配合松动，轴承座松动，结构框架或底座松动。

常常出现高次谐频或是半频。

3.2.1.4轴弯曲。

振动特征类似动不平衡，振动以1X为主；如果弯曲靠近联轴节，也可产生2X振动。

3.2.2轴承故障检测技术和诊断方法

3.2.2.1低频信号接收法。

就是将轴承上由传感器检测到的宽频带信号直接进行频谱分析，或者信号经过低通滤波（保留一千赫兹以内），去除高频成分后再作频谱分析。

3.2.2.2峰值能量法。

是利用加速度传感器在一预定的高频范围内检测振动能量。

在这一高频范围内，机械冲击能量会激起加速度传感器以及机器结构的自振频率。

这些响应频率作为载波频率与滚动轴承的故障频率调制，由此冲击引起的信号能由加速度传感器测量并且由独特的过滤和检波电路加以处理，信号测量的大小表示为“gSE”.

3.2.2.3趋势分析对比法。

根据某一设备某一点在某一时间段内的数据，判断轴承运转状态，故障发展方向，发展阶段，是设备固有的共性特征，还是偶发现象，是否和设备的结构有关

通常这些方法结合使用，不应该单方面的着重某一方面。

4.异步电动机的电气故障诊断

许多人对用振动牲信号分析，不仅能检测机械问题，还能检测电气问题感到惊奇。

实际上电机的轴承支承的力不只包括机械原因产生的力，也包括电气本身产生的力，电动机内的磁场产生磁通量，磁通量产生电磁力。

通过细化谱分析可以区分故障是由电气原因产生的，亦或是机械原因产生的。

用振动分析可以检测以下电气故障：

定子偏心，短路的铁芯片和松动的铁芯；

转子偏心（可变的气隙）；

转子故障（断的或裂的转子条或短路环，短路的转子铁芯片，松动的转子条等）；

转子的不均匀的局部受热造成的转子热弯曲。

4.1电气问题监测诊断时注意事项：

4.1.1电气故障应该在电机满负荷下进行监测。

如果怀疑电气故障问题，那么应该在电动机满负荷下进行监测诊断，这一点很重要，因为按照有关参考文献，电磁力本身随定子电流的平方变化而变化。

证明有电气故障问题的电动机，往往在空载时（与被驱动的机器不连接），不产生表示故障症兆的振动特征信号。

机器承载时，便出现明显的症兆，因为负载后定子电流发生了变化。

4.1.2电气故障频谱特征。

所有检测的电气故障问题，大部分故障频率都是在2倍电源频率处，因为转子条旋转一周，所受的磁场力由小到大变化两次。

中国的电源频率，即基频是50Hz，2倍电源频率就是100Hz处。

4.1.3细化谱。

一般来说，在设备的日常巡检和故障诊断中，对设备的振动数据采集时，按常规采集定义设置频谱的频带宽1000Hz，400条谱线数就可以了。

对于所需要了解的转速半倍频、l倍频、2倍频、多倍频以及滚动轴承机械故障特征频率都能在常规频谱图上反映出来，每条谱线分辩率为：

2.5Hz/每条谱线。

但对于电机来说，大部分电气故障的频率成分反映在电源频率的2倍频即100Hz，而绝大部分电机的实际转速在2985r／min左右，它的转速2倍频为99.5Hz左右，和电源2倍频非常接近，只相差0.5Hz左右，所以在常规频谱图上，很难分辨出是转速2倍频还是电源2倍频。

而且电气故障的精密诊断还要通过转速的倍频及其他特征频率的边带来分析，要求频率分辨率达到20～120转／条谱线数。

而常规谱图（频带宽1000Hz、400条谱线数）的频率分辨率只有1000×60／400=150转／条谱线数，这样的频谱分辨率较低，这就需要利用频谱细化来进行分析。

通常我们都是250Hz频谱范围设成3200线，也可以根据需要设更多的线或减少。

在对电气故障频谱作细化分析时，都应该采用细化谱，而不采用线性幅值。

如果不采用对数幅值，可能很容易丢失环绕在1X转速频率、电源频率、2X电源频率尖峰两侧的极通过频率边带，虽然这些极通过频率边带幅值很小，但是它们却是表示潜在电气故障问题的信号。

4.1.4电气问题相关术语

Fl：

电源频率，中国为50Hz

Ns：

无滑差的同步转速3000转/分

RPM：

电机的实际转速，如2975转/分，与电源频率不同步。

P：

极的数目，通常电机的极为2极

Fs：

滑差频率，=Ns-RPM=3000-2975=25转/分

（如果电机的实际转速为2975转/分，无滑差频率为3000转/分）

Fp：

极通过频率=P（极的数目）*Fs（滑差频率）=2*25=50转/分

极通过频率是表示存在电气故障问题的一个关键边带频率

4.1.5举例说明细化谱与常规谱区别

如下图为气分泵304A正常监测图谱，设定的为400线，1000Hz。

从图中可看出2X频处峰值较大，因为分辩率较低，分不清该点是2X电源频率，还是2倍电机转速频率，所以就分不清是电气问题还是轴承对中问题。

参看细化谱图，设定为250Hz，3200线，因为分辩率较高，经过局部放大，很明显的可以看出峰值处为（99.9Hz,5.98mm/s）,很明显不是电气故障，要从轴承对中上找振动原因。

该图为二加氢罐区P-101/1电机正常监测图谱，设定的为400线，1000Hz。

从图中可看出2X频处峰值较大，因为分辩率较低，分不清该点是2X电源频率，还是2倍电机转速频率。

再参看细化谱图，设定为250Hz，3200线，经过对100Hz处局部放大，可以看出二倍频峰值处为（100Hz,2.96mm/s）,对应的是电源频率，但是数值不大，应加强观察，注意趋势走向。

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4.2电气问题的分类汇总

4.2.1定子故障问题

用振动分析可检测的定子故障问题包括：

⏹定子偏心（偏心的定子在转子与定子之间产生一个静止的不均匀气隙）；

⏹短路的铁芯片（铁芯片层的绝缘问题，它可以引起局部发热）；

⏹松动的铁芯。

这些故障呈现如下特征：

4.2.1.1所有这些定子故障都在2X电源频率处产生的较大的振动。

但是，它们未必产生极通过频率边带，因为它的源在定子内，因此它们不被转速频率或滑差频率所调制。

4.2.1.2定子偏心，在转子与定子之间产生一个静止的不均匀的气隙，产生非常定向的振动，与最大气隙差有关。

在转子与定子的最小气隙处出现最大电磁力。

因此，电磁力本身每转一圈从最小到最大产生电源频率两倍的振动。

4.2.1.3对于交流感应电动机，气隙差不应该超过5%；对于同步电动机，不超过10%。

如果两倍电源频率处振动额外增大，则应在定子和转子上分别作一个标记，，然后在定子与转子的标记对准的情况下测量气隙，每转动转子45º，测量定子标记处的气隙。

如果气隙超过5%，则气隙差是由于偏心的转子造成的。

下一步是再每转动转子45º，测量转子标记处气隙，气隙变化超过5%，则说明是定子偏心造成的。

4.2.1.4定子铁芯片短路可引起不均匀的局部发热，它实际上使定子畸变，引起定子偏心故障。

这就产生热弯曲，并且随着运转时间延长明显增大，有时也会引起定子与转子相接触。

4.2.2转子偏心

转子偏心，转子本身与其中心线不同心，因此，在转子与定子之间产生不均匀的气隙，这个不均匀的气隙与转子一起旋转；铁芯片短路导致局部发热，引起转子弯曲也，从而使转子偏心。

转子偏心呈现如下特征：

4.2.2.1偏心的转子往往在电源频率两倍（2X）处产生大的振动，并且伴有极通过频率的边带（极通过频率=极数*滑差频率）

4.2.2.2当在两倍电源频率两侧发现极通过频率边带时，如果数值不大，在以后的定期监测中仔细进行趋势观察，并加密监测频率。

如果两倍电源频率极边带值明显增大，尤其是2X电源频率两侧的边带增多时，则就建议维修或是密切关注；如果在若干次的监测中，这些频率数值均无明显增大现象，保持稳定，则电机没有进一步的损坏，不必维修，继续观察。

4.2.2.3当偏心的转子温度升高时，随着运转时间的延长，振动幅值会愈来愈大，因为转子一侧相对于另一侧不均匀的发热引起转子弯曲，如果不修正，弯曲程度加剧，从而导致事故。

4.2.3转子其它故障

包括：

●转子条或短路环的断或裂

●转子条与短路环之间高阻接头损坏。

●转子芯片短路

这些故障常常呈现如下特征：

4.2.3.1这些故障在刚开始时，常常在1X转速频率两侧产生极通过频率（二极电动机为2倍的滑差频率，即2*（3000-2985）/60=0.5Hz）；和机械松动的特征很相似，但随着故障程度的增加，在2X，3X转速频率两侧也产生极通过频率；在细化谱下确定这些谱值并计算，如果边带频率与极通过频率接近，那就很可能是电气故障了。

如果断了多根转子条，那么可能在更高阶转速频率两侧发现极通过频率，所以在低频区发现故障频率后，最好再进行高频区的监测。

4.2.3.2出现这些故障时，极通过频率虽然存在，但是幅值可能不是最大值，而是2X电源频率最大。

一些资料表明，这些测量最好在水平方向上进行。

4.2.4转子不均匀局部受热引起的轴弯曲

如果邻近的若干转子的铁芯片一起短路，转子会发生严重的不均匀局部受热。

短路的铁芯片中明显的大电涡流和滞后损失会产生这种热量；断裂的转子条也可产生大热量，使转子局部受热。

局部受热可使转子弯曲，轴越弯曲愈产生大的电磁力和不平衡力，这些力产生更多的热量，这些热量使轴愈弯曲，产生更多的热量，恶性循环。

热弯曲有如下特征：

4.2.4.1转子出现热弯曲时，第一次启动机器后，1X转速频率的振动幅值将随着时间延长持续增大，因为热弯曲本身在增大。

它的频谱特征类似于不平衡，但是做动平衡又没有效果。

4.2.4.2热弯曲增大时，振动频谱有时相似于转子偏心，在2X电源频率处幅值较大，并伴有滑差频率边带。

4.2.4.3热弯曲故障变得明显时，内外侧轴承之间轴向方向的相位将接近180º，类似于轴弯曲。

4.2.4.4有时可用红外热相仪确定局部受热的热点位置，有利于维修。

5．电气故障案例分析

如图为一台机泵的电机常规图谱，该泵电机端振动值偏大，噪声较大，检修人员对机组联轴节重新进行了对中检修，并更换了两端轴承，振动幅值及噪声均未改善，频谱反映的能量主要集中在100Hz处，达到5.87mm/s，同时还有1倍频、3倍频、多倍频等分量。

该电机有关参数如下：

电机同步转速：

Ns=3000r/min电源频率：

Fl=50Hz

电机实际转速：

Nm=2978r/min转速频率：

Fm=49.63Hz

滑差频率：

Fs=（Ns-Nm）/60=0.37Hz

极对数：

P=2

极通过频率Fp：

=P（极的数目）*Fs（滑差频率）=2*0.37=0.74Hz

该电机的实际转速为2978r/min，转速频率为49.63Hz，转速的二倍频率为99.25Hz；而电源的2倍频率是100Hz。

如果把该频谱的能量作为转速2倍频率来考虑，振源就可能是联轴器对中不好，或者电机轴承安装偏心等。

但如果把该频谱的能量作为电源2倍频率来考虑的话，那振源就是来自电气方面的，要从转子、定子偏心、和气隙不均匀等方面来分析。

为了能够准确地找出电机故障，有必要对振动频谱进行细化分析。

如下图为100Hz处的局部细化放大图。

从上图可以看出：

2倍电源频率（100Hz）分量为5.87mm/s，100.75Hz是右边的一条边带，为极通过频率，99.25Hz分量为1.74mm/s，为左侧极通过频率与2倍转速频率的重合点，98.25Hz为极通过频率的谐频，频谱图显示数值大体与通过电机给定参数计算出的极通过频率相对应，初步判断该电机故障主要在电气方面，而且由于有明显的极通过频率，可以排除定子故障，应该为转子故障，为转子偏心或转子弯曲。

6．结论

频谱细化方法是一种成熟可行的电机振动故障诊断方法，在电机故障诊断中具有非常重要的地位，是一种比较容易掌握的振动分析法，该振动分析法在电机故障诊断中具有较强的针对性及准确性，在设备故障诊断中能够比较快速地找出问题所在，有效地避免了在电机振动诊断中出现盲目性及不准确性。

参考文献：

[1]《振动故障分析与诊断》选自《恩泰克爱迪公司内部培训资料》

[2]《基于振动信号的异步电动机故障诊断》作者：

杨志伊，李浩平，选自《太原理工大学硕士研究生学位论文》。

[3]《电机设备故障检测原理及诊断方法初探》作者：

叶芳，白雪莲。

[4]《大型电机的状态监测及故障诊断技术》作者：

刘立，武鑫，选自《电工技术》。

[5]《异步电动机定子绕组匝间短路故障检测新方法》作者：

李和明，孙丽玲，许伯强，孙俊忠。

选自《中国电机工程学报》。

[6]《异步电动机定子绕组匝间短路故障检测方法研究》作者：

许伯强，李和明，王永宁。

选自《中国电机工程学报》

[7]《异步电机断条故障诊断的细化包络方法》作者：

时献江，张春喜，邵俊鹏。

选自《电机与控制学报》

[8]《基于小波变换的频谱细化方法在电动机故障检测中的应用》作者：

曹豫宁李永丽梅云，李斌。

选自《继电器》。

[9]《频谱细化在电机振动故障诊断中的应用》作者：

王祖珍，选自《诊断技术》。

[10]《信号特征提取技术及其在电机故障检测中的应用》作者：

周慧寰。

选自《华北电力大学硕士学位论文集》。

[11]《电机故障检测管理系统上位机软件设计》作者：

刘厚军，周长义，杨梅，李中伟，佟为明，卢雷选自《节能技术》

[12]《基于HHT变换的电机故障诊断研究》作者：

周粉利。

选自《武汉科技大学硕士学位论文集》。

[13]《变频电源笼型异步电机断条故障诊断仿真》作者：

罗铭，刘振兴，黄菲。

选自《电机与控制学报》。

[14]《功率频谱分析在电机故障诊断中的应用》作者：

夏钽，关泽群。

选自《兵工自动化》。

[15]《氯气离心式压缩机电机的状态监测与故障诊断》作者：

胡万明。

选自《氯碱工业》。