交流感應異步電機振動故障診斷新技術

    交流感應異步電機振動故障診斷是通過對電機軸承振動、定子線圈電流、定子軸向磁通、轉子軸電壓及電流等數據的收集，應用對這些數據的分析技術，掌握電機的狀態，為檢修決策提供可靠依據。
    一.感應電機的振動故障診斷
    1.振動故障診斷技術
    電機軸承處的振動信息可以判定電機的定子或轉子偏心、定子或轉子的鐵芯短路及松動、轉子條或端環缺陷、轉子熱彎曲、電源接頭松動或斷開等故障。
    （1）定子。電機定子故障包括定于偏心、定子鐵芯短路或松動。這些故障均產生2ƒL（ƒL為電源頻率）下的大振動，若切斷電機電源，2ƒL頻率下的振動立即消失。
    （2）轉子偏心。偏心的轉子可在轉子與定子間產生可變氣隙，從而引起脈沖振動（通常振動在聽與轉速的諧波頻率之間人 常需用細化譜分離出所與轉速的諧波頻率。偏心的轉子產生2ƒL及其兩側的ƒP（極通過頻率邊帶）。極通過頻率本身也出現在低頻處。ƒP常見值的范圍在20-120r/min（0.3-2Hz）內，軟地腳或不對中故障造成的殼體變形常會引起氣隙變化。
    （3）轉子。斷裂的轉子條或短路環，轉子條與短路環間接觸不良，或者短路的轉子鐵芯均產生1X轉速頻率的大振動及其兩側極通過頻率邊帶。此外，還可產生二、三、四、五倍轉速諧波頻率兩側的極通過頻率邊帶。轉子條通過頻率（即RBPF，等于轉子條數×轉子轉動頻率）及其諧波頻率兩側的2ƒL邊帶說明轉子條存在松動或脫開情況。轉子條松動和端環間的電弧常顯示出很高幅值的 2RBPF且伴隨2ƒL邊帶，但是 1RBPF頻率的振動幅值不增大。
    （4）電氣相位故障診斷。由于松動或斷裂接頭的相位問題可產生2ƒL頻率下的較大振動，且兩側伴有1／3 ƒL的邊帶。2ƒL處的振動幅值隨時間延續將變得更大。偶爾接觸的故障接頭問題尤為嚴重，必須及時處理。
    （5）轉子熱彎曲故障診斷。電機轉子的熱彎曲主要由電機斷裂轉子條、短路的鐵芯等故障引起，它們在局部產生大量的熱，導致轉子彎曲變形，嚴重者可使轉子與定子碰摩。轉子彎曲將會產生很大的電磁力和不平衡力，生成更多的熱量，使轉子彎曲更為嚴重。
    轉于熱彎曲時，1X轉速頻率的振動幅值隨時間延長而增大，振幅值受定子電流的影響，振動特征類似于轉子不平衡。熱彎曲故障明顯時，同一轉子的兩側軸承軸向1X相位差以及同側軸承軸向的上與下、左與右的相位差均為180°。
    2.感應電機電氣故障診斷
    通過對電機定子電流頻譜、磁通頻譜、軸電壓與電流分析可以診斷定子或轉子故障。
    （1）電流故障診斷
    ①轉子條。當轉子回路出現故障時，在定子電流頻譜圖上，電源頻率兩側將出現一個邊頻帶（±ƒP），轉速的波動使電流以電源頻率為中心，在±ƒP上。下限之間變化。由于電機定子中三次諧波磁通的調制作用，使得轉速和電流波動更加明顯。由基頻與邊頻電流幅值的比值可以推斷斷裂的轉子條數目。
    轉子條故障的嚴重程度與檢修策略可參考夏洛特聯合技術公司的“電動機電流分析嚴重程度和推薦的修正措施表”。
    ②氣隙偏心。氣隙偏心往往會造成振動值超限、定于與轉子碰擦等故障。氣隙偏心分為靜態偏心和動態偏心兩種。靜態偏心是由定子鐵芯的橢圓度或裝配不正確造成的；動態偏心是由轉軸彎曲、軸頸橢圓、臨界轉速時的機械共振及軸承磨損等造成。
    氣隙偏心在定子電流中以諧波形式反映出來，因此其特征頻譜成分可以通過檢測電流頻譜獲得。
    氣隙偏心特征頻率可依照下列公式計算
    式中：為任意整數，靜偏心時， =0；動偏心時，=1、2、3……。為任一整數；s為轉差率，s=1-（n·P）（60·ƒ1），n為電機轉速（r／min），P為電機磁極對數；為奇整數，取1，3，5…。
    根據特征頻率分量大小和變化情況，就可以確定轉子在氣隙中的動態位移值。
    （2）磁通故障診斷
    電機電氣參數的改變將導致轉子或定子線圈磁場的不對稱，并反映在軸向電磁頻譜中。轉子條的狀態可通過分析電源頻率兩側的極通過頻率邊帶得到。從磁通頻譜的低頻可發現電源電壓不平衡、匝間短路等故障。電源電壓不平衡分析是對比其特征頻率的變化情況；匝間短路是通過對比電源頻率兩側轉速頻率邊帶的振幅變化確定的。磁通頻譜的高頻分析可以發現轉子條或定子槽問題，具體而言是分析其通過頻率的邊帶族變化情況。
    （3）軸電壓及電流故障診斷
    轉軸兩端對地的電位差為軸電壓，軸電壓較高往往與電機設計、制造缺陷，各種故障及非正常的電源條件有關。因此，對軸電壓的檢測和分析能發現電機存在的缺陷，并可監視電機鐵芯和繞組的劣化過程，避免軸電壓擊穿軸承油膜，在電機軸頸和軸瓦表面電弧放電而產生蝕點，破壞軸頸和軸瓦的配合。
    二.實例分析
    1.電機轉子條斷裂和端環裂紋故障診斷
    某立式凝結泵是將凝汽器集水井內凝結水輸送至國熱系統的關鍵設備，其 500kw鼠籠式電機的頂部軸承處最大振幅為170μm，額定負荷時線圈溫度高達 115℃，比同負荷下的其它電機線圈溫升高許多。
    （1）電流分析。電機轉速n=1493r/min，磁極數為4，極通過頻率為0.466Hz和50.40Hz。依據夏洛特聯合技術公司的“電機電流分析嚴重程度和推薦的修正措施表”，ƒLƒP=3.11<<32，可以判斷該電機端環存在裂紋或轉子條斷裂情況。
    （2）磁通頻譜分析。電源頻率兩邊出現了電機的極通過頻率，基點磁通值為 110dB，ƒLƒP=2.2<<32，因此可以判斷轉子條或端環存在裂紋或斷裂等嚴重故障。
    （3）振動頻譜分析。2X兩邊出現多族極通過頻率邊帶，1X、3X—5X頻率兩側也出現了極通過頻率邊帶，因此可以判斷電機轉子條或端環存在裂紋或斷裂等嚴重故障。