電機故障診斷技術與應用

電機故障診斷技術與應用第一頁，共47頁。電機故障診斷技術與應用第二頁，共47頁。何為電機系統?電機系統結構圖交流電源ProcessMechanicalandElectricalFeedback電機驅動系統機械系統1200rpm第三頁，共47頁。根據EPRI的報告：電機故障的53%源于機械原因，如軸承故障、不平衡、松動等；

47%源于電氣原因；這其中，10%源于轉子，如鑄件缺陷導致的不平衡氣隙、斷條等；

37%源于定子繞組。

電機故障源于何處？第四頁，共47頁。引起故障的外在因素第五頁，共47頁。一、電機故障診斷的多種途徑

電壓表安培表功率表數據采集器電源質量分析儀動態(tài)效率儀動態(tài)電機電流分析MCSA動態(tài)電氣測試DET

紅外分析振動分析超聲診斷動態(tài)機械測試DMT

歐姆表/毫歐表絕緣電阻計（吸收比/極化指數）高壓絕緣測試儀

LCR測試儀浪涌測試儀靜態(tài)電機電路分析（MCA）靜態(tài)電氣測試SET第六頁，共47頁。電機檢測的誤區(qū)！

認為三相平衡是電阻值的平衡是錯誤的；運行中三相電流的平衡與否要看三相阻抗是否平衡；匝間短路的發(fā)展與阻值的降低不成正比！

搖表就可解決問題——錯誤！電橋可以檢測到匝間短路——錯誤！對地絕緣問題僅占電機系統故障中5%以下使用匝間耐壓試驗儀？

破壞性試驗；波形復雜，難以分析；有些匝間短路的情況在波形上無反映;

設備笨重。第七頁，共47頁。二、MCA診斷技術原理MCA基本原理將電機看成是包含電阻、電感、電容的復雜電路。電阻R電感L電容C相角Fi阻抗Z2=R2+(XL-

XC)2電機繞組的重要參數包括：定子轉子第八頁，共47頁。簡單的電阻測試不能解決匝間短路、轉子問題。交流電機真正的三相平衡是阻抗

與相角

的平衡。第九頁，共47頁。阻抗的平衡測試解決以下問題：轉子故障：鑄件缺陷、氣隙不均衡、偏心、斷條斷環(huán)；定子繞組故障：匝間、線間（層間）、相間短路；絕緣缺陷（將磁通集中點轉向至缺陷點）。MCA技術的核心——阻抗測試第十頁，共47頁。對于某相繞組，測試頻率加倍前后，看電流的變化：倍頻測試值I/F，即頻率加倍的變化率：純電感電路：I/F-50%即電流減少一半純電阻電路：I/F-0%即電流不變純電容電路：I/F100%即電流增加一倍

MCA技術的核心——I/F倍頻測試I/F=ΔIII2－II=×100%UR2+(ωL-)2I=

1ωCUR2

+(2ωL-

)2I

頻率加倍

=12ωC第十一頁，共47頁。最初:無匝間短路發(fā)生，ωL>>R，類似“純電感電路”；I/F趨近于-50%最后:匝間短路嚴重，L失效，僅剩少量R，類似“純電阻電路”：I/F趨近于-0%

匝間短路的發(fā)展趨勢是I/F值從-50%向-0%

三相I/F值的比較可輕易診斷匝間短路的位置與程度！例如：-44，-44，-44，完好

-42，-43，-44，良好

-40，-44，-43，短路發(fā)生，差！第十二頁，共47頁。AT31測試范例更新換代的新產品三、診斷與實例第十三頁，共47頁。AT4測試范例第十四頁，共47頁。

以上標準已經美國能源部及IEEE的15年考核，被認為阻抗測試較直阻R的測試更精確，I/F用于評估故障源于定子還是轉子，且能夠診斷早期匝間短路等故障。如今這一標準已成為美能源部推薦的電機質量評判依據。電機診斷的國際標準第十五頁，共47頁。定子繞組定子鐵芯轉子軸承風扇繞組短路相角Fi與I/F接頭松動電阻R繞組污染或過熱電感L與阻抗Z轉子狀態(tài)與細化分析電感或阻抗波形第十六頁，共47頁。相角與I/F：Fi與I/F>+/-2——同相、同繞組的匝間短路Fi>+/-1,I/F平衡——同相繞組中的線圈間短路（層間短路）Fi平衡,I/F>+/-2——相間短路此結論與電機大小無關電阻~+/-5%精確區(qū)分匝間/層間/相間故障匝間線間相間IEEEPENROSE定理第十七頁，共47頁。將轉子一周看成時鐘的12等分，在每個位置分別測試每相的電感量L，利用Exel得出以下圖形，反映轉子的故障類型：鑄造缺陷或斷條；精密分析轉子電磁特性轉子完好鑄造缺陷導致不平衡氣隙第十八頁，共47頁。3000hpAlternator交流電機的轉子電磁特性靜態(tài)測試斷條！第十九頁，共47頁。三相相角Fi與I/F不平衡，電機仍在運行，但隨時會發(fā)生停機事故。測試結果反映出定子繞組的故障（匝間短路）。

T1-T2T1-T3T2-T3偏差R0.9541.0540.96510%Z52965646%L20192214%相角Fi8083855I/F-44-39-395絕緣99M

第二十頁，共47頁。300KW,3600RPM連續(xù)多次發(fā)生軸承失效；存在鑄造缺陷，同時存在偏心，最大的可能是軸套定位偏差。第二十一頁，共47頁。例三：

轉子斷條振動分析、電流分析檢測，都因信號太弱而沒有發(fā)現問題。R、Fi、I/F均無大的偏差，而Z、L偏差很大，轉子測試發(fā)現斷條。三相電感圓周分布圖第二十二頁，共47頁。直流電機測試可進一步檢測換向器第二十三頁，共47頁。例四：

410KW直流機車牽引電機電樞污染新電機大面積短路第二十四頁，共47頁。電阻R:5%（>0.250

）

7.5%（<0.250）阻抗Z：5%電感L：5%相角Fi：+/-1度I/F：+/-2與原始數據的偏差應格外注意IEEE

變壓器診斷標準（三相偏差）第二十五頁，共47頁。8-9使用時間，噪音很大例五：

150KVA干式變壓器第二十六頁，共47頁。例六：絕緣降低且輕微匝間短路的變壓器第二十七頁，共47頁。建立數據庫管理，實現趨勢分析與預測第二十八頁，共47頁。EMCAT專家診斷第二十九頁，共47頁。IEEE推薦的電機狀態(tài)監(jiān)測時間間隔：預知維修與監(jiān)測進程第三十頁，共47頁。四、MCSA電機電流信號分析技術第三十一頁，共47頁。電流頻譜分析

傳送帶通過頻率扇葉通過頻率齒輪嚙合頻率軸承故障頻率傳送帶拍頻電源故障

轉頻定子槽頻轉子條頻電機電氣故障電機機械故障

高次諧波第三十二頁，共47頁。轉子裂條鑄造缺陷或軟齒電流譜分析——轉子故障第三十三頁，共47頁。電流譜分析——偏心±150Hz±50HzCF=973.2Hz±150Hz±50Hz±24.33Hz靜態(tài)偏心動態(tài)偏心第三十四頁，共47頁。電流譜分析——軸承故障NTN6305BrgBPOR=4.394BPIR=2.6062×BSF=0.372FTF=1.831×2×3×4×BPOR106.9213.8320.7427.6BPIR63.4126.8190.2253.62×BSF9.0518.127.1536.2FTF44.589.0133.6178.1±50Hz320.7Hz427.6Hz外環(huán)故障第三十五頁，共47頁。電流譜分析——潛水泵電機靜、動態(tài)偏心，多重諧波峰，同時存在較高的噪聲帶轉子磨碰第三十六頁，共47頁。電流譜分析——直流電機多重電源諧波+多重觸發(fā)諧波CSR故障或觸發(fā)斷路第三十七頁，共47頁。電流譜分析——同步電機轉子勵磁繞阻故障低頻段：電源頻率LF(50Hz)的多重邊頻高頻段：動態(tài)偏心第三十八頁，共47頁。電流譜分析——變頻裝置變頻裝置故障波形、低頻段、高頻段第三十九頁，共47頁。電流譜分析——沖床10秒內的三次沖壓過程，B點存在問題磨碰或過阻尼第四十頁，共47頁。MCSA參量分析第四十一頁，共47頁。轉子RSL評判

RSL轉子狀態(tài)應對措施1極佳無2好無3小問題繼續(xù)監(jiān)測4轉子條裂紋發(fā)展或存在條間高阻增加監(jiān)測頻率5單條或兩條裂紋，產生高阻增加監(jiān)測頻率，測振動6多條裂紋或存在斷條與斷環(huán)盡快檢修7存在多處斷條或斷環(huán)立即檢修或更換第四十二頁，共47頁。電流（I）參量分析參量數值分析

變壓器諧波衰減因子（THDF）97.5%—105%OK，波形為正弦<97.5%存在沖擊，電源須核查>105%存在削波，電源須核查電流偏差ΔI<2%OK2—3%注意3—5%注意溫升與振動，應加以檢查5—10%應停機檢查，否則將產生過熱及更嚴重后果>10%必須停機峰值因子CF<1.35存在削波，電源須核查>1.45存在沖擊及尖峰，電源須核查1.35—1.45OK，波形為正弦第四十三頁，共47頁。電壓（V）參量分析參量數值分析

電壓偏差因子VDF<75%須停機相電壓>1.06倍額定電壓存在沖擊，電源須核查<0.875倍額定電壓存在衰減，電源須核查相電壓峰值>1.5倍額定電壓存在尖峰，電源須核查三相平均電壓

>1.06倍額定電壓超出最大允許值，存在沖擊，電源須核查<0.875倍額定電壓低于最小允許值，存在衰減，電源須核查峰值因子CF<1.35存在削波，電源須核查>1.45存在沖擊及尖峰，電源須核查1.35—1.45OK三相電壓平衡

>3%應核查>5%須停機第四十四頁，共47頁。諧波失真（THD）參量分析THD<5%OK，無諧波失真

奇波THD>5%可能出現3或5次強諧波:3次——較大不平衡電流及零線電流，可能源于供電電源，導致定子繞組過熱；5次——疊加在基波上產生擾動的非線性波形。

正序諧波（+veseq：4，7，10……）>5%速度上升，同時存在溫升。

逆序諧波（-veseq：2，5，8……）>5%阻尼加大，導致過熱，基波必須增長以抵消，從而引發(fā)軸承、耦合、轉子等多種故障。零序諧波（0seq：3，6，9……）>5%繞組發(fā)熱，不會影響轉動或扭矩；星型系統：產生大量非線性負荷，零線電流劇增，由于相保護斷路器不動作而導致過熱；角型系統：零序諧波電流產生回路，導致發(fā)熱，增加電流負荷，導致斷路器動作。第四十五頁，共47頁。供電電壓參量分析供電電壓低于額定

-15%—0效率變化：–4.5%—0工作電流：+7%—0