电机故障诊断技术与应用

BMA INSTRUMENT,电机,MCA,诊断技术应用,电机故障诊断技术与应用,何为电机系统 ?,电机系统结构图,交流电源,Process Mechanical and Electrical Feedback,电机驱动系统,机械系统,1200 rpm,根据,EPRI,的报告：,电机故障的,53%,源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等；,47%,源于电气原因；,这其中，,10%,源于转子，如铸件缺陷导致的不平衡气隙、断条等；,37%,源于定子绕组。,电机故障源于何处？,引起故障的外在因素,一、电机故障诊断的多种途径,电压表,安培表,功率表,数据采集器,电源质量分析仪,动态效率仪,动态电机电流分析,MCSA,动态电气测试,DET,红外分析,振动分析,超声诊断,动态机械测试,DMT,欧姆表,/,毫欧表,绝缘电阻计（吸收比,/,极化指数）,高压绝缘测试仪,LCR,测试仪,浪涌测试仪,静态电机电路分析（,MCA）,静态电气测试,SET,电机检测的误区！,认为三相平衡是电阻值的平衡是错误的；,运行中三相电流的平衡与否要看三相阻抗是否平衡；,匝间短路的发展与阻值的降低不成正比！,摇表就可解决问题,错误！,电桥可以检测到匝间短路,错误！,对地绝缘问题仅占电机系统故障中,5%,以下,使用匝间耐压试验仪？,破坏性试验；,波形复杂，难以分析；,有些匝间短路的情况在波形上无反映;,设备笨重。,二、,MCA,诊断技术原理,MCA,基本原理将电机看成是包含电阻、电感、电容的复杂电路。,电阻,R,电感,L,电容,C,相角,Fi,阻抗,Z,2,= R,2,+ ( X,L,-,X,C,),2,电机绕组的重要参数包括：,定子,转子,简单的电阻测试不能解决匝间短路、转子问题。,交流电机真正的三相平衡是,阻抗,与,相角,的平衡。,阻抗 的平衡测试解决以下问题,：,转子故障：铸件缺陷、气隙不均衡、偏心、断条断环；,定子绕组故障：匝间、线间（层间）、相间短路；绝缘缺陷（将磁通集中点转向至缺陷点）。,MCA,技术的核心,阻抗测试,对于某相绕组，测试频率加倍前后，看电流的变化：,倍频测试值,I/F，,即频率加倍的变化率：,纯电感电路：,I/F,- 50%,即电流减少一半,纯电阻电路：,I/F,- 0%,即电流不变,纯电容电路：,I/F 100%,即电流增加一倍,MCA,技术的核心,I/F,倍频测试,I/F =,I,I,I,2,I,I,=,100%,U,R,2,+ (,L,-,),2,I,=,1,C,U,R,2,+ (,2,L,-,),2,I,频率加倍,=,1,2,C,最初,:,无匝间短路发生，,LR，,类似“纯电感电路”；,I/F,趋近于 - 50%,最后,:,匝间短路严重，,L,失效，仅剩少量,R，,类似“纯电阻电路”：,I/F,趋近于 - 0%,匝间短路的发展趋势是,I/F,值从 -50%向 -0%,三相,I/F,值的比较可轻易诊断匝间短路的位置与程度！,例如： -44，-44，-44，完好,-42，-43，-44，良好,-40，-44，-43，短路发生，差！,AT31,测试范例,更新换代的新产品,三、诊断与实例,AT4,测试范例,以上标准已经,美国能源部,及,IEEE,的15年考核，被认为阻抗测试较直阻,R,的测试更精确，,I/F,用于评估故障源于定子还是转子，且能够诊断早期匝间短路等故障。如今这一标准已成为美能源部推荐的电机质量评判依据。,电机诊断的国际标准,快速诊断各类故障,定子绕组,定子铁芯,转子,轴承,风扇,绕组短路,相角,Fi,与,I/F,接头松动,电阻,R,绕组污染或过热,电感,L,与 阻抗,Z,转子状态与细化分析,电感或阻抗波形,相角 与,I/F ：,Fi,与,I/F +/- 2 ,同相、同绕组的匝间短路,Fi, +/- 1, I/F,平衡,同相绕组中的线圈间短路（层间短路）,Fi,平衡,I/F +/- 2 ,相间短路,此结论与电机大小无关,电阻, +/- 5%,精确区分匝间/层间/相间故障,匝间,线间,相间,IEEE PENROSE,定理,将转子一周看成时钟的,12,等分，在每个位置分别测试每相的电感量,L，,利用,Exel,得出以下图形，,反映转子的故障类型：铸造缺陷或断条；,精密分析转子电磁特性,转子完好,铸造缺陷导致不平衡气隙,Basic Data Interpretation,3000 hp Alternator,交流电机的转子电磁特性静态测试,断条！,例一：,11,KW,交流电机,三相相角,Fi,与,I/F,不平衡，电机仍在运行，但随时会发生停机事故。,测试结果反映出定子绕组的故障（匝间短路）。,T1-T2,T1-T3,T2-T3,偏差,R,0.954,1.054,0.965,10%,Z,52,96,56,46%,L,20,19,22,14%,相角,Fi,80,83,85,5,I/F,-44,-39,-39,5,绝缘,99,M,例二：,300,KW,电机多次轴承失效,300,KW, 3600 RPM,连续多次发生轴承失效；,存在铸造缺陷，同时存在偏心，最大的可能是轴套定位偏差。,例三：,转子断条,振动分析、电流分析检测，都因信号太弱而没有发现问题。,R、Fi、I/F,均无大的偏差，,而,Z、L,偏差很大，转子测试发现断条。,三相电感圆周分布图,直流电机测试,可进一步检测换向器,例四：,410,KW,直流机车牵引电机,电枢污染,新电机,大面积短路,电阻,R: 5%（0.250,）,7.5%（0.250,）,阻抗,Z： 5%,电感,L： 5%,相角,Fi： +/- 1,度,I/F ： +/- 2,与原始数据的偏差应格外注意,IEEE,变压器诊断标准（三相偏差）,8-9,使用时间，噪音很大,例五,：,150KVA,干式变压器,例六：,绝缘降低且轻微匝间短路的,变压器,建立数据库管理，实现趋势分析与预测,EMCAT,专家诊断,IEEE,推荐的电机状态监测时间间隔：,预知维修与监测进程,四、,MCSA,电机电流信号分析技术,电流,频谱分析,传送带通过频率,扇叶通过频率,齿轮啮合频率,轴承故障频率,传送带拍频,电源故障,转频,定子槽频,转子条频,电机电气故障,电机机械故障,高次谐波,转子裂条,铸造缺陷或软齿,电流谱分析转子故障,电流谱分析偏心,150,Hz, 50,Hz,CF=973.2Hz,150,Hz, 50,Hz, 24.33,Hz,静态偏心,动态偏心,电流谱分析轴承故障,NTN 6305,Brg,BPOR=4.394,BPIR=2.606,2,BSF=0.372,FTF=1.83,1,2,3,4,BPOR,106.9,213.8,320.7,427.6,BPIR,63.4,126.8,190.2,253.6,2,BSF,9.05,18.1,27.15,36.2,FTF,44.5,89.0,133.6,178.1, 50,Hz,320.7Hz,427.6Hz,外环故障,电流谱分析潜水泵电机,静、动态偏心，多重谐波峰，同时存在较高的噪声带,转子磨碰,电流谱分析直流电机,多重电源谐波 + 多重触发谐波,CSR,故障,或触发断路,电流谱分析同步电机,转子励磁绕阻故障,低频段：电源频率,LF(50Hz),的多重边频,高频段：动态偏心,电流谱分析变频装置,变频装置故障,波形、低频段、高频段,电流谱分析冲床,10秒内的三次冲压过程，,B,点存在问题,磨碰,或过阻尼,MCSA,参量分析,转子,RSL,评判,RSL,转子状态,应对措施,1,极佳,无,2,好,无,3,小问题,继续监测,4,转子条裂纹发展或存在条间高阻,增加监测频率,5,单条或两条裂纹，产生高阻,增加监测频率，测振动,6,多条裂纹或存在断条与断环,尽快检修,7,存在多处断条或断环,立即检修或更换,电流（,I）,参量分析,参量,数值,分析,变压器,谐波衰减因子,（,THDF）,97.5%105%,OK，,波形为正弦,105%,存在削波，电源须核查,电流偏差,I,10%,必须停机,峰值因子,CF,1.45,存在冲击及尖峰，电源须核查,1.351.45,OK，,波形为正弦,电压（,V,）,参量分析,参量,数值,分析,电压偏差因子,VDF,1.06倍额定电压,存在冲击，电源须核查,1.5倍额定电压,存在尖峰，电源须核查,三相平均电压,1.06倍额定电压,超出最大允许值，存在冲击，电源须核查,0.875倍额定电压,低于最小允许值，存在衰减，电源须核查,峰值因子,CF,1.45,存在冲击及尖峰，电源须核查,1.351.45,OK,三相电压平衡,3%,应核查,5%,须停机,谐波失真（,THD,）,参量分析,THD 5%,可能出现3或5次强谐波:,3次较大不平衡电流及零线电流，可能源于,供电电源，导致定子绕组过热；,5,次叠加在基波上产生扰动的非线性波形。,正序谐波（+,ve seq,：4，7，10）5%,速度上升，同时存在温升。,逆序谐波（-,ve seq,：2，5，8）5%,阻尼加大，导致过热，基波必须增长以抵消，从而引发轴承、耦合、转子等多种故障。,零序谐波（0,seq,：3，6，9）5%,绕组发热，不会影响转动或扭矩；,星型系统：产生大量非线性负荷，零线电流剧增，由于相保护断路器不动作而导致过热；,角型系统：零序谐波电流产生回路，导致发热，增加电流负荷，导致断路器动作。,供电电压,参量分析,供电电压低于额定,-15% 0,效率变化：4.5% 0,工作电流：+7% 0,转 速：-0.2% 0,启动转矩、最大转矩、过载能力：,-30% 0,启动电流及温升：-15% 0,供电电压高于额定,0 +15%,效率变化：0 2%,工作电流：0 +4%,转 速：0 +0.2%,启动转矩、最大转矩、过载能力：,0 +30%,启动电流及温升： 0 +15%,全文完,