交流感应异步电动机故障诊断

交流感应异步电机的故障诊断Diagnosis of fault on Induction Motor杨瑞（山东邹县发电厂邹县273522）摘要：本文讨论了交流感应异步电机的故障机理、特点，并详细地介绍了电机的振动分析技术、电流分析技术、磁通分析技术、轴电压电流分析技术等诊断技术。

A bstract:y.关键词：电机故障诊断Key words: motor fault diagnose0、引言交流感应异步电机的故障诊断是通过对电机定子线圈电流、定子轴向磁通、转子轴电压及电流等数据分析，应用电机振动分析技术、电流分析技术、磁通分析技术、轴电压电流分析等技术，判断电机运行过程中产生的各种信息。

通过对其状态参数的检调和分析，判定是否存在异常和故障以及故障的位置和原因，并对设备未来状态进行预测。

由于设备故障诊断技术在生产中的应用，了解和掌握了设备运行的状态，改变了维修方式，减少了突发性的事故停产，减少了过剩维修，降低了维修费用，提高了作业率，其经济效益是比较显著的。

1、故障诊断1.1感应电机振动诊断技术利用电机轴承处的振动信息可以检测出电机的电气问题：对定子或转子偏心、定子或转子的短路铁心及松动铁心、转子条或端环缺陷、转子热弯曲、松动的或断开的电源接头等故障均能够通过振动信号的分析寻找到依据。

1.1.1感应电机定子故障诊断电机定子故障包括定子偏心、定子铁心短路或松动，这些故障均产生2FL（电源频率）下的大振动，然而，并不一定均产生极通过频率边带（极通过频率=极数×滑差频率）。

若切断电机电源，可发现2FL频率下的振动会立即消失。

1.1.2感应电机偏心的转子故障诊断偏心的转子可在转子与定子间产生旋转的可变气隙，引起脉冲振动（通常在2FL与转速的谐波频率之间）。

常常需要细化谱分离2FL与转速的谐波频率。

偏心的转子产生2FL及其两侧的极通过频率边带。

极通过频率本身出现在低频处（极通过频率=滑差频率8极的数目）。

FP常见值的范围在20到120转（0.3-2赫兹）内。

软脚或不对中由于变形常会引起可变的气隙。

1.1.3感应电机转子故障诊断断的、裂的转子条或短路环，转子条与短路环间接触不良，或者短路的转子铁心将产生1X转速频率的大振动及其两侧极通过频率边带。

此外，这些故障常产生转速频率的2、3、4、5阶谐波频率两侧的极通过频率边带。

转子条通过频率及其谐波频率两侧的2FL边带指示转子条松动或脱开。

松动的转子条与端环间电气引起的电弧常表示出很高的幅值的2RBPF且伴随2FL边带，但是1RBPF频率的振动幅值不增大。

1.1.4感应电机电气相位故障诊断由于松动或者断的或者裂的接头的相位问题可产生2FL频率的过大的振动，并且2FL两侧伴有1/3电源频率的边带。

如果不解决向往问题，2FL处的振动幅值将超过25.4毫米/秒。

如有故障的接头只是偶尔接触，尤成为问题。

为了防止灾难性的破坏，必须修理松动或者断开的接头。

1.1.5感应电机转子热弯曲故障诊断电机的转子的热弯曲主要是因电机转子的断裂、铁芯的短路引起的。

短路的铁芯与断裂的转子条将在局部产生大量的热，从而导致转子的弯曲变形。

转子的弯曲甚至可能导致与定子碰磨，而且一旦转子弯曲，将生成愈来愈大的电磁力和不平衡力，又生成更多的热量，这促使转子更加弯曲，如此恶性循环。

转子出现热弯曲时，1X转速频率的振动幅值将随时间的延长而增大，受定子电流的影响明显。

其特征类似于不平衡。

热弯曲故障明显时，同一转子的两侧轴承的轴向1X相位相差1800；同侧轴承轴向的上与下、左与右的相位差为1800，由此相位特征可判断转子存在弯曲情况。

1.2 感应电机电气技术故障诊断对电机定子电流、电机磁通的频谱分析可以诊断电机的定子与转子的故障。

1.2.1感应电机电流故障诊断1.2.1.1感应电机转子条故障诊断理想的异步电机定子电流的频率是单一的电源频率。

但是当转子回路出现故障时，在定子电流频谱图上，电源频率两侧将出现一个边频带（±2sf，s为转差率，f为电源频率），这一现象已为英国Hargis等学有的理论所推论证实。

转速波动将使异步电机的电流在以电源频率为中心，在±2sf 上、下限之间变化，由于电机定子中三次谐波磁通的调制作用，这种转速和电流的波动将更加明显。

从边频电流的幅值以及它与基频电流幅值的差的比值大小，可以推断断裂的转子条的估计数。

在冷却效果较差时，起动电流产生的热应力相机械应力较大，当在重载荷频繁起动情况下，转子条与端环焊接处是经常发生开焊和断裂的部位。

表1（夏洛特联合技术公司的“电动机电流分析严重程度和推荐的修正措施表”）1.2.1.1感应电机气隙偏心故障诊断异步电机的气隙很小，气隙的偏心往往会成为故障的诱因，如振动值超限、定子与转子相擦等。

气隙偏心存在两种类型，一种是静态偏心，一种是动态偏心．静态偏心是由定子铁心椭圆度或装配不正确造成的．动态偏心．是由转轴弯曲、轴颈椭圆、临界转速时的机械共振、轴承磨损等造成的，其偏心位置在空间是变化的。

气隙偏心将导致沿气隙圆周方向的磁导不均匀，造成气隙磁场的不对称分布，这种不对称磁场分布将在定子电流中以谐波形式反映出来。

气隙偏心的特征频谱成分，可以通过检测的电流频谱图中获得。

特征频率可依照下式计算：1f n3}p s 1n2)R (n1{f ∙±-∙±∙=式中：n2为任意整数，n2 =0为静偏心，n2=1、2、3….为动偏心；n1为任一整数；S 为转速差，s=1-（N*P ）/（60*f1），N 为电机RPM 转速，P 为电机的磁极对数；n3为奇整数，1，3，5…。

通过定子电流检测和频谱分析，如在频谱图中出现气隙偏心特征频率时，就能确定电机作在气隙偏心．根据特征频率分量大小和变化情况，就能确定转子在气隙中的动态位移值。

1.2.2感应电机磁通故障诊断电机的任何磁力或电流不平衡将反映在轴向的电磁信号中，因电机电气参数的改变将导致转子或定子线圈磁场的不对称。

断的转子条、三相不平衡、异常的定子线圈（如：匝间、相间短路，相接地）异常磁通信息可以通过FFT 分析，可获得电机磁通的频谱图。

电机转子条的异常可以通过分析电源频率两侧的极通过频率（极数×滑差频率）边带来寻找到答案。

磁通信号的低频分析可以发现电源的电压不平衡、匝间短路等故障：电源电压不平衡分析原理是对比电源电压不平衡的特征频率（电源频率加转子频率）的变化情况；匝间短路是通过对比电源频率两侧出现的转速频率边带的振幅变化情况。

通红对磁通信号的高频分析可以发现转子条或定子问题，原理是分析转子条或定子槽的通过频率的的边带族的变化情况。

1.2.3感应电机轴电压及电流故障诊断设计和运行条件正常的电机，运行时转轴两端对地只会有很小的电位差即轴电压。

较高的轴电压往往是与电机设计、制造缺陷、各种故障及非正常的电源条件有关。

因此，对轴电压的检测和诊断分析能发现的电机存在的缺陷，并有助于监视电机铁心和绕组的裂化过程。

同时对其采取措施，避免轴电压击穿轴承油膜，对电机轴颈和轴瓦表面电弧放电产生小而深的圆形蚀点，而破坏了轴颈和轴瓦的良好配台使轴承无法工作。

2、 现场实例分析2.1一台电机转子条断裂和端环裂纹故障诊断2.1.1症状：某立式凝结泵驱动电机顶部轴承处最大振幅为170um ，电机额定负荷时线圈温度最高达115℃，对比同负荷下的温升增加较多。

2.1.2诊断2.1.2.1电流分析根据电机电源线频率（FL ）与极通过频率（FP ）处的电流幅值之间的比值关系，即通过FL/FP 比值掌握电机转子状态，以利于及时采取相应措施，保障电机的安全稳定运行。

图4依据图4：电机转速1493转/分，电机极数为4，电机的极通过频率为4*（1500-1493）/60=0.466HZ，位于电源线频率的两侧分别为49.50HZ和50.40HZ ，依据夏洛特联合技术公司的“电机电流分析严重程度和推荐的修正措施表”：FL/FP=68.5/22=3.11<<32，因此根据电机电流频谱图中电机电源频率两侧的极通过频率边带数据信息，可以判断该电机端环存在裂纹或转子条断裂条情况。

2.1.2.2磁通频谱分析图5（电机磁通频谱图）依据电机磁通频谱频谱（图5）可以看出：电机电源频率两边出现电机的极通过频率，基点磁通值为110dB，FL/FP=（110-55）/（110-85）=2.2<<32,因此通过磁通频谱分析同样可以诊断电机的转子条或端环存在裂纹或断裂等严重故障。

2.1.2.3电动振动频谱分析图6依据电机2X处水平振动细化频谱（图6）可以看出：电机2X两边出现多族电机极通过频率边带，电机的其他频率处如：1X、3X-5X频率两侧均出现了极通过频率边带，因此从振动分析亦可以判断电机转子条或端环存在裂纹或断裂等严重故障。

2.1.3措施：及时停运凝结泵，解体电机检查电机转子端环或转子条裂纹及断裂情况,存在断裂或裂纹处应焊接处理并探伤。

3、结束语电机故障诊断技术能够掌握感应电机的动态特征，能够及时地发现并处理设备存在的隐患，为设备的技术管理提供超前的服务。

作者简介：杨瑞，1971年生，男，山东邹城市人，工程师，从事转动设备的状态诊断工作。

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