电机状态监测与管理系统

12%
引起故障的外在因素
5% 12% 6% 24% ¹ Ô ý Ø ±Ê ³ ª È » ó ¬ ² » Á ¼ ¯ Ñ » §Î Û È ¾ Û ³ ² ¾ ¿ Å Á £ 17% µ ´ ¥ Ï Ô Ë Ð µ ³ Ö Ð § Ê Ð § ø Ô ¾ µ À Ï ¯ » ä Ë Æ ü
10% 5% 1% 20%
<< R
纯电阻电路
I/F = -0%
交流电机的静态监测
三相交流电机，匝间短路 T1-T2 测试参数 R 74.6 Z 217 L 325 I/F -50 Phase Angle 9 绝缘
T1-T3 74.6 210 313 -49 13
T2-T3 74.6 208 309 -44 52 >99 Meg
Z30 L25
20 15 10 5 0 1
25 9
Z L 25 9
28 11
28 11
23 7
23 7
Z L
Z30 L25
20 15 10 5 0
25 9
Z L 25 9
23 11
23 11
28 7
28 7
Z L
2
3
1
2
3
IEEE Penrose定理
静态监测 —— 转子电磁特性评估
0 30 60 270 90
L(mH)
0 30 60
AB
106 106 105
AC
105 104 104
BC
104 105 106
90
120 150
104
104 105 106
105
106 106 105
106
105 104 104
180
107 106 105 104 103 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
I/F Fi I/F Fi I/F Fi -45 67 -45 67 -45 68 -45 68 -45 68 -45 68 -42 64 -44 64 -42 68
匝间 线间
相间
IEEE Penrose定理
静态监测 —— 快速区分定子/转子故障
• 电感与阻抗 – 转子故障：L 与 Z ―平行”（同时大同时小）； – 定子线圈污染或过热：L 与 Z 不“平行”。
10.5 9.5 8.5 7.5 6.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
106 105 104 103 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Rotor Position
铸造缺陷与断条
19.55
断条
19.5 19.45 19.4 19.35 19.3 19.25 T1-T2 T1-T3 T2-T3
测试参数 阻抗 Z(Ω )
电机静态监测的 IEEE 标准
以下评判标准是基于美国能源部 及 IEEE 15年的考核：
IEEE 电机三相平衡评判标准 测试项目 良好 缺陷 故障 5% 10% 15% 电感 L 2% 3% 5% 阻抗 Z I/F 0 2 >3 0 1 2 相角 Fi
以上标准认为，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。
MCA 监测结果分析
测试结果 R、I/F 平衡； Z、Fi、L 不平衡 Fi、L、I/F 平衡或少量 偏移； R、Z 不平衡 R、Z、L 平衡； Fi 与 I/F 不平衡 R、Fi、I/F 平衡或少量 偏移； Z、L 不平衡 R 平衡或不平衡 Z、Fi、L 不平衡 —转子断条或连接点高阻 —转子气隙 —转子铸件缺陷 —定子绕线故障 —检查定子 —检查转子 —早期匝间短路 —进一步监控 可能原因 —转子断条 —转子铸件缺陷 —Δ型：绕组断股 —接头故障 —是否Δ接，进一步检查 —打开接线盒检查 处理 —检查转子
EPRI的报告
全美电机系统消耗了 19% 的 总 能 源 ， 57% 的 电力能源； 在制造业，电机消耗了 70%以上的电能；
2% 3%1%
£ ² Í ú Ë ð Ê § Ü Ô Ä ´ Ï û º Ä ç » µ ú Ê Ù Ã ü ½ µ µ Í £ ¹ ³ æ Ï û º Ä
在过程工业，电机消耗 的电能占全厂 90% 以上。
三相交流电机，匝间短路 T1-T2 测试参数 R 0.23 Z 10 L 0.508 I/F -45 Phase Angle 68 绝缘
T1-T3 0.23 10 0.509 -45 68
T2-T3 0.25 10 0.510 -45 68 >99 Meg
不平衡 2% 0% 0% 0 0
标准之争
30
60
90
0
12 0 15 0 18 0 21 0 24 0 27 0 30 0 33 0
端环
断条
MCA实例：匝间短路
测试参数 R Z L I/F Phase Angle 绝缘 T1-T2 60 88 40 -48 78 T1-T3 60 88 40 -48 73 T2-T3 60 88 40 -46 78 >99 Meg 不平衡 0% 0% 0% 2 5
直流电机监测与实例
串励 Series Motor 高启动转矩 – Up to 500% 宽调速范围， 串电阻调速控制 并励 Shunt Motor ~250% 启动转矩 5-10% Speed regulation 电压调速与弱磁调速 复励 Compound Motor 高启动转矩 – up to 450% 调速范围 25 to 30% 无调速或励磁调速 125%
300 KW, 2级
1.2 1.15 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8
Inductance
10
13
16
19
22
25
Position
28
1
4
7
MCA实例： 转子断条
10-hp 交流电机测试 R Z L I/F Phase Angle 绝缘
75 70 65 60 55 50 45 12 3 6 9
直流电机测试步骤
非解体测试：
绝缘测试
励磁回路测试一次——与早期数据或新电机数据比较 电枢回路测试两次——两次测试结果比较、与早期数据 或新电机数据比较
励磁 0.012 2 4 -23 27 >99M 电枢一次 电枢二次 0.088 0.088 4 4 9 9 -48 -48 65 65 >99M
电阻 R 电感 L 阻抗 Z I/F 相角 Fi 绝缘
直流电机测试步骤
解体测试——转子盘车测试
保留一对电刷，托开其它所有电刷；
将转子按圆周以一定数量等分，如对于一台500KW电机按 15等分，分别测试多组角度下的结果；
存储数据发生变化的结果，一旦Z、L、I/F与φ角有少量的 变化，都应视为故障的发生。
静态监测 —— 快速故障诊断
• • • •
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
定子绕组 定子铁芯
风扇
转子
轴承
静态监测 —— 快速区分短路类型
• 相角 与 I/F的对应关系 ： – 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来自百度文库• 电阻 ~ +/- 5%
国家标准 ISO2372 振动总量 国际标准 ISO10816
绝缘诊断(国标)
电阻
IEEE43-2000
IEEE388/389 ……
电机静态诊断
Static Electric Test
电机静态诊断方法的误区！
摇表就可解决问题——错误！ 对地绝缘问题仅占电机系统故障中 5%以下 电桥可以检测到匝间短路——错误！ 1) 2) 3) 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！
三相不平衡的原因：
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(磁通集中至缺陷点)
发生绕组短路，导致阻抗、相角不平衡： T1-T2 = 30∠20°Ω T1-T3 = 32∠30°Ω T2-T3 = 33∠46°Ω
产生三相电流不均衡: IAB = 650.4∠120°V / 30∠20°Ω = 21.7∠100°AAB
180
210
240 270 300
106
105 104 104
104
104 105 106
105
106 106 105
330
105
106
104
铸造缺陷
畸变发生在侧边(上升或下降段)，导致少量二倍频振动；
畸变发生在波峰或波谷时(出现扁平带)，降低电机输出转矩。
107
Inductance (mH)
不平衡 0% 4% 5% 6 43
静态监测范例
电机描述 T1-T2 T1-T3 T2-T3 2.5 Kw 交流鼠笼式电机 I/F (%) －48 －48 －47 Φ 71 71 70 －2 ～ +3 >99M 2.24 2.27 2.26 （使用 AT31，测试频率 200Hz） 转子Δ I (%) 绝缘
电机状态监测与管理系统
Electrical Motor Monitoring System
电机监测的多种途径 MCA电机静态监测 ESA电机在线监测 电机监测与管理系统
电机系统结构图
Process Mechanical and Electrical Feedback
交 流 电 源
使用匝间耐压试验仪？
1) 2) 3) 4) 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。
静态电机电路分析技术 Motor Circuit Analysis
交流电机等效电路分析
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆
电阻 电感 电容 感抗 容抗 阻抗 相角
R L C XL= 2 f L XC= 1 / 2 f C Z2 = R2+ ( XL - XC ) 2 Fi
电机驱动系统
1200 rpm
机械系统
电机故障源于何处？
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。
10%
41% 37%
轴承故障 对中问题 定子故障（短路等） 转子故障（断条等）
电阻、阻抗、电感都维持平衡，但 I/F 与 Fi角有一定偏差，这种 情况一般发生在具有大阻值绕组的小功率电机中的单匝短路。
MCA实例： 300 KW电机多次轴承失效
▼ 300 KW, 3600 RPM 连续多次发生轴承失效； ▼ 负载电流分析发现非标准信号； ▼ 转子电磁特性测试结果说明存在铸造缺陷，同时存在偏心， 最大的可能是轴套定位偏差。
考察频率加倍后，电流的变化量：
I/F = 纯电感电路： 纯电阻电路： ΔI I = I2－I I ³100% 即电流减少一半 即电流不变
I/F= - 50% I/F= - 0%
I/F值标志着绕组短路过程中，电感的失效程度
最初
无匝间短路
ωL
>> R
纯电感电路
I/F = -50%
最后
严重匝间短路
ωL=0
T1-T2 1.511 168 66 -44 81
T1-T3 1.533 280 55 -44 80
T2-T3 1.535 265 52 -44 80 >99 Meg
不平衡 1% 67% 27% 0 1
▼ 振动分析没有发现根源；
▼ 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。
IAC = 650.4∠0°V / 32∠30°Ω
= 20.3∠-30°AAC
IBC = 650.4∠240°V / 33∠46°Ω = 19.7∠194°ABC
绕组短路的监测方法 —— I/F测试
对绕组施加两次电压：
I=
U R2 + (ωL-1/ωC)2
I2=
U R2 + (2ωL-1/2ωC)2
94%
每年度成本核算中，附加消耗分布为停产损失93.6%，附加能量消耗3.1%， 电机寿命降低1.2%，常规消耗2.1% 。
电机监测与管理系统的建立
静态电气测试 SET
欧姆表 / 毫欧表 绝缘电阻计（DA/PI） 高压绝缘测试仪 LCR 测试仪 浪涌测试仪 静态电路分析（MCA）
动态电气测试 DET 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 动态电信号分析（ESA） 动态机械测试 DMT 红外分析 振动分析 超声诊断