技 术交 流 j
文章编号:1671—071 1(2007)12—0052—03
诊断技术
电流频谱分析在电动机故障诊断中的应用
杨 勇
(中国石化集团中原油田生产管理处,河南 濮阳 457001)
摘 要:中原油田采用电流信号调理技术,在不影响运行的条件下,对电动机的电流信号进行频谱分析,
可对转子损坏、机械不对中和不平衡 、基础松动、静态和动态偏心、铁芯损坏、绕组松动、匝问短路和
轴承故障等典型机械故障做出准确诊断。
关键词:电动机;电流信号;频谱分析;故障诊断
中图分类号:TM935.21 文献标识码:B
早在20世纪70年代,出于可靠性需要,美国开
始对核反应堆内部的电动机实施状态监测。研究表
明,电动机的电流总是被其内部的故障状态所影响
或调制 ,之后研制开发出了新的电流信号调理技
术,用于对电流信号进行分析、过滤和处理,从而
为最终确定故障性质提供依据。
一
、 技术原理
理想的电动机电流信号是一个纯50Hz正弦波,
在频谱上应当只有一个峰值存在。但实际上,电动
机的信号频谱中往往有很多峰值,包括工频及其谐
波。某些谐波随电源而来,一般不太重要,重要的
是由于各种机械和电气故障,导致电动机内部磁通
分布发生变化而产生的谐波。这些谐波是一些中间
谐波,标准的谐波分析仪无法检测到。由于电动机
故障产生的谐波只在电流频谱中出现,而电压谐波
中没有,因此从电流和电压的频谱比较中可以很容
易区分。
二、现场应用
经过30多年的开发,中原油田已进入三次采油
阶段,提供气驱和水驱动力的天然气压缩机组和高
压注水泵机组在原油生产中扮演着重要角色,一旦
发生突发性停机事故,将会造成巨大的经济损失。
2006年,中原油田引进电流频谱分析技术,分
别在文东气举站、濮二联合站开展了电动机状态监
测与故障诊断的试点工作。
52 中国设备工程 ;2007年12月
1.信号采集
利用MCM (MotorCondition Monitor)电动机状
态监测仪,将传感器与电动机输入电流连接,采集
出电动机的电流信号,通过终端计算机的专家系统
软件进行自动信号调理,从而可识别各种故障。
2.频谱分析故障特征
(1)转子断条。在电流频谱中,电动机极通过
频率PPF (滑差x极数)表现为工频的边带,在FL+
删 可看到峰值。工频峰值和极通过频率边带峰
值的幅值差是转子条的状态指标。研究表明该差大
于60dB表明转子条状态为优 (见图1)。
0
— 20
笔
一 6o
一 80
5()0 Hz 。 。 。
电动机严重断条的典型频谱
电压 (V)
电流 (A)
随着转子条的劣化 (即存在高阻接点或裂纹
开始产生),转子阻抗升高,从而尸尸飕 流升高 ,
导致电流频谱的 值增加。48dB的差值指示高
阻接点的存在,35dB将指示多个断条发生,大部
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诊断 。 ¨ * ⋯ 一
分情况是处于期间某个状态,其严重性等级按表1
评估。
表1 电动机电流分析严重等级和推荐的行动表
FL/Fp FL/Fp Fp/FL 转子状态 推荐的 序号
dB 比率 % 评估 行动
1 >60 >1 00O 3.16 严重问题很 修或更换
多
(2)不对中和不平衡。识别这些故障需要对电
流信号完成另一种信号调理 ,称为RMS解调,目
的是为了消除工频。
在解调频谱中,电动机转速表现为一个峰值,
可以根据其幅值大小判断不平衡和不对中。在正常
电动机的解调特征中,转速峰几乎没有,而当电动
机存在机械不平衡和不对中时,将出现转速峰及其
谐频峰 (见图2、3)。
(3)基础松动。在RMS解调频谱中,基础松
动表现为电动机转速的半频 (见图4、5)。
O
一 25
笔一50
— 75
— 1o0
l
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25O 5O0 750 1000 l250
Hz
对中良好的电动机的RMS解调频谱
黾 50
— 75
Io0
0
25
笔 一50
— 75
一 Io0
I 1. 一 曲 执
0
25
萼一50
— 75
100
250 5(10 750 l 000 l 2.50
不对中电动机的RMS解调频谱
0 ZS0 5,OO 750 l 000 l 250
}k
图4 基础松动电动机的RMS解调频谱
.幽 .1 ^ 谒^ {^ ,l
0 250 5∞ 750 It3CO 1 250
Hz
图5 同一台电动机基础紧固后RMS频谱
(4)静态偏心。是定转子气隙不均衡的现象 ,
一 般由柔性基础、轴承松动或滑动轴承气隙调整不
当引起。在电流频谱中表现为一条通过频率的工频
边带 (见图6、7)。
一 25
萼 一50
— 75
一 lo0
O 25o 500 750 1 000 1 250
I七
图6 静态偏心电动机的典型频谱
电压fv1
电流㈥
2007gl2月 中国设备工程 53
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《
0
— 25
笪 一50
— 75
一 J00
I
I
i
0 250 500 750 1 000 1 250
Hz
诊断技术
(7)匝间短路。导致定子线圈过热和电流不平
衡,从而引起局部和不均衡发热,降低出力并最终
导致接地故障。电流频谱可检测匝间短路和匝间绝
缘劣化。
电压(V) (8)轴承问题。轴承故障有一组独特的故障频
电况 率,据此可识别轴承问题。在电流频谱中,这些故
障频率峰值的存在表明轴承故障 (内圈、外圈、滚
动体或保持架),劣化程度根据峰值大小确定 (见
图10、11)。
图7 动态偏心电动机的典型频谱
静态偏心= f条数)×RS(转速)±n凡,(n为奇
数)
(5)动态偏心。是一种定转子气隙存在变化的
现象,一般由轴承座或端盖磨损引起,可迅速损坏
轴承和轴承座,最终导致转子摩擦定子。应密切监
视这种状态。在电流频谱中它表现为一条通过频率
工频边带上的转速边带。
动态偏心= × S±凡凡 ± S
(6)定子机械故障。绕组松动损坏线圈绝缘 ,
侵蚀线圈导线的绝缘漆,导致发生电晕,破坏电动
机绝缘;铁芯损坏导致矽钢片短路,引起局部涡流
和发热,损坏电动机绝缘 (见图8、9)。
一 25
龟 50
5
— 1130
0
— 25
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m 《 |{ 电流cA)
250 500 75~1 1 000 1 250
Hz
定子铁芯损坏的电动机的典型频谱
腻
⋯ ,
。
叩
电压(V)
电流(A)
0 250 500 750 1 O00 1 250
Hz
图9 定子线圈匝间绝缘劣化的典型频谱
54 中国设备工程 2007年12月
一 25
笔一50
— 75
一 100
0
2s
笔m5o
一 1.00
电流(A)
0 250 500 7f4) 1000 I 2.50
Hz
图10 电动机轴承劣化的典型频谱
墨 赛 导 一 一 毫
一 摹 等
;
、
1
J.
000 13 00 26.10 3910 5210 6_510
Hz
图11 VFD电动机解调电流频谱示出皮带
通过谱峰、转速和叶片通过频率
三、结论
由于电动机电流可被任何引起负荷波动或冲击
的因素所调制,电流频谱分析还可用于检测受驱动
设备故障问题。目前,中原油田正逐步将电流频谱
分析技术应用于受驱动设备的性能状态检测上,增
加了压缩机组、注水泵机组等的故障诊断技术手
段。实践表明,该项技术除应用于交流感应电动机
外,还可用于发电机、同步电机、变频驱动电机和
直流电机。因此,电流频谱分析技术的推广运用必
将大大提高油田设备的管理与维护水平。
收稿 日期:2007—07—30
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