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电流频谱分析在电动机故障诊断中的应用

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电流频谱分析在电动机故障诊断中的应用 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...

电流频谱分析在电动机故障诊断中的应用
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 维普资讯 http://www.cqvip.com 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 、^ -^^山 .^ —^ “ “J ^ ^ ^J ¨ ^ ^-L_』~ 一 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 维普资讯 http://www.cqvip.com 《 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 璺一5o 一 75 1oo f I』 l } k 越{ 6 0 ^ 18 l』 . 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 维普资讯 http://www.cqvip.com
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分类:生产制造
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