提要：本文通过实例介绍了交流感应异步电机振动故障诊断的新技术。讨论交流感应异步电机的振动故障机理及特征，分析交流感应异步电机的故障诊断方法；应用振动分析、电流分析、磁通分析、轴电压电流分析等诊断技术分析交流感应异步电机的故障特征；以振动分析和电气参数分析相结合的方法保证诊断结论的正确性、准确性。从振动分析可判断电机转子条或端环存在裂纹或断裂等严重故障。

交流感应异步电机振动故障诊断的新技术
杨瑞，葛凌峰，仲计戈，丁庆殿
邹县发电厂

    摘要：讨论交流感应异步电机的振动故障机理及特征，分析交流感应异步电机的故障诊断方法；应用振动分析、电流分析、磁通分析、轴电压电流分析等诊断技术分析交流感应异步电机的故障特征；以振动分析和电气参数分析相结合的方法保证诊断结论的正确性、准确性。
    关键词：电机；故障；诊断
    交流感应异步电机振动故障诊断是通过对电机轴承振动、定子线圈电流、轴向磁通、转子轴电压及电流等数据进行分析，掌握交流感应异步电机的状态，为检修决策提供充分可靠的依据。所涉及到的各项技术的准确性与通用性已被普遍认可。
    一、感应电机的振动故障诊断
    1．振动故障诊断技术
    (1)定子。定子偏心、铁芯短路或松动等故障均产生2FL (FL为电源频率）下的振动，若切断电机电源，2FL频率下的振动立即消失。
    (2）转子偏心。偏心的转子产生旋转可变气隙，从而引起脉冲振动（通常在2FL与转速的谐波频率之间），需从细化谱分离出2FL与转速的谐波频率以及2FL两侧的FP（极通过频率边带），FP常见值的范围在0.3~2Hz内。软地脚或不对中造成的壳体变形也会引起可变气隙。
    (3)转子。转子条或端环断裂、转子条与端环接触不良以及转子铁芯短路均产生1X转速频率的振动及其两侧的极通过频率边带。此外，这些故障常产生转频的二、三、四、五阶谐波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边带说明转子条存在松动或脱开的情况。转子条松动与端环间引起的电弧常显示出很高幅值的2RBPF且伴随2FL边带，但是1RBPF频率的振动幅值不增大。
    (4）电源接头。接头松动或断裂可产生2FL频率的振动，且2FL两侧伴有113FL的边带。若存在偶尔接触的故障接头，问题尤为严重，必须及时处理。
    (5）转子热弯曲。转子热弯曲可能导致转子与定子碰摩，产生愈来愈大的电磁力和不平衡力，生成更多的热量，促使转子更加弯曲。转子热弯曲时，转速频率的振值随时间延长而增大，振幅值受定子电流的影响较明显，振动特征类似于转子不平衡。热弯曲故障明显时，同一转子的两侧轴承轴向1X相位差约为180。；同侧轴承轴向的上与下、左与右的相位差为180。。
    2．感应电机电气故障诊断技术
    (1）电流
    ①转子条故障诊断。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（土FP）。转速的波动使异步电机的电流以电源频率为中心，在土FP之间变化，由于定子中三次谐波磁通的调制作用，使得转速和电流的波动更加明显。由基频电流和边频电流的幅值比值，可以推断转子条断裂数目。
转子条故障的严重程度与检修策略可参考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”。中国资产管理网
    ②气隙偏心故障诊断。气隙偏心往往会造成振动值超限、定子与转子相擦等故障。气隙偏心有静态和动态两种类型。静态偏心是由定子铁芯的椭圆度或装配不正确造成的；动态偏心由轴弯曲、轴颈椭圆、临界转速时的机械共振、轴承磨损等造成，其偏心位置在空间是变化的。
    气隙偏心在定子电流中将以谐波形式反映出来，因此其特征频谱成分可以通过检测电流频谱获得。气隙偏心的特征频率可依照下列公式计算：

式中：n2为任意整数，静偏心时，n2 =0;动偏心时，n2=1、 2,、3…。 N1为任一整数；s为转速差，s=1-(n×P)/(60×f1), n为电机的转速（r/min) , P为电机的磁极对数；n3为奇整数，取1, 3, 5…。
    根据特征频率分量大小和变化情况就可以确定转子在气隙中的动态位移值。
    (2)磁通。电气参数的改变将导致转子或定子线圈磁场不对称，在轴向电磁频谱中有所反映。通过分析电源频率两侧的极通过频率边带即可了解电机转子条的状态。通过对磁通频谱的低频分析可以发现电源的电压不平衡、匝间短路等故障，其原理是对比电源电压不平衡特征频率的变化情况。对比电源频率两侧出现的转速频率边带的振幅变化可发现匝间短路，分析磁通频谱的高频成分则可发现转子条或定子槽问题。
    (3)轴电压及电流。转轴两端对地的电位差为轴电压，轴电压较高往往与电机设计、制造缺陷，各种故障及非正常的电源条件有关。因此，对轴电压的检测和分析能发现电机存在的缺陷，并有助于监视电机铁芯和绕组的劣化过程，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蚀点，破坏轴颈与轴瓦的配合。
    二、实例分析
    以下是转子条和端环裂纹故障诊断。
    1．症状
    某立式凝结泵是将凝汽器集水井内的凝结水输送至回热系统的关键设备，其500kW鼠笼式驱动电机的顶部轴承处最大振幅为170μm，电机在额定负荷时线圈温度最高达115。C，对比同负荷下的电机线圈温升增加较多。
    2．诊断
    (1）电流分析。见图1，电机转速1 493r/min,四极，极通过频率为0.466Hz，位于电源线频率两侧的频率分别为49.50Hz和50.4Hz。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，可以判断该电机端环存在裂纹或转子条断裂情况。

     图1  电机的电流频率图

    (2)磁通频谱分析。见图2，电机电源频率两边出现了电机的极通过频率，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。
  (3）电机振动频谱分析。从图3可见，电机2X两边出现多族极通过频率边带，1X,、3X~5X频率两侧也出现了极通过频率边带，因此从振动分析亦可判断电机转子条或端环存在裂纹或断裂等严重故障。

  3、处理
    停运凝结泵，解体检查电机转子端环和转子条裂纹及断裂情况，存在断裂或裂纹处焊接处理并探伤。