电机诊断：多技术方法

简介

一直有一种误解，认为有一种 “灵丹妙药”，以基于状态的监测（CBM）仪器的形式，可以提供你所需要的所有信息，以评估你的电机系统的健康。 这种误解往往是由这些CBM仪器的制造商或销售队伍的商业介绍带来的。 它是非常 销售人员的工作是专注于他们特定仪器的优势领域，并将其作为 “您将需要的唯一解决方案来解决您的所有问题”。

在现实中，没有一种工具可以为你提供你所需要的每一条信息。 没有建立信任措施和可靠性的 “圣杯”。 然而，通过对电机系统的了解，以及CBM技术的能力，你可以对你的系统有一个完整的看法，它的健康状况，并有信心估计出故障的时间，以便向管理层提出好的建议。

本文的目的很简单：概述电机系统的组成部分；讨论每个主要部件的故障模式；讨论每个主要技术如何处理每个部件；讨论如何将技术整合到系统的完整视图中；以及，讨论多技术方法的底线影响。 要审查的建立信任措施设备类型是用于定期测试的标准现成技术。

电动机系统

电动机系统涉及的内容远不止是电动机。 事实上，它是由六个不同的部分组成的，都有其不同的故障模式。 这些部分是（图1）：

• 设施的配电系统，包括电线和变压器。
• 启动系统。
• 电动机–为了本文的目的，采用了三相感应电动机。
• 机械联接，可以是直接、齿轮箱、皮带或其他一些联接方法。 为了本文的目的，我们将重点讨论直接耦合和皮带。
• 负载是指被驱动的设备，如风扇、泵、压缩机或其他被驱动设备。
• 的过程，如废水泵送、混合、曝气等。

在进行故障诊断、趋势分析、调试或执行与系统有关的其他基于可靠性的功能时，大多数人会查看系统的各个部件。 哪些部分是重点 这取决于几个因素，其中包括：

• 有关人员和管理人员的经验和背景是什么。 例如，当维护人员以机械为主时，你最常看到的是强大的振动项目，而当人员以电气为主时，则是红外项目。
• 认为是失败的领域。 这可能是一个严重的问题，取决于如何看待运动系统，并将值得后续更多关注。
• 了解各种煤层气技术。
• 培训。 但是，从什么时候开始，训练就不是一个问题了？

在查看你的电机系统的历史时，感知到的故障区域提供了一个特别严重的问题。 通常情况下，当记录产生时，唯一的摘要可能会说，”风扇故障，已修复 “或 “泵故障，已修复 “之类的话。 最终的结果是认为故障与电机系统的泵或风扇部件有关。 特别是当依靠记忆来为工厂中需要解决的最严重的问题提供答案时，根据历史，这更成为一个问题。 例如，当要确定一个工厂的哪个部分造成的问题最多，答案可能是：”废水泵1″。 直接的感觉是，泵有一个持续的问题，由于泵是一个机械系统，可能会选择一个机械监测解决方案，来预测泵的健康状况。 如果对每个故障的根本原因进行了记录，可能会被确定为电机绕组、轴承、电缆、控制、过程或各种问题的组合。

在最近的一次会议上，在讨论煤层气设备的选择时，与会者被要求提供他们所在地的故障模式。 答案是风扇、压缩机和泵。 当进一步讨论时，发现风机的轴承和电机绕组故障是最常见的，泵的密封和电机轴承，以及压缩机的密封和电机绕组。 如果再仔细观察，绕组故障与控制和电缆问题、不适当的维修和电能质量有关。 轴承问题与不适当的润滑做法有关。

实际上，当确定在你的电动机系统上实施CBM的最佳方式时，你需要从系统而不是部件的角度来考虑。 其结果很简单：提高了可靠性；减少了令人头痛的问题；以及，提高了底线。

基于条件的监测测试仪器

以下是一些比较常用的CBM技术，关于这些技术的更多细节可以在 “电机电路分析 “中找到。1 关于测试的系统组件和能力的细节可以在本文末尾的表1-4中找到：

去掉能量的测试：

1 电机电路分析：理论、应用和 能源分析霍华德-W-彭罗斯，博士，SBD出版社，ISBN：0-9712450-0-2，2002。

• 直流高电位测试–通过施加两倍于电机额定电压的电压，加上1000伏的交流电压，以及额外的1.7倍的直流高电位值（通常有一个倍数，以减少对绝缘系统的压力），对电机绕组和地面之间的绝缘系统（地壁绝缘）进行评估。 该测试被广泛认为具有潜在的破坏性。
• 浪涌比较测试：使用与高电位测试相同的计算值的电压脉冲，以图形方式比较电机各相的阻抗。 测试的目的是检测每相前几圈内的短路匝数。 该测试通常在制造和复卷应用中进行，因为它最好在定子中没有转子的情况下进行。 这种测试被广泛认为具有潜在的破坏性，主要作为一种去/不去的测试，没有真正的趋势能力。
• 绝缘测试器：该测试在绕组和地之间放置一个直流电压。 低电流泄漏的测量和转换为兆、吉或太欧的测量。
• 极化指数测试：使用绝缘测试仪，查看10分钟到1分钟的数值，并产生一个比率。 根据IEEE 43-2000，超过5000兆欧的绝缘值不需要用PI进行评估。 该测试用于检测严重的绕组污染或过热的绝缘系统。
• 欧姆、毫欧姆测试：使用欧姆或毫欧姆表，测量并比较电动机绕组间的数值。 这些测量通常是为了检测松动的连接、断裂的连接和非常晚期的绕组故障。
• 电机电路分析（MCA）测试：使用电阻、阻抗、电感、相位角、电流:频率响应和绝缘测试的仪器可以用来排除故障、调试和评估控制、连接、电缆、定子、转子、气隙和对地绝缘健康状况。 使用一个低电压输出，通过一系列电桥读取读数并进行评估。 非破坏性和趋势性的读数往往在电气故障前几个月就已经出现。

2 潜在的破坏性：任何通过错误应用或完成削弱的绝缘条件而可能改变设备运行状况的仪器应被视为具有潜在的破坏性。

通电测试：

振动分析：通过传感器测量机械振动，提供整体振动值和FFT分析。 这些数值提供了机械故障和故障程度的指标，可以进行趋势分析，并将提供一些电气和转子问题的信息，这些问题根据电机的负载而变化。 电动机的最低负载要求，以检测转子的故障。 要求对被测试的系统有一定的了解。

红外线分析提供了关于物体之间温度差异的信息。 根据故障程度来检测故障并形成趋势。 对检测松动的连接和其他电气故障有很好的效果，对检测机械故障有一定的能力。 读数将随负载而变化。 要求对被测试的系统有一定的了解。

超声波仪器测量低频和高频的噪音。 将检测各种电气和机械问题，接近故障的后期阶段。 读数将随负载而变化。 要求对被测试的系统有一定的了解。

电压和电流测量将提供关于电机系统状况的有限信息。 读数将随负载而变化。

电机电流特征分析（MCSA）使用电机作为传感器，通过电机系统的很大一部分检测电气和机械故障。 MCSA通常被用作去/不去测试，确实有一些趋势能力，但通常只在后期检测绕组故障和机械问题。 对负载变化很敏感，读数会根据负载而变化。 需要铭牌信息，许多系统需要转子条数、定子槽数和手动输入运行速度。

主要部件和故障模式

应审查来自电机系统各组成部分的一些主要问题，以提供对所发现的故障类型和用于检测的技术的理解。 作为一个概述，这可能不包括你可能遇到的所有故障模式。

来电

从输入电源到负载开始，必须解决的第一个领域是 来电和配电系统。 第一个问题领域是电能质量，然后是变压器。

与电动机系统有关的电能质量问题包括：

• 电压和电流谐波：电压限制在5%THD（总谐波失真），电流限制在3%THD。 电流谐波对电动机系统的危害潜力最大。
• 过电压和欠电压情况：电动机的设计操作不超过铭牌电压的+/-10%。
• 电压不平衡：是指相位之间的差异。 根据电机的设计，电压和电流不平衡之间的关系从几倍到几十倍的电流不平衡与电压不平衡的关系不等（可高达20倍）。
• 功率因数：功率因数离统一越低，系统必须使用更多电流来执行工作。 功率因数差的迹象还包括重型设备启动时灯光变暗。
• 过载的系统：基于变压器、电缆和电机的能力。 通常情况下，用电流测量来检测，也可以用热量来检测。

用于检测输入电源问题的主要工具是电能质量表、MCSA以及电压和电流表。 了解你的电能质量状况可以帮助识别大量的 “幻影 “问题。

变压器是电机系统的首批关键部件之一。 一般来说，变压器的问题比系统中的其他部件少。 然而，每个变压器通常要照顾到电动机以及其他系统中的多个系统。

常见的变压器问题包括（油浸式或干式变压器）：

• 绝缘对地故障。
• 绕组短路。
• 松动的连接，和、
• 电气振动/机械松动

用于监测变压器健康状况的测试设备（在本文的仪器选择范围内）包括：

• MCA的接地、松动/破损的连接和短路。
• 电力质量和晚期故障的MCSA
• 对松动的连接进行红外分析
• 超声波技术检测松动和严重故障
• 用于绝缘对地故障的绝缘测试器。

MCC’s, Controls and Disconnects

电机控制或断开提供了电动马达系统的一些主要问题。 对于低压和中压系统，最常见的是：

• 松动的连接
• 接触不良，包括凹陷、损坏、烧毁或磨损
• 接触器上的启动器线圈坏了
• 坏的功率因数校正电容器，通常会导致显著的电流不平衡。

评估控制装置的测试方法包括红外线、超声波、电压/安培表、欧姆表和目视检查。 MCA、MCSA和红外线为故障检测和趋势分析提供了最精确的系统。

电缆 – 控制之前和之后

布线问题很少被考虑，因此，提供了一些最令人头痛的问题。 常见的电缆问题包括：

• 由于过载或老化导致的热故障
• 污染，这在通过地下管道的电缆中可能更加严重
• 相位短路也可能发生，也可能发生接地。 这些可能是由 “树化 “或物理损害造成的。
• 由于物理损坏或其他原因而打开。
• 物理损坏往往是与其他电缆问题结合在一起的问题。

用MCA、红外线、绝缘测试和MCSA进行测试和趋势分析。

电机供应方总结

在对电机的供应方面，问题可以细分如下：

• 功率因数差 – 39%
• 连接不良 – 36%
• 尺寸过大的导体 – 10%
• 电压不平衡 – 7%
• 低电压或过电压情况 – 8%

涵盖这些领域的最常见设备包括MCA、红外线和MCSA。

电动马达

电动机包括机械和电气部件。 事实上，电动机是一个将电能转化为机械扭矩的转换器。

主要的机械问题：

• 轴承 – 一般性磨损、误用、装载或污染。
• 轴或轴承座坏了或磨损了
• 一般的机械不平衡和谐振

振动分析是检测电机机械问题的主要方法。 MCSA将检测晚期的机械问题，红外和超声波也是如此。

初级电气问题：

• 导体或线圈之间的绕组短路
• 绕组污染
• 绝缘对地故障
• 气隙故障，包括偏心转子
• 转子故障，包括铸造空隙和转子杆断裂。

MCA将在发展的早期发现所有的故障。 MCSA将检测后期的定子故障和早期的转子故障。 振动将检测出晚期故障，对地绝缘只检测出占电机系统故障不到1%的对地故障，浪涌测试只检测出浅层绕组短路，所有其他测试只检测出晚期故障。

联轴器（直接和带式）

电机和负载之间的耦合提供了由于磨损和应用而产生问题的机会。

• 皮带或直接驱动不对中
• 皮带或刀片磨损
• 皮带张力问题比大多数人想象的更常见，通常会导致轴承故障
• 滑轮磨损

耦合故障检测的最精确系统是振动分析。 MCSA和红外分析通常会发现严重的或晚期的故障。

负载（风扇、泵、压缩机、齿轮箱等）。

负载可以有许多类型的故障，这取决于负载的类型。 最常见的是部件磨损、部件损坏和轴承。

能够检测负载问题的测试仪器包括MCSA、振动、红外分析和超声波。

多技术的常见方法

行业内有几种常见的方法，也有几种新的方法（见表3）。 最好是采用通电和断电测试相结合的方式。 需要注意的是，通电测试通常在恒定的负载条件下最好，而且每次都在相同的操作条件下进行趋势测试。

最常见的方法之一是使用绝缘电阻和/或极化指数。 这些只能识别出电机和电缆的绝缘对地故障，占整个电机系统故障的1%以下（约占电机故障的5%）。

红外线和振动通常相互配合使用，并取得巨大成功。 然而，他们错过了一些常见的问题，或者只在故障的后期阶段才会发现这些问题。

浪涌测试和高电位测试只能检测到一些绕组故障和绝缘对地故障，如果存在任何绝缘污染或弱点，就有可能使电机停止运行。

MCA和MCSA相互支持，几乎能检测出电机系统的所有问题。 这种准确性要求使用电阻、阻抗、相位角、I/F和对地绝缘的MCA系统以及包括电压和电流解调的MCSA系统。

最新的，也是最有效的方法是振动、红外线和MCA和/或MCSA。 这种方法的优势在于，在评估和故障排除中，有一个电气和机械学科的结合。 如在运动诊断和运动健康研究中发现、 3 38%的电机系统测试只涉及振动和/或红外线，看到了显著的回报。 3 电机诊断和 投资。 在结合使用MCA/MCSA以及振动和/或红外线的系统中，这一数字跃升至100%。

在一个案例中，红外和振动的联合应用带来了3万美元的投资回报率。 当公司将MCA加入他们的工具箱时，投资回报率增加到30.7万美元，是原来使用各种仪器组合的十倍。

申请机会

电动机系统测试有三种常见的机会。 这些措施包括：

• 在新安装或维修时，对部件或整个系统进行调试。 这可以为相关技术提供非常直接的回报，并将帮助你避免婴儿死亡的灾难。
• 通过应用多种技术对系统进行故障排除，将有助于你更迅速和更自信地发现问题。
• 对系统可靠性的测试结果进行趋势分析，同样使用多种技术的正确应用。 使用MCA、振动和红外线等测试，可以长期跟踪潜在的故障，提前数月检测出许多故障。

总结

本文简要介绍了多种技术如何协同工作，为电动机系统提供了一个良好的视角。 通过对这一方法的理解和应用，你将在维护计划中实现奇妙的回报。

关于作者

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D.获得普通工程博士学位，专注于工业系统工艺改进、废物流和能源分析以及设备可靠性。 他在电机和服务行业有15年的经验，在各种商业和工业场所领导PdM和根源分析计划。

表1：电机系统诊断技术比较

表2：管理方面的考虑因素

表3：常见的方法

表4：其他考虑因素