电气信号分析与振动分析

摘要

众所周知，当故障导致轴的几何中心线周期性移动时，旋转机械会表现出特定的特性。 70 多年来，机械振动分析 (MVA) 一直用于识别和确定这些故障的严重程度，是许多成功的工厂可靠性计划不可或缺的一部分。 最近的经验和研究证明，许多同样的故障可以通过电气特征分析 (ESA) 来识别。 欧空局还能评估和识别进入电厂的电源故障、提供给电机的电源故障以及电机系统内的电气和机械故障。 此外，在一些电气可靠性计划中，ESA 正在成为一项非常重要的技术。 一些工厂将其作为主要检测工具，用于识别由电机驱动的机器的电气和机械故障。 本文将对这两种动态预测性维护计划（PdM）技术进行研究，找出每种技术的优缺点，并尝试确定这两种技术在可靠性计划中的最佳应用位置。

关键字 解调频谱；检测阶段；电气信号分析；FFT 分析；机械振动；电机系统故障；转子电气；定子电气。

维护理念：

拥有大量资本设备的公司要么提供服务，要么利用这些高度资本密集型设备生产产品。 为了保护设备并保持其正常运行，有必要进行维护。 随着时间的推移，企业在努力获取更高的利润的同时，也不断面临着以更低的成本生产更高质量产品的压力。 服务提供商也必须以更低的成本提供更可靠的服务。 这就要求维护部门不仅要妥善维护这些设备，还要降低维护成本。

这些压力导致了维护实践或理念的演变。 早期的维护实践被称为 “运行至故障”（RTF），但在行业压力下，这些实践已发展为精确（或主动）维护。

对这些维护理念和成本的简要回顾或许可以解释这些做法演变的必要性。 这些 RTF、预防性和预测性维护成本摘自美国南部一家炼油厂在 20 世纪 70 年代末发表的一篇文章，该炼油厂跟踪并公布了他们在这一演变过程中的维护成本。 根据许多工厂在 20 世纪 90 年代初实施精确维护的结果，增加了精确维护的成本，并根据生活成本进行了调整。

运行直至失败（17 -18美元/小时/年）：

除了开关机器和提供产品外，这种方法几乎不需要其他参与。 这样，机器就能不间断地继续运行。 然而，一旦发生故障，通常会非常严重，导致原始组件失效，并损坏机器的其他组件，如连接机器和地基。 这种额外的伤害往往会造成部件的损坏，而这些部件通常不会失效，也很少出现在工厂的备件中。

维修或更换这些部件需要在内部制造，或以高昂的成本和较长的交货期从原制造商处购买，从而导致长时间停机。 因此，RTF 是维护工厂设备最昂贵的方法。 这还不包括生产成本的损失。 这些成本很难预测和衡量，但经验表明，维护成本的增加通常会导致停机时间的延长。

预防性维护（11-12 美元/HP/年）：

这种维护理念是基于机械设备会随着时间的推移而磨损和失效的假设。 机械设计师和制造商对其机械进行研究，以确定建议的维护要求和检查间隔。 然后在这些预定的时间间隔内进行建议的维护和检查。

然而，在 20 世纪 80 年代中期，诺兰和希普撰写的可靠性研究报告认为，机器不会按时发生故障。 他们要么失败得太早，要么失败得太晚。 过早出现故障的机器会产生与 “运行至故障 “维护相同的问题和成本，而过晚出现故障的机器则会导致许多不必要的维护时间和过早的部件更换。 更重要的是，这项研究发现，只有约 11% 的机器故障与机龄有关，89% 的故障更多是随机发生的。 这基本上意味着，预防性维护对 11% 的故障有效，但对 89% 的故障无效。 他们还报告说，68%的故障发生在机器安装或维修后不久，这一时期通常被称为磨合期，机器越复杂，在磨合期内发生故障的可能性就越大。

预测性维护（7-8 美元/HP/年）：

通过使用状态监测，还进一步降低了维护成本。 20 世纪 60 年代初，各公司认识到，当旋转设备开始出现故障时，其运行条件将发生变化。 通过对这些运行条件进行例行监控，可以在发生灾难性故障之前提前预警这些变化，从而有足够的时间让机器停止运行。

自 20 世纪 80 年代初引入基于微处理器的数据采集器以来，这种维护理念不断升级。 可以测量机器的运行特性，如温度、压力、油液状况、振动和性能，并进行趋势分析，以确定变化情况。 在某些情况下，将这些测量值与预定值进行比较，可以快速确定机器的状况，而无需进行趋势分析。 这促使预测性维护计划（PdM）被迅速接受和实施。 预测性维护利用各种机器测量来确定机器的状况。 有许多不同的 PdM 技术，最成功的项目使用多种技术来提供最多的信息，从而最大限度地识别出正在出现问题的机器。

许多 PdM 项目都犯了 “森林盲症”（只见树木不见森林）。 他们花了太多时间收集数据，以至于没有时间进行分析，或者忽略了 “不太重要 “的机器。

最成功的 PdM 计划都采用了有效的筛选方法。 检测阶段的目标是识别 “坏机器”。 一旦确定机器出现故障，就可以使用其他测量或技术来确定导致机器状况发生变化的原因，然后采取适当的纠正措施，使机器恢复到良好状态。 这一演变导致建立了三个阶段的 PdM。 这三个阶段是检测、分析和修正。 有些程序增加了第四个阶段，即验证，但我认为验证是修正阶段的一部分。

最常见的 PdM 技术包括机械振动分析 (MVA)、红外热成像、超生波、油分析、电机电路分析 (MCA) 和电气信号分析 (ESA)。 最成功的 PdM 技术的共同特点是易于执行，并提供无损、可重复的测量。

检测阶段：

这通常是最重要的阶段，也是整个 PdM 计划的基础。 检测阶段包括定期监测所选设备的运行特性。 对这些值进行趋势分析，并检查是否有任何变化。 数据收集过程应快速而谨慎，目的是监控尽可能多的机器。 一旦检测到变化，就会采集更多数据进行分析，以确定机器状态变化的原因。

在检测阶段，整个目的是识别出出现故障的机器。 这意味着要在尽可能短的时间内筛选出尽可能多的机器。 然后，大多数 PdM 软件程序会查看收集到的数据，并识别可疑机器。

分析阶段：

这一阶段需要获取更多的数据，可能与检测阶段的数据类型不同。 这些额外的数据通常需要额外的数据收集。 由于在检测阶段只有少数机器（成熟程序中约为 2% 至 3%）会出现任何重大变化，因此在检测过程中快速获取识别变化所需的数据，然后在检测到变化后再进行更详细的检查，通常会更省时省力。

但是，如果厂址偏远或有其他出入限制，则有必要在检测阶段获取更详细的数据。 许多工厂和场所决定为这些应用永久安装监控系统。

校正阶段：

这一阶段包括纠正和消除引发病情变化的问题。 这可能需要清洁风扇、更换轴承或磨损的联轴器等。 可接受的振动水平或其他性能测量水平决定了校正和维修的具体类型。 有关纠正和消除这些问题的详细信息，请参阅本文后面的章节。

在检测阶段获取的数据通常不足以提供初步分析以外的其他信息。 要进行更详细的分析，还需要获取其他类型和更多的数据。 在某些情况下，机器可能需要在不同条件下使用多种技术进行操作。 仅使用检测数据结果来分析问题的做法并不可靠。 如果在检测阶段获取足够的数据以进行更准确的分析，则会减慢检测过程。 大多数经验丰富的可靠性部门都认识到将这两个步骤分开的重要性。

电气可靠性：

大多数人认为，电力可靠性的终点是向发电厂成功输送电力。 电力是当今工业使用的最重要原材料之一。 我们不仅要有源源不断的动力，还要有干净、平衡的动力。 然而，这种重要的商品也是供应给工厂的原材料中检查最少的一种。

工厂的几乎所有区域都需要用电，以提供驱动力，驱动大部分设备运行，生产产品或提供服务，而工厂的设备正是为了实现这些目标而建造的。 电力本身是一种独特的产品，因为它需要持续流动，无法方便地储存，而且在使用前通常不会进行检查。

电能质量可能是造成故障或失灵的原因。 电能质量 “差的结果通常是长期的，并不总是被认为是问题的根源。 电机烧毁或断路器跳闸后，要对电机和驱动机器进行电气和机械检查，然后重建或更换电机，整个过程重复进行。 此外，当今更新的机器和设备对更高电能质量的需求也在增加。 然而，如果要对电力进行检查，也可能是在电力进入工厂时进行检查，而不是例行检查。 在向电机或设备本身供应时，也不对其进行检查。

电力通常在远离使用点的地方产生，原始发电的可靠性未知，而且在电网中与许多其他发电机结合在一起。 电力在到达发电厂之前，要经过多个不同的变压器以及数英里长的架空和地下电缆传输。 其中许多配电系统由多个不同实体拥有、管理和维护。 一旦劣质或 “劣质 “电力接入电网，用户就无法将其移除或拒绝接受。

许多发电厂规模较小，属于私人所有。 目前正在努力规范和标准化电能质量，许多州都有自己的专门标准和法规。 然而，发电并不一定止于发电国的边界。

即使到达电厂的电能质量 “良好”，电机系统中仍有许多地方会对电厂的持续成功运行产生不利影响。

电机系统：

影响设备可靠性的因素远不止电机本身。 事实上，电机系统内的任何因素都可能导致电机系统故障，从而导致流程中断。 有效的检测可筛查机器的潜在问题。 因此，检测方法理应以尽可能少的测量值筛选出尽可能多的电机系统。 检测方法还用于识别尽可能多的潜在故障。 在选择有效的筛选方法时，还必须找出造成电机系统故障的问题。 一旦回答了这些问题，就有必要确定可用的方法，以便在最少的时间内筛选出尽可能多的机器。

电机系统由两个子系统组成：电机/驱动子系统和机械子系统。 电机/驱动子系统从进入工厂的电源开始，其中可能包括变压器、电缆和开关设备。 然后将输入的电力供应到配电或电机控制中心 (MCC)。 MCC 包括启动器、保护装置（如过载）、变频驱动器和其他各种系统，可安全地将电力输送到电机，使其成功运行和控制。

电动机将电能转化为机械扭矩，因此，电动机既有电气部件，也有机械部件。 电机的电气部分由固定部件（定子）和旋转部件（转子）组成。

定子绕组为电流提供流动路径，在定子中形成磁场。 转子由绕组或棒组成，为电流流经转子提供路径，从而产生转子磁场。 转子磁场和定子磁场之间的相互作用产生了机械扭矩。 机械子系统首先是电机的机械部分。 首先是轴，它将转子和定子磁场相互作用产生的扭矩传递给被驱动设备或负载。 轴承将旋转部件与非旋转部件分开，并将转子定位在电机内部。 电机轴通过耦合装置（如直接耦合器、皮带和滑轮，有时甚至是齿轮）与负载相连。

被驱动机器是系统中执行工作的部分，有许多类型的机器充当负载，如泵、风扇、压缩机、机床、机器人、阀杆以及许多其他机械设备。 机器系统的最后一部分是工艺本身，机器可以成型或切割材料、增加压力、移动空气或其他类型的气体、运输液体或混合材料。 在选择检测方法时，有必要对系统中尽可能多的组件进行调查。

电机/驱动子系统：

电机/驱动子系统中会出现的故障类型主要是电气故障。

输入电源故障包括电压不匹配、非正弦波和电压不平衡。 这些问题可能直接来自供应商，也可能是变压器绕组短路或变压器分接设置不当。 非正弦波电源会在电机内部产生负序谐波，从而产生过多热量。

控制系统中的故障包括母线或电缆连接松动、接触器侵蚀、腐蚀或松动、保险丝连接松动或过载继电器故障。 松动的连接、腐蚀或有凹坑的接触器会造成电压不平衡，施加到电机上的微小电压不平衡会造成高达 20 倍的电流不平衡，从而在电机系统中产生过热的循环电流。

电机系统的故障可分为电气故障和机械故障。 20 世纪 80 年代中期，电力研究所报告称，53% 的电机故障属于机械故障（41% 为轴承故障，12% 为平衡和校准故障），47% 为电气故障（37% 为绕组故障，10% 为转子故障），见图。 1. 在绕组故障中，83% 是绕组短路，只有 17% 是绝缘对地故障。 转子故障因电机类型和结构而异。 不过，最常见的电机是鼠笼转子感应电机。 鼠笼转子的常见故障是转子杆松动或断裂、转子不同心或转子对热敏感。

机械子系统：

电机内部的机械故障与其他旋转设备基本相同。 这些故障可能包括不平衡、不对中、轴弯曲、部件松动以及轴承磨损或有缺陷。 定子或转子磁场失真也会导致电机故障。 这些故障产生的机械力与其他机械力（如不平衡、不对齐等）相互作用。

在电机内部，轴承用于定位转子，并将旋转部件与静止部件分开。 通常使用两种类型的轴承，即滚动轴承和套筒或轴颈轴承。

耦合故障取决于耦合装置的类型。 有许多不同的设备可用于连接电机和负载。 有些设备直接将电机连接到被驱动机器上，这些机器以相同的速度和方向运行。 有些设备会改变速度或方向，或两者兼而有之。 其他常见的耦合装置有皮带、滑轮和齿轮。

任何类型的联轴器都可能出现不平衡、跳动、非方形加工或旋转部件上的其他配合或装配故障。

皮带和滑轮装置可能会出现故障，原因包括滑轮在轴上的安装不正确、滑轮可能会跑偏、皮带可能会松动、破裂或磨损。 如果联接装置是齿轮传动装置，则通常会由于一个齿轮的齿与另一个齿轮 “啮合 “而产生较小的力。 如果一个或另一个齿轮用完，还会出现其他故障。 齿轮也会出现磨损、裂纹或断齿。

被驱动的机器或负载也可能存在各种不同程度的不平衡、错位或跳动，从而产生旋转力。 离心式机器，如泵的风扇，甚至压缩机，都会在机器的旋转部件和非旋转部件之间产生相互作用的液压力。 每次叶轮叶片或叶片经过固定部件（如泵中的 “切水”）时，这些力都会引起运动。

过程本身会产生作用在机器/电机系统上的机械力。 其中一些力是机器运行的结果。 冲床和冲压机等机器在正常运行时会产生力。 气蚀和再循环等过程会在流体系统中产生液压。 额外的工艺变化（如负载变化）会改变机器的工作温度和压力，从而导致各自机器的热膨胀差异引起对中变化。

机械振动：

机械振动测量使用传感器来测量正在振动的部件或机械部分的机械运动。 传感器将机械运动转换成电信号。 传感器要么直接安装在运动部件上，要么安装在轴承或其他支撑结构上。 这些传感器测量被观测部件（轴承座或轴）的机械运动。

当元件向传感器运动时，会产生正电压输出；当元件远离传感器时，会产生负电压输出。 这样，传感器就能产生输出电信号，复制运动部件的运动。 电压的大小代表运动的大小。

牛顿第二运动定律指出，F=ma。 这意味着运动量代表了施加在部件上的力的大小。 这意味着，在非常大的机器上，需要非常大的故障才能使质量移动一个可测量的量。 此外，用于测量的传感器类型也会影响传感器的输出。

振动测量：

振动测量有两种类型：相对运动和绝对运动。

相对运动

第一种是相对测量，它将被测部件的运动与另一个部件联系起来。 最常见的测量方法是测量轴在轴颈轴承内的运动。 这种测量通常使用非接触式电涡流探头，即安装在轴承上或穿过轴承本身的传感器。 事实证明，这些测量对于确定轴在轴承内的运动轨迹和运动量非常有效。 这些测量值以位移为单位，可以是密耳（0.001 英寸）或微米（0.000001 米）。

这类传感器的主要优点是很容易将测量到的运动与内部轴承游隙进行比较。 其缺点是，如果安装传感器的部件在移动，则无法确定轴上所受力的真实测量值。 第二个缺点是，较高频率下的位移可能非常小，但位移量却很大。 因此，较高频率的故障将被掩盖在测量信号的本底噪声中。

绝对运动

振动的第二种测量方法是绝对运动。 这种测量使用一个传感器，将其运动与地球进行比较。 最常见的传感器是感应式传感器，其输出电压与运动速度成正比。 更常用的传感器是压电装置，它能产生电荷，电荷与施加的力有关。

感应式传感器和压电式传感器各有利弊。 这两种方法的主要缺点是，由于它们测量的是绝对运动，例如滚动轴承缺陷的早期阶段、泵腔内的气蚀或深井泵中的液压不足以移动基座或轴承座。

第二个缺点是传感器的频率响应。 感应传感器在低频和高频方面都受到严重限制，而压电传感器则会放大较高频率的信号。 由于传感器的安装技术以及传感器的方向或位置不同，它们的线性度也会发生变化。

这些传感器测量的力是测量点上所有机械力的组合。 由于大多数旋转机械都有许多不同的组件，而每个组件都可能对机械产生任意数量的重复力，因此测量到的振动信号将是由许多信号组成的复杂信号。

机械振动分析（MVA）：

机械振动分析过程可确定机械振动的频率，然后将其与机械和电气故障产生的力的频率联系起来。

为了确定测量信号中的频率，分析仪对信号进行快速傅立叶变换 (FFT)。 这一数学过程将收集到的复杂时基信号从时域转换到频域。 FFT 可以确定组合在一起的振幅和频率，从而构成这一复合信号。

机械故障：

有许多图表、表格和文件描述了这些机械故障出现时产生的频率。 这些故障中有几个会产生相同的故障频率。 不平衡、不对中、轴弯曲、轴破裂和转子偏心等故障都是由转子上的故障造成的，会产生与轴转速相关的力。 在许多情况下，有必要进行额外的测量或使用额外的技术来进一步确定这些类似的问题。

滚动轴承缺陷等其他问题的频率取决于缺陷的阶段和轴承的几何形状。 滚动轴承缺陷的一个问题是，早期缺陷产生的信号振幅很低，很难在故障发展的早期阶段识别出来。

电气故障：

电机通过转子和定子上的磁场相互作用而运转。 如果定子或转子上的磁场变得不平衡或扭曲，就会在电机内部产生不平衡的电力。 当旋转磁场通过扭曲或不平衡磁场时，这些力会导致转子在电机内部移动。

定子电气故障：

磁芯的形状由磁场决定。 定子铁芯和转子通常都设计成完美的圆形。

气隙不均

将完全圆形的转子置于完全圆形的定子内，所有磁力将相等且相反。 但是，如果转子在任何位置上都更靠近定子，那么当磁场穿过狭窄的间隙时，就会产生更强的吸引力，将转子拉向定子，而在转子的另一侧，即间隙更宽的地方，吸引力就会减弱。 这将造成电气不平衡，被称为不等气隙。

转子在定子内的位置由轴承的位置决定（见图 2）。 轴承通过轴承座、端盖和机架的机加工配合进行定位。 由于窄间隙是由转子的位置决定的，因此不等间隙将始终位于气隙内的同一位置，通常称为静态偏心。

据测定，在一台 2000 马力的双极电机上，转子气隙在定子内偏移 10%，如果转子按照 G 2.5 的 ISO 平衡规格进行平衡，产生的电动力将比离心力大 10 倍以上。 G2.5 的平衡规格被认为是良好的平衡。

软脚通常与不对中有关，但如果电机有未校正的软脚，拧紧固定螺栓不仅会重新定位轴承位置，造成可能的不对中，而且还会使电机外壳变形（见图 3）。

这种变形的套管会使定子铁变形，进而改变定子磁场，产生类似不等气隙的情况。

绕组/定子铁松动：

如果电机机架上的定子铁松动，或者定子槽中的绕组松动，则每次磁场经过松动部件时，定子产生的旋转磁场都会导致松动部件移动。 这三种故障通常是造成定子电气振动问题的原因。 这些故障的频率都是线路频率的两倍。 在直接驱动控制器上，60 赫兹的应用为 7200 CPM，50 赫兹的应用为 6000 CPM。

转子电气故障：

最常见的工业电机是交流鼠笼式感应转子。 这些转子使用转子棒作为导体，在转子上产生磁场。 转子铁或铁芯的形状由磁场决定。

偏心转子：

如果转子铁芯或端环偏心，转子磁场就会扭曲，并呈现出铁芯的形状。 当偏心转子置于同心定子内部时，转子磁场和定子磁场之间会产生不等间隙。 然而，由于扭曲的磁场位于转子上，狭窄的间隙会随轴转动。 当狭窄间隙位于磁极下方时，就会产生电气不平衡。 由于电气不平衡会随着转子位置的变化而变化，因此这种故障通常被称为动态偏心。

转子杆断裂：

鼠笼转子上转子杆的作用是为电流从转子的一端流向另一端提供路径。 电流会在转子上产生磁场。 当电流流向一个方向时，就会产生一个极性磁场，即南北磁场。 这些对立的磁极将直接相交，形成平衡磁场。

如果一根或多根转子杆断裂，当转子位于其中一个磁场下时，电流将不会在该部分流动。 但是，由于断口两侧的横杆是相连的，只要有完整的电流流过路径，电流就会流过这些横杆。 这就在转子上断裂杆的位置形成了一个死点。 当这个死点位于其中一个磁场下方时，就会产生电气不平衡。 这种电气不平衡将结合作用在转子系统上的任何机械力，导致转子总力发生变化。

断杆和偏心转子都是转子上的机械故障，会随转子一起旋转。 在感应电机中，转子的旋转速度小于旋转磁场的速度，因此机械故障会在磁场下进进出出。 当带故障的转子旋转时，作用在转子上的电场力会根据断条与磁场的相对位置而增大或减小。 这将导致电子和机械力的综合调节。 调制频率等于极数乘以转子的滑差速度。 这个频率通常称为极通频率 (PPF)。

热敏转子：

一些交流感应电机转子的受力会随负载变化而变化。 出现这种情况的原因通常是转子在电流流过和转子增大时发生弯曲。 出现这种情况的原因是铁芯叠片短路、转子叠片厚度不均匀或铸造转子中存在铸造空隙。 在上述任何一种情况下，转子的一侧都会变得比另一侧热，从而使转子较热的部分伸展或膨胀，导致转子弯曲。 弓形转子会导致转子偏心运行，并表现为动态偏心。

当故障影响到转子磁场时，不平衡力将导致转子综合力发生调制。 这将导致旋转速度下机械振动的振幅也发生调制。 振幅调制信号的 FFT 会在基频附近产生边带，在本例中，基频是运行速度的 1 倍。 边带的存在表明存在振幅调制，而边带的间距则表明调制的频率。 如果故障来自转子，则边带将以极通频间隔排列。 由于上述三种常见转子故障中的每一种都会导致转子力调制，因此每种故障的 FFT 都会在转速下出现一个带 PPF 边带的频谱峰值。

机械故障：

电机上的其他机械故障与其他机器上的故障相同。 故障将根据 FFT 的频率或某些情况下的模式在 FFT 中识别出来。 这些频率可以从任何图表中获得。

电特征分析（ESA）：

电气特征分析可测量机器运行时电机控制器上的所有三相电流和电压。 通过测量所有三个相位的电压和电流，每次采集 ESA 数据时都会对电机供电进行全面分析。 此外，还对电压和电流波形进行了 FFT 处理。

测试和研究表明，电机系统中的许多机械和电气故障都会导致电机电流以故障频率进行调制。

功率分析：

功率分析不仅能发现与电机有关的问题，还能发现任何输入功率问题，如谐波含量过高、电压不平衡、电压不匹配、电流不平衡、电机系统的功率因数和电机系统效率。 此外，由于 ESA 可以同时测量三相电压和电流，因此可以非常准确地确定电机的负载。 这样，ESA 软件就能准确地确定转子的实际转速；通常情况下，运行速度的测量值不超过 1 RPM。

FFT 分析：

电流的 FFT 与 MVA 或其他特征分析技术类似，可识别电机系统中的故障。 不过，与 MVA 和电机电流特征分析 (MCSA) 相比，对电机电压和电流波形执行 FFT 可提供更多诊断功能。 MVA 和 MCSA 都只测量电机系统的响应。 如果在电流频谱或振动频谱中出现大的频谱峰值，这是由于输入功率中的载波频率造成的，但这两种技术都无法检测到。 然而，通过对电压和电流进行 FFT，任何出现的频谱峰值都来自输入功率。 但是，如果电压频谱中没有与电流频谱相同的频谱峰值，则故障可能来自电机或从动设备。

定子故障：

ESA 的定子故障分为电气故障和机械故障。

定子机械故障：

当定子铁芯在电机机架上松动或定子槽中的绕组松动时，就会产生定子机械故障。 这些故障中的任何一种都会导致定子绕组中不连续的铁片产生磁场，从而对绕组进行调制。 这些频率称为定子槽通过频率，由定子槽数乘以运行速度确定。

虽然不会立即造成灾难性后果，但如果任由任何松动持续下去，就会导致绕组绝缘破损（因为松动会导致绕组绝缘磨损），或导致接地墙绝缘破损并产生接地故障。 这些故障中的任何一种最终都会导致绕组完全失效，最好的情况是电机重绕或电机完全损坏。 如果定子铁在故障期间损坏，则需要更换整个电机。 定子槽通过频率的干扰通常非常轻微，因此 MVA 在故障进入晚期之前不会发现这些故障。 当磁场围绕定子旋转时，这些故障将导致松动部件、定子铁或绕组移动，定子槽通过频率周围的线路频率边带将显示出这一点。

定子电气：

如果定子绕组和接地之间的绝缘破损，就会发生绕组故障或接地故障。 这些故障会导致局部发热和绝缘进一步劣化，直至最终烧毁绕组，严重时还会翘曲或烧毁内部层状绝缘。

当发生这些故障时，由于磁场围绕定子旋转，绕组的弱点会导致定子槽通过频率以线路频率进行调制。 当轴转动时，这些边带会进一步调制，从而在线路频率边带周围产生运行速度边带。

ESA 可以识别定子电气故障，但要确认故障类型，建议在电机断电的情况下执行电机电路分析。

同样，定子槽通过频率的这些调制非常轻微，产生的力也非常小，通常无法用 MVA 检测到。

转子故障：

使用 ESA 检测到的常见转子故障包括静态偏心（气隙不等）、动态偏心（偏心转子）和转子杆断裂。

静态偏心

当转子铁芯在磁场中同心和居中时，流经转子磁棒的电流将相等，并在转子的相对两侧极性相反。 但是，如果转子在磁场中不居中，那么最靠近定子的转子磁棒的磁场强度就会比对面强。 此外，当磁极围绕定子旋转时，每当一个磁极通过狭窄间隙时，都会导致转子磁棒周围的磁场发生变化。 这将在转子棒的通过频率周围产生两倍于线路频率的频谱峰值。 转子棒通过频率等于转子棒数量乘以运行速度。

动态偏心：

如果转子居中，但转子铁芯偏心，这将产生一个狭窄的气隙，气隙内侧与转子一起旋转。 窄气隙会在转子杆通过频率周围产生两倍线频（2xLF）边带，但由于窄气隙在气隙中旋转，在转子速度下会导致 2xLF 边带在转子速度下调制。 这就在 2xLF 边带周围产生了运行速度边带。

转子杆断裂：

当转子上的死点经过磁场时，定子磁场和转子之间就不会产生电感。 这将导致电机电流以 PPF 调制，从而在电流频谱中产生线频附近的 PPF 频率边带。

研究证明，转子线棒故障的严重程度取决于调制关系；严重程度分为七个等级，见表 1。

机械故障：

任何会对旋转设备造成振动的机械故障都会对电机造成负载。 即使是很小的冲击响应，如轴承系统的固有频率，也能通过 ESA 轻松检测到。 在 ESA 频谱中，机械故障表现为线路频率边带的中心频率。

解调频谱：

欧空局还生成一个解调低频频谱，Fmax 为 120 赫兹。 解调频谱是一种信号处理技术，可从捕捉到的时间波形信号中提取线路频率信号。 处理后的信号中只剩下导致电机电流调制的频率。 该过程信号的 FFT 可以非常清晰地显示所有故障频率，例如来自转子的故障，包括不平衡、不对中（不仅是电机的故障，在很多情况下还包括从动设备的故障）。 在正常电流频谱中，PPF 和运行速度 (RS) 峰值通常在线路频率附近以边带形式出现，而在解调频谱中则以单峰形式出现。 这有助于软件非常准确地确定采集数据时电机系统的实际 RS，通常精度在 1 RPM 以内。 其他低于 120 Hz 的故障频率会在解调频谱中显示为单个峰值，使用解调频谱很容易检测出皮带缺陷。

其他机械故障：

齿轮啮合问题、叶片传递以及电机系统中任何地方存在的任何其他机械力都会在高频电流频谱中显示为线频边带之间的中心频率。

滚动体轴承缺陷：

第 2 阶段早期和晚期的轴承缺陷在高频电流频谱中非常明显地表现为围绕运行速度非整数倍的线频边带。

欧空局的未来是什么？

初步测试表明，ESA 是筛选电机驱动机器的最强大工具之一。 几乎在所有情况下，ESA 数据中出现故障的时间都比 MVA 早得多，因为故障的作用力不必像机械振动那样足以移动整个机械结构。 此外，ESA 还能确定电机系统的供电状况，确定电机的效率，最重要的是确定电机在采集数据时的准确运行速度。 在使用 ESA 和 MVA 时，这种测量方法至关重要，因为电机系统中的大多数故障都与速度有关，而准确确定运行速度对于准确的频谱分析至关重要。

频率响应：

由于 ESA 使用电机电流的变化作为故障的标识符，因此即使是频率很低或很高的故障也能被检测出来。 MVA 根据测量类型（相对或绝对）和传感器的频率响应设定限值。

深井立式泵：

立式泵的经验表明，泵的故障不会传给电机。 为了确定泵内的情况，有必要在泵上安装传感器。 通常在泵完全损坏之前，电机不会检测到泵故障。 初步测试表明，使用 ESA 可以轻松检测到泵中的少量气蚀甚至叶片通过频率。 同时拍摄的 MVA 频谱显示，没有发现任何故障。

变频驱动器：

在使用 ESA 测试由变频器驱动的电机时，不仅可以检测到电机系统故障，还能很容易地发现驱动器中老化的电容器和其他电气问题。

有关电气特性分析或如何提高工厂电机系统可靠性的更多信息，请访问 www.alltestpro.com 或发送电子邮件至 [email protected]。