预测性维护计划：实施 ESA – 第二部分

本文是《正常运行时间》2012 年 12 月/1 月刊上发表的文章的后续。

摘要

本文是讨论使用电气特性分析 (ESA) 提高发电厂电气可靠性的系列文章的第二部分。 本文旨在为不熟悉频谱分析的人提供阅读和解释频谱分析中使用的图表和显示的基础知识。 它还介绍了一些基本的分析技术，以便开始使用 ESA 来识别电机系统中正在出现的问题，这些问题可能会导致生产损失或维护成本增加。

电特征分析

ESA 是一种预测性维护 (PdM) 技术，它利用电机的电源电压和工作电流来识别整个电机系统中现有的和正在出现的故障。 这些测量值就像传感器一样，电机系统中的任何干扰都会导致电机供电电流发生变化（或调制）。 通过分析这些调制，可以确定这些运动系统紊乱的源头。

机械分析 从历史上看，振动分析一直是旋转机械分析的基础，用于评估旋转设备的状况，70 多年来一直非常有效。 现代电子技术和微处理器使这一过程更加成熟，从使用线圈、磁铁和仪表测量整体振幅的简单振幅测量，到快速评估旋转机械的机械状况。 人们很快就发现，振动大的机器一般机械状况都很差，因此开发了各种振动严重性图表，所有这些图表都完全基于用户的经验。

频谱分析

信号处理中的频谱分析是定义时域信号频率内容的过程。 一旦知道测量信号的频率内容，就可以将其与一台或多台机器的运行和设计特性联系起来，帮助确定产生振荡运动的力。

机械振动频谱分析首先要将传感器（换能器）放置在振动部件上或附近；这通常是在轴承或轴承座上，以将部件的机械运动转换为电信号。 输出的电信号完全跟随部件的运动，随时间变化，被称为时域信号。 信号的强度或振幅因运动量而异。

早期的频谱分析使用可调滤波器分析仪在预定频率范围内扫描模拟带通滤波器。 这些分析仪的工作原理类似于调谐收音机。 当带通滤波器扫描频率范围时，该范围内的任何信号都会产生输出。 带通滤波器的输出将被绘制在频率图上，以确定换能器输出中的频率。

现代多通道、高分辨率数字分析仪采用快速傅立叶变换 (FFT) 技术创建频谱。 此外，它们还支持各种信号处理技术，如边带分析、同步时间平均、负平均、包络处理和许多其他可准确解释频谱的先进技术。

无论信号处理技术如何进步，振动分析仍然受到物理定律和传感器限制的制约。 由于振动是对机器随机或周期性机械振动的测量，因此机器状况或部件故障必须产生足够的力来克服机器和结构的质量和刚度，以及轴承或支撑系统提供的任何阻尼。

测量传感器本身也会造成其他限制。 这包括测量类型、相对测量或绝对测量、传感器的频率响应以及测量本身、位移、速度或加速度的固有频率限制。

频率分析

时间波形

时间波形只是显示与时间相关的变量函数。 如果变化发生的时间间隔相同，则波形具有周期性。 周期性波形是指在波形的整个持续时间内重复完全相同的形状或模式的波形。 最简单的波形是正弦波，由单一频率组成。 由多个频率组成的波形称为复合波形。 波形的图形显示称为时域。 显示屏只显示变量与时间相关的瞬时值。 在时域中，横轴表示时间，纵轴表示变量的大小。

傅立叶变换

让-巴蒂斯特-约瑟夫-傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier）是 18 世纪法国数学家和物理学家，他是最早认识到复杂波形是多个正弦波形组合的人之一，并启动了这一领域的研究。 傅里叶变换是用来确定构成任何复杂波形的一系列频率的数学解决方案，这个名字就是为了纪念他而命名的。 最初的傅立叶变换假定样本是无界或无限的。 此后，人们发现傅里叶变换可以应用于有限波形，并将其称为离散傅里叶变换（DFT）。 目前已开发出高效、高速计算 DFT 的算法；这些算法被称为快速傅立叶变换 (FFT)。

简单地说，FFT 对时间波形进行有限采样，然后计算正弦波的振幅和频率，再将这些正弦波组合在一起，形成复合波形。

FFT 的图形显示在频域中呈现，被称为频谱。 频谱在横轴上显示复波形中的频率，在纵轴上显示信号的振幅。 如果在任何频率上存在足够的运动，横轴上将显示一条垂直线，表示该频率的存在。 垂直线或频谱线的高度表示该频率下波形的强度或振幅。 如果复波形中的一个正弦波频率为 30 赫兹，振幅为 3 安培，那么频谱峰值将位于 30 赫兹，高度为 3 个单位。

有许多程序可用于执行 FFT，分析人员无需执行这些程序，但分析人员确实需要对这种图形显示本身有基本的了解。 对 FFT 显示的最低理解是频率范围、分辨率和带宽。 如果了解边带、谐波、对数缩放和解调，就可以进行更高级的分析。 以下信息试图让读者充分了解这些基本 FFT 原理，以便准确分析使用 ESA 收集的数据。

了解 FFT

了解任何显示器的极限对于准确分析该显示器都是非常宝贵的。 FFT 是一种数学计算，这些限制是在进行数学计算之前确定的。 这些边界是频率范围和分辨率线。

频率范围

频率范围决定了 FFT 计算中包含的频率。 如果选择的频率范围过低，则会漏掉较高频率的故障。 如果选择的频率范围过高，相近的频率序列可能会合并在一起。 此外，频率范围决定了数据采集时间。 周期信号的频率是时间的倒数；选择的频率范围越小，数据采集所需的时间就越长。 在 PdM 中，大多数 FFT 都从直流（0 Hz）开始，一直到某个最大值。 最大频率范围称为 Fmax。 为了进行更深入的分析，可以将频率范围的下限设置为大于 0 Hz 的值，并设置一些更高的限值。 这被称为放大光谱。

决议

第二个预设边界是分辨率线。 每个频谱被划分为数量有限的谱线。 光谱线实际上是一个误称，因为实际上它不是一条线，而是一个光谱仓。 每个光谱仓都有高频和低频限制。 这些限制由 FFT 的频率范围和线数决定。 光谱仓的宽度称为带宽（BW）。 要确定每个光谱仓的宽度，只需将光谱线的数量除以频率范围 (FR)。 如果频率范围为 100 赫兹，有 100 条谱线，则每条谱线的宽度为 1 赫兹。

BW = # 行/FR

每个光谱分区的带宽也可以通过从每个光谱分区的频率上限（fu）中减去低频上限（fl）来计算。

BW = fu -fl

每个光谱仓紧靠前一个仓对齐，每个仓的频率下限是前一个仓的频率上限。 频率上限将是分选箱的下限加上带宽。

例如在 FR 为直流到 100 Hz 的 100 线谱的第一个谱仓中，频率下限为 0，频率上限为 1 Hz。 频谱分贝为 1 赫兹。 频率范围决定了快速傅立叶变换 (FFT) 计算中包含的频率。 如果选择的频率范围过低，则会漏掉较高频率的故障。 20 6 月/7 月 12 日从 1 Hz 到 2 Hz，第三个频段从 2 Hz 到 3 Hz，以此类推，最后一个频段为 99 Hz 到 100 Hz。

如果光谱仓的带宽过宽，则同一光谱仓中可能存在多个频率。 此外，在评估频谱时，频谱仓的显示频率就是该频谱仓的中心频率 (cf)。 要确定光谱仓的比值，只需计算频率上限和频率下限的平均值即可。

cf = (fu + fl)/2

这意味着指示的频率可能不是实际信号的频率。 显示的频率值是光谱仓的中心频率，而波形的实际频率可以是光谱仓带宽内的任何频率。 每个光谱仓可包含一个以上的频率。 带宽越宽，频谱分区显示值的频率精度就越低，这就增加了分析误差的概率。

要减少这种分析误差，只需提高 FFT 频谱的分辨率即可。 缩小 FFT 的频率范围可以提高分辨率，但同时也会增加数据采样时间和数据采集时间之间的时间间隔。 另一种方法是增加 FFT 所划分的频谱箱的数量。 增加光谱箱的数量需要对测量信号进行更多采样。 要将分辨率线数增加一倍，必须获取两倍的数据。

确定分辨率

只需将时间波形的周期 (P) 乘以频率范围 (FR)（单位为每秒周期数 (cps)），即可确定 FFT 频谱的分辨率行数 (#行)。

(行数=P x FR）

由于欧空局对时间波形进行了数字化处理，因此 FFT 在计算机中进行，可以在数据采集后更改 FFT 分辨率。 这样，分析人员就可以检查捕捉到的波形中非常小的部分。 不过，必须记住的是，如果缩短时间捕捉的周期，分辨率的行数也会相应减少，分析出错的概率也会增加。

振幅显示

线性缩放

最常用的 FFT 图形显示是线性刻度。 在线性刻度上，标记之间的间距始终相同且相等。 这样，所有数据都可以方便地显示在一张图表上。 当有意义的变化非常重要，而极小的变化无关紧要时，线性图显示数据集的效果很好。 线性刻度上显示的单位是测量变量的工程单位。 在 ESA 中，这些单位是电压（伏特）或电流（安培）。

对数缩放

对数刻度显示的是振幅的大小顺序或变量的对数，而不是变量本身。 对数标度的一个优势是能够在一张图上显示很大范围的振幅。 如果测量变量的变化非常小，以线性格式显示可能无法充分识别变化。 在这种情况下，使用对数（log）显示。

在 ESA 中，由于测量变量是线电压或电流，因此通常使用对数刻度。 这些测量值的微小变化都可用于识别电机系统的故障。 这些变量的载波频率与应用电压的频率一致，通常为 50 赫兹或 60 赫兹。

由于对数显示本质上是一种比率，因此也是一种非常方便的比较不同变量的方法。 事实证明，这对欧空局非常有用，因为它的一个重要方面就是能够区分 “革命开始了”！ 仅售 2450 美元！ ALiSENSOR™ Level 就在这里！ ALiSENSOR™ Level 是世界上第一个 iOS 几何测量系统。 现在，直线度、倾斜度和方形度等测量比以往任何时候都更加方便和经济！ 您甚至可以将自己的 iPad、iPhone 或 iPod Touch 用作显示装置，使用从 App Store 免费下载的应用程序，包括自动更新！ 2 年保修！ 今天就致电或访问 Alignment Supplies, Inc！ 419.887.5890 / 800.997.4467 www.alignmentsupplies.com 检测输入电源中的故障与电机或从动设备增加的故障之间的关系。

对数刻度使用的单位是分贝（db），是以 10 为底的对数。 分贝是用来描述比率的单位。 电压和电流的测量值是场量，ESA 中使用的 db 比率也是场量。 表 1 提供了测量变量与电流和电压波形峰值的关系指南，并与频谱中的最高峰值进行了比较。

摘要

要有效地将 ESA 作为 PdM 技术使用，就必须具备操作、解释和理解 ESA 软件开发的图形、图表和显示的能力。 这些图形、图表和显示可用于识别电机系统的故障。 熟悉振动分析的工程师和 PdM 技术人员会发现，ESA FFT 与振动频谱相似，许多分析技术也相同。 不过，即使是在 MVA 中，分析人员也必须充分了解 FFT 不仅能说明什么，更重要的是，它不能说明什么。