电机电流特性分析（MCSA）的应用

电机诊断技术在20世纪90年代和进入新世纪后变得更加普遍。 这些技术包括应用于通电和断电电机系统的电机电路分析（MCA）和电机电流特征分析（MCSA）。 应用似乎几乎是无穷无尽的。

本文包括的系统有ALLTEST IV PRO 2000电机电路分析仪、ALL-TEST PRO OL电机电流特征分析仪、EMCAT电机管理软件、Power System Manager软件和ATPOL MCSA软件。 除了美国能源部的MotorMaster Plus软件外，ALL-TEST PRO MD套件还包括所有这些系统的整合。 本文的目的是强调ALL-TEST PRO MD系统的MCSA应用，该系统保持了以下特点。

• MCA读数的电阻、阻抗、电感、相位角、电流/频率响应和对地绝缘（兆欧姆）测试。
• 电压和电流解调的MCSA能力，包括5kHz的FFT分析。
• 通过软件对MCA和MCSA进行自动分析和趋势分析的能力。
• 完整的电能质量数据记录和分析，包括即时的三相事件捕获。

本文中的例子包括许多通过实施电机诊断技术的潜在应用。

转子棒测试

最初开发MCSA技术的根本目的是检测转子棒的故障。 转子棒很难用传统的测试方法来评估，包括振动分析。 确定使用电流的方法可以用来评估转子杆的状况。 基本规则很简单。当电机处于负载状态时，基线频率周围的极点通过频率边带，表明转子有问题。 标准规则已经确定，当边带峰值接近线频率峰值的35分贝以内时，转子杆问题就很严重。

图1：转子棒的频率

图1中的例子显示了从峰值线路频率起约-40dB的边带。 这表明在这个500马力、4160伏的压缩机电机中至少有一个转子杆断裂。

图2是两个可能的例子之一。
场景。

• 铝制转子中的铸造空隙。
• 在齿轮的应用中，软牙（或牙齿）。

图2：浇注空隙或 “软 “齿轮齿

使用更高频率的解调电压和电流FFT，可以检测到诸如动态和静态偏心、松动的转子杆和其他与转子有关的故障问题。

图3：空载时的转子摩擦

图3中的数据与一个7.5马力、1800转/分的潜水泵在无负荷情况下进行的干燥测试有关。 转子与定子铁芯轻微摩擦，这被确定为静态和动态偏心，有多个电流峰值，如图所示。

感应电机测试

单相和三相电机可以使用解调电压和电流的组合进行评估。 一个特别的规则和力量，就是
如果电压和电流的组合出现峰值，则故障是电气性质的，如果峰值出现在电流中，而不是电压，则问题是机械性质的。 用MCSA评估系统的另一个好处是，你可以检测电源和负载相关的故障。

图4：定子机械故障

正如你在图4中注意到的，峰值在电流中被识别，但在电压FFT中没有显示。 这表明存在机械故障。 因为它们与运行速度和定子槽数有关，是与绕组有关的机械故障。 还有几个仅有电流的峰值存在，表明与负载有关的故障，在这种情况下，很可能是齿轮箱的问题（注意，这是与图2有关的高频数据）。

图5：机械不平衡

图5中所示的电机有一个机械不平衡。 该特征显示为两倍线频（LF），四倍线频，然后两倍线频的模式。 在这种情况下，转子条数乘以运行速度，有低频边带，然后出现剩余的模式。

直流电动机测试

直流电动机的评估方式与振动类似。 事实上，在振动中的签名与MCSA中的签名是一样的。 直流电压和电流取自电枢电路。

图6：直流驱动故障

在图6的情况下，线路频率的多次谐波加上电力电子器件（可控硅）数量乘以线路频率（本例中为360赫兹）的多次谐波，表明可控硅故障或连接松动。 这可以通过查看低频数据中的电压和频率纹波来确认。

同步交流发电机测试

同步交流发电机也可以使用电压和电流解调的电流进行快速简单的评估。 在下面的例子中，一台交流发电机因温度过高而跳闸。 MCA和MCSA都被用来评估系统。

图7：同步交流发电机的MCSA数据（低频）

图8：交流发电机动态偏心率

被测试的交流发电机在40分钟的测试运行中显示出偏心率增加，旋转场故障和一些电气故障信号。 这些信息与MCA数据结合在一起，显示出绕组短路、电缆短路以及在短的部分负荷运行中绝缘电阻的显著下降。 该交流发电机是一个475千瓦、480伏的交流发电机，每相需要三根平行电缆。 对于较大的电缆，ATPOL系统有多种选择。 然而，在紧要关头，每相的三根电缆各用了一根，所以电流值大约是1/3。

图9：交流发电机的电流连接

变频驱动器

变频驱动器一直是一些MCSA系统的挑战。 然而，在ATPOL的情况下，这并不是一个问题。 可以查看输出的电压和电流信号（图10）。

图10：VFD的电压和电流波形（0.05秒捕捉）。

图11：VFD低频数据

在图11中，是与图10相同的系统的低频(<120 Hz)数据，显示驱动器的输出线频率为43 Hz，3600 RPM电机的运行速度为2570 RPM。

图12：VFD高频数据

从图12中可以看出，强烈的电压和电流峰值表明电机系统的相关故障。 一些额外的噪音严格来说是由于来自VFD的电压和电流波形造成的。 然而，软件会自动在波形中放置与不同故障有关的光标。

图13：峰值中的特殊分析

图13显示了相同的数据，但显示了峰值电压和电流。 较高频率的电流表明与电压谐波有关的问题，这在较低的波形中显示。 所有的数据综合起来显示出一个与输入电压有关的问题。 当在46赫兹测试时，问题变得更加显著，并指出供应系统的潜在故障在45赫兹以上变得很普遍。

该解决方案将通过应用于VFD驱动输出的滤波而得到缓解。

带电机和涡流驱动的冲床

可以查看完整的电机系统，包括被驱动负载。

图14：冲床负载周期

图14显示了10秒内的电流周期。 峰值A是这个周期中的三个峰值之一，与冲压冲程的冲头（底部）有关，而C点则与冲程的顶部有关。 B点确定了在系统接近冲程峰值时的某种类型的摩擦或抓取问题。 底部的三个笔画有助于识别每分钟发生18次的操作。

图15：与电机相关的线路频率边带

图15显示了一个高的 “本底噪声 “和LF峰值频率周围的许多边带。 这与高频数据一起，有助于将方向指向负载。

图16：涡流式离合器的高频数据

图16表明，来自整流器（六个可控硅）的直流电压中存在连接和/或可控硅故障。 峰值在高
频谱还可以识别出涡流驱动和冲床本身的故障，最可能的是系统的松动（相关的特征显示出升高的噪声底线）。

MCSA和能源应用

ATPOL系统的自动报告和数据记录功能还包括能够与美国能源部的MotorMaster Plus软件一起工作。

其他功能由ALL-TEST Pro、Dreisilker Electric Motors和Pruftechnik出资纳入MotorMaster Plus，以便将电机诊断信息纳入分析。 使用MCA和MCSA可以让用户评估电动机的状况，然后做出与能源有关的维修与更换的决定，并确认投资回报。

例如，用MCSA测试的一个40马力、1800转的电机确定了一些与机械和电气有关的故障。 这些数据被纳入MotorMaster Plus报告，并确定在90%的负载下，运行频率为91.5%的效率。 假设能源成本为0.07美元/千瓦时，需求量为14美元/千瓦，每年运行2000次（1次轮班），确定了一个替换的优质高效电动马达，简单投资回报率为0.9年，税后投资回报率为866%。

数据还可以被美国能源部的泵系统评估工具（PSAT）、AirMaster和其他工具所利用。

电机诊断能力 – ALL-TEST PRO MD系统

ALL-TEST PRO MD套件中提供的MCA和MCSA的综合能力，通过EMCAT电机管理软件系统的整合，可以实现
用户要执行以下内容。

• 对MCA和MCSA数据进行自动分析。
• 通过Power System Manager和MotorMaster Plus软件系统进行投资回报计算。
• 电气设备的调试
• 电气设备的故障排除
• 电力机械的发展趋势
• 电机的根本原因分析
• 电气和机械健康的完整系统视图
• 评估交流/直流系统，通过 “软耦合 “系统（即：涡流驱动）的负载
• 能源研究和调查。
• 支持其他诊断技术，如振动、红外线等。

所有这些都是通过一个简单的电机诊断系统。 可以使用手持式数据采集器或通过电脑或笔记本电脑的 “远程操作 “能力来收集数据（系统可以从电脑屏幕上远程操作）。

总结

这份ALL-TEST Pro白皮书的目的是介绍ALL-TEST PRO MD电机诊断系统的MCSA功能。
正如所展示的那样，其能力远远超出了感应电机的简单分析，包括。

• 交流电机和交流发电机
• 直流电动机和发电机
• 单相和三相系统
• 涡流驱动
• 变频驱动器
• 输入的电能质量
• 驱动负载
• 更多

这些能力已经远远超出了本文所引用的范围。

将提交其他论文，确定使用电能质量、MCA、MCSA和与负载有关的故障检测的机会。