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第九章电机在线监测与故障诊断On-linemonitoringandfaultdiagnosisforMotor1本章内容•电机的故障特点与诊断内容•放电的监测•微粒的监测•振动的监测•温度的监测•发电机气隙磁通密度监测•发电机气隙间距的在线监测•发电机励磁碳刷火花监测•发电机的轴电压监测•转子绕组的绝缘电阻和平均温度监测•电机寿命的预测23§9.1.1背景电机系统结构图交流电源ProcessMechanicalandElectricalFeedback电机驱动系统机械系统1200rpm4v全美电机系统消耗了19%的总能源，57%的电力能源；v在制造业，电机消耗了70%以上的电能；v在过程工业，电机消耗的电能占全厂90%以上。94%3%1%2%停产损失能源消耗电机寿命降低常规消耗每年度成本核算中，附加消耗分布为停产损失93.6%，附加能量消耗3.1%，电机寿命降低1.2%，常规消耗2.1%。EPRI的报告§9.1.1背景5根据EPRI的报告：电机故障的53%源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等；47%源于电气原因；这其中，10%源于转子，如铸件缺陷导致的不平衡气隙、断条等；37%源于定子绕组。41%12%37%10%轴承故障对中问题定子故障（短路等）转子故障（断条等）电机故障源于何处？§9.1.1背景624%17%20%1%5%10%12%5%6%过载潮湿润滑不良化学污染粉尘颗粒单相运行轴承失效绝缘老化其它引起故障的外在因素§9.1.1背景为什么要状态监测？Whyconditionmonitoring?一个新的资产管理的平台!•提高生产能力Increasedproductionpace•运行在收支平衡之上Ongoing“costshavings”•生产中断不可容忍Productiondisruptionsareeconomicallyintolerable•世界级的生产运营需要可靠性维护WorldClassPerformancerequiresreliableproduction管理者策略ManagementStrategies•Utilizingexistingmachinery合理利用现有设备(Newmachinesorexisting?购置新设备还是利用现有设备)•IncreaseSpeed增加生产速度•ImproveQuality提高质量•IncreaseAvailability增加有效生产时间•Lowerthecosts降低成本(Energy,rawmaterial,personellcosts,etc.)当前状况Today’sSituation•维修部门从单纯的维修，逐渐转变成为确保企业生产能力的高级职能单元•维修费用占企业生产总成本的4%到14%•维修费用所占比例大于企业利润率•故障停机异常昂贵，远远超过维修费用冰山一角——潜在的危机Thehiddenpossibility维修维护产品质量损失能源消耗基本投资产品损失产能损失市场损失加大投资工作环境杜邦模式TheDuPontmodelProfit利润Contributionmargin毛利Revenue总产值Directcosts直接成本Commoncosts常规消耗Totalassets总投资Currentassets流动资金Fixedassets固定资产Rateofreturn投资回报率+––÷%状态监测的成效ImpactofConditionBasedMaintenance利润毛利总产值直接成本•能耗•实验费用•安全成本•工作环境改善•环保要求常规消耗•维修与维护•人员工资•实验•等等总投资流动资金固定资产投资回报率+––÷%总预期产值PotentialrevenueOPE生产损失•时间损失•质量损失•速度损失–优化运营Optimizingperformance.[Measure-compare-improve]0.003WorldClassPerformance.现代管理战略[Modernmanagementstrategy]OPE.总运营有效率[OverallPerformanceEffectiveness]Max.Prod.速度损失质量损失不可得时间OPE生产时间有效生产速度WorldClassPerformance85%.生产损失Lossofcontribution.[OverallPerformanceEffectiveness]100h90hA=0.9(时间因子)90ton/h81ton/hP=0.9(速度因子)81ton73tonQ=0.9(品质因子)OPE=0.9x0.9x0.9=0.73x100%=73%有效生产时间有效产品质量如何实现WCP什么最重要？Whatismostimportant?•做正确的事Todothecorrectthing•把事做正确TodothingscorrectRCM战略StrategyforRCM清洁与润滑Cleaningandlubrication1)设备改造Designout2)提高运行寿命Increaselifetime3)状态监测—日常维护保养CM-normaloperation4)状态监测—有计划的停机CM-plannedstop5)定期维修Timebased6)备用策略Redundance7)事后维修Corrective泵(101)电机(83)风机(26)53+/-1594+/-24113+/-60Variationwithconfidencelevelof95%.预警时间Prewarningtime.Machines(no.ofincidents)Days1）阻抗不平衡导致的电机效率的降低0246810121416012345678%阻抗不平衡%效率降低电机运行的可靠性分析0.750.80.850.90.951012345%阻抗不平衡功率因数降低2）阻抗不平衡导致功率因数的降低01020304050607080012345678%阻抗不平衡%电机损耗增加3）阻抗不平衡导致电机损耗0102030405000.511.522.533.544.55%温升%阻抗不平衡4）阻抗不平衡导致温度上升5）附加的温升导致电机寿命的降低020406080100120051015202530%温度升高%电机寿命降低24•机械故障–轴承–轴/轴承座–振动•测试方法–振动–红外–超声电机•电气故障–绕组短路–绝缘不良–污染–转子故障–气隙•测试方法–振动–绝缘测试–耐压、冲击试验–欧姆表–电流/电压表–超声–红外电机耦合(对轮或皮带)•故障–不对中/不对正–带/键磨损–张力不当–皮带轮磨损•测试方法–振动–红外负载(风机,泵,压缩机,齿轮箱,等)•负载故障–部件疲劳(例如:密封)–部件失效(齿轮,叶片等)–轴承失效•测试方法–振动–红外–超声2829常规诊断方法——绝缘电阻测试电机绝缘测试一直是电机检测中重要一环，绕组对地绝缘的状态决定了其在运行状态中的安全性，因此在投产前、检修后，它是常规检测中必不可少的测试项目。30常规诊断方法——介质吸收比与极化指数31常规诊断方法——高压冲击对比实验32电机静态诊断方法的误区！摇表就可解决问题——错误！对地绝缘问题仅占电机系统故障中5%以下电桥可以检测到匝间短路——错误！a)认为三相平衡是电阻值的平衡是错误的；b)运行中三相电流的平衡与否要看三相阻抗是否平衡；c)匝间短路的发展与阻值的降低不成正比！使用匝间耐压试验仪？a)破坏性试验；b)波形复杂，难以分析；c)有些匝间短路的情况在波形上无反映；d)设备笨重。33静态电机电路分析技术交流电机等效电路分析电阻R电感L电容C感抗XL=ωL容抗XC=1/(ωC)阻抗Z2=R2+(XL-XC)2相角Fi=34三相不平衡的原因之一：特殊设计•定、转子的相对位置及定子绕组的设计；•定子的类型：由于相对核心的磁路关系，叠绕型电感相间相等，而同轴型则存在少量的不平衡；35三相不平衡的原因之二：故障转子故障：铸件缺陷气隙不均衡偏心断条断环定子绕组故障匝间、线间(层间)、相间短路；绝缘缺陷(磁通集中至缺陷点)36例：三相平衡三相电机460V、60Hz、10HP，满负荷14A线间阻抗：ZAB=VAB/IAB32.9∠45°Ω=650.5∠120°V/19.8∠75°A37发生绕组短路，导致阻抗、相角不平衡：产生三相电流不均衡：38绕组短路的监测方法——I/F测试I/F值标志着绕组短路过程中，电感的失效程度39交流电机的静态监测40电机静态监测的IEEE标准以下评判标准是基于美国能源部及IEEE15年的考核：阻抗测试较直阻R的测试更精确，I/F用于评估故障源于定子还是转子，且能够诊断早期匝间短路等故障。41静态监测——快速故障诊断42静态监测——快速区分短路类型•相角与I/F的对应关系：•Fi与I/F+/-2——同相、同绕组的匝间短路；•Fi+/-1,I/F平衡——同相绕组中线圈间短路（层间短路）；•Fi平衡,I/F+/-2——相间短路；•此结论与电机大小无关•电阻~+/-5%43线间短路与相间短路44静态监测——快速区分定子快速区分定子//转子故障IEEEPenrose定理45静态监测——转子电磁特性评估46铸造缺陷•畸变发生在侧边(上升或下降段)，导致少量二倍频振动；•畸变发生在波峰或波谷时(出现扁平带)，降低电机输出转矩。IEEEPenrose定理47铸造缺陷与断条48断条49实例：匝间短路电阻、阻抗、电感都维持平衡，但I/F与Fi角有一定偏差，这种情况一般发生在具有大阻值绕组的小功率电机中的单匝短路。50实例：300kW电机多次轴承失效300kW,3600RPM连续多次发生轴承失效负载电流分析发现非标准信号转子电磁特性测试结果说明存在铸造缺陷，同时存在偏心，最大的可能是轴套定位偏差。51实例：转子断条振动分析没有发现根源；R、Fi、I/F均无大的偏差，而Z、L偏差很大；转子测试发现断条。52监测结果分析53电机电气信号分析技术频域分析时域分析54频域分析从时域波形转换成频谱图55•频谱分析法每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。•趋势分析法、频谱趋势分析法根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。56带滚动轴承的机械的频谱特点不平衡不对中松动滚动轴承故障频率05101520253035404550×RFrequencyinorder3.53.02.52.01.51.00.50Velocityinmm/spk57时域分析58§9.2放电的监测•局放量的定位技术•如何区分局放源•局放在线监测技术59§9.2.1局部放电源的识别频域分析-人工缺陷-绕组劣化局放图谱-极性-局放间隔，相位角试验方法需要更多的图谱分析技术频域分析需展开进一步研究需考虑复杂模式的局放传播规律结论§9.2.1局部放电源的识别§9.2.1局部放电源的识别绕组末端上的表面放电§9.2.1局部放电源的识别槽放电模拟§9.2.1局部放电源的识别脉冲信号的传播特性-校准信号-高压下的局部放电信号传播局放信号测量方法-频域分析-波形试验方法§9.2.2局部放电定位技术校准信号传播具有选频特性局放传播的复杂行为很难解释绕组端部效应结论§9.2.2局部放电定位技术局放信号的传播特性脉冲传播氢发电机模拟器1994.11.9.(10VPulseInjection,usingSignalGenerator)-C1CouplerPropagationCharacteristicsofStatorWinding-Uiam#2:5MHz,:4MHz,:3MHz,:1MHz,:2MHz,:7MHz,:6MHz,:8MHz,:9MHz:10MHz:11MHz:12MHz:13MHzInjectionPosition(SlotNumber)0816243240PerUnitVoltage0.0.3.6.91.21.5脉冲传播Time(nano-second)