Empath2000電機故障診斷儀應(yīng)用

余江濤

（大慶石化公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

1 Empath2000原理

Empath2000系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場電氣設(shè)備三相電流、電壓量，分析電機的運行情況，可監(jiān)測電機的軸承、定子、轉(zhuǎn)子等各種故障，可對電機進行預(yù)知維修。

Empath2000其硬件部分由傳感器、A/D卡、數(shù)據(jù)調(diào)理箱。軟件部分由Empath2000 V4.3分析診斷軟件、A/D卡驅(qū)動程序組成。

Empath2000系統(tǒng)集成一個工業(yè)標準的A/D采樣板，具有16通道單端輸入，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，每個通道程控增益，使信號在Empath2000信號分析軟件能夠處理。A/D板對Empath2000軟件提供必要的輸入，并提供額外的輔助通道用于用戶特殊的數(shù)據(jù)采集，例如熱像圖、加速度或鍵相。

單相和三相感應(yīng)電機是當前工業(yè)和商業(yè)機械中最廣泛使用的電機，工業(yè)應(yīng)用的大電機是三相50 Hz鼠籠型設(shè)計，用于驅(qū)動泵、風(fēng)機、壓縮機和許多種其他機器。當承受的負荷或扭矩增加時，鼠籠電機轉(zhuǎn)速減緩，供電電流增加，導(dǎo)致功率增加。扭矩的增加或者速度的變化將改變電機的電流，因此電流可用來反映負荷扭矩或轉(zhuǎn)速的變化。小的負荷波動表現(xiàn)為50 Hz供電電流之上的小的電流變化，而這種變化可用靈敏的儀器監(jiān)測。因為不平衡、不對中、齒輪和皮帶磨損、摩擦力和往復(fù)部件導(dǎo)致的機械振動可以引起負荷的波動，檢測電流的波動可以獲得有用的機械診斷信息。

2 Empath2000應(yīng)用分析

2.1 電壓不平衡

當電源開關(guān)故障或者電纜接觸不良等故障將造成電機的三相線電壓不平衡，導(dǎo)致定子線圈的電流不平衡，小量的電壓不平衡將導(dǎo)致大的多的電流不平衡，引起電機溫升過大。因此，電機在不平衡電壓運行條件下，相同負荷的電機溫升，將大于運行于相同條件下但具有平衡電壓的電機。

如果電壓不平衡，電機的額定功率應(yīng)該被電壓減免系數(shù)（VDF）相乘，以減小電機損壞的可能性。不推薦電機運行于高于5%的電壓不平衡狀態(tài)。當電機端子處的電壓不平衡不超過1%時，一個交流多相電機應(yīng)當在其額定負荷正常工作。在EMPATH報告中給出電壓不平衡的計算數(shù)據(jù)。

2.2 電流不平衡

電機發(fā)生故障或者機械部分故障都將引起電機電流不平衡，一般來講，施加到電機的電壓來自電源，其受到電機的影響比電流要小的多，而電流的大小取決于電機的負荷。這就是說，電機的電流取決于電機感知的負荷，并且這個電流隨負荷的變化而變化。電壓可被看作無限源或獨立變量，而電流作為關(guān)聯(lián)變量或可變源。

3.故障排除后，筆者又特意測量了低壓燃油壓力，怠速時壓力值在2.5～4bar之間擺動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 000r/min時，則穩(wěn)定在3.5bar左右。由此可見，該車故障發(fā)生時低壓燃油壓力偏低確實是噴油嘴泄漏引起的。

EMPATH報告中給出了電流不平衡的計算結(jié)果。電流不平衡的測量如同電壓不平衡，然而對允許電流不平衡不存在任何標準，因此，EMPATH實行與電壓相同的標準，即不推薦電流不平衡超過5%。電流不平衡高于3%應(yīng)引起關(guān)注，如果電流不平衡超過10%則建議停機。假定電壓是一致的，電流不平衡則意味著電機電路的一相或多相是不同的。長期的不平衡運行將導(dǎo)致電機損壞，而不論是電壓、或電流或兩者都有的不平衡，不平衡問題需要盡快解決。

2.3 電源分析

由于EMPATH采集三相電流和電壓，可用功率計算進一步分析電機的問題。EMPATH提供所有三相的功率因數(shù)數(shù)據(jù)，諧波分析，輸入、輸出馬力等數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)便于分析查看電機故障，并提供相關(guān)依據(jù)。數(shù)據(jù)可用計算按鈕在屏幕上查看，或在打印的報告中查看。

2.4 軸承故障

軸承故障的電機的常見故障之一，也是最難診斷的故障，在EMPATH軟件中輸入相關(guān)電機的軸承參數(shù)，基于軸承的幾何尺寸，有4個數(shù)字系數(shù)描述軸承如果損壞所產(chǎn)生的機械振動，這些系數(shù)通常是實數(shù)而不是整數(shù)，這樣當它們與轉(zhuǎn)速頻率相乘時，產(chǎn)生的峰值頻率不是轉(zhuǎn)速的整數(shù)諧頻，這是關(guān)鍵的診斷指示。

EMPATH使用2種方法識別軸承問題，如果已知軸承制造廠商和型號，可以發(fā)現(xiàn)故障系數(shù)，EMPATH將搜索高頻頻譜，尋找計算的譜峰頻率±FL位置。如果不知道軸承制造廠商和型號，那么，EMPATH將搜索高頻頻譜，尋找非整數(shù)倍轉(zhuǎn)頻峰值。不論何種情況，如果識別了頻譜峰，EMPATH將識別潛在的軸承問題，并建議進行振動分析。

2017年6月9日，本單位1#爐2#吸風(fēng)機電機后側(cè)軸承運行時間斷有沙沙聲，檢修人員對該電機進行解體檢查，后側(cè)軸承、風(fēng)扇無任何異常，電機轉(zhuǎn)子也無任何摩擦跡象，利用普通的檢測手段，無法斷定該電機是否能正常運行，利用Empath2000對電機進行監(jiān)測，檢測結(jié)論如下：這臺電機工作正常，無需任何行動，沒有軸承故障跡象，轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)正常，定子動態(tài)和靜態(tài)偏心不存在。現(xiàn)該電機一直運行正常，無任何異常現(xiàn)象。

2.5 轉(zhuǎn)子故障

轉(zhuǎn)子條的健康狀態(tài)是一個非常重要的因素，EMPATH自動確定轉(zhuǎn)子條健康指數(shù)，這個指數(shù)近似于斷條數(shù)，共分0～7級共8個指數(shù)，7級為最高級。

2.5.1 傳統(tǒng)確定方法

傳統(tǒng)方法通過抽轉(zhuǎn)子檢查轉(zhuǎn)子外觀，費時費力，且不易發(fā)現(xiàn)。有時候鼠籠式電機轉(zhuǎn)子斷條故障即使抽轉(zhuǎn)子也不易發(fā)現(xiàn)，斷條可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)。

2.5.2 EMPATH算法

EMPATH通過使用RMS解調(diào)頻譜的數(shù)據(jù)，可以改進預(yù)測斷條數(shù)的準確性。這個算法編入了EMPATH軟件并具有專利。

EMPATH算法考慮進5個因素：①FL和PPF峰之間的dB差值；②電機負荷；③PPF在RMS解調(diào)頻譜中的峰值；④是否有PPF諧波；⑤是否存在轉(zhuǎn)速的PPF邊帶。

2017年6月20日，本單位3#爐2#送風(fēng)機電機后側(cè)有異音，經(jīng)檢查不屬于軸承故障，抽轉(zhuǎn)子檢查也未發(fā)現(xiàn)任何異常。利用Empath2000對該電機進行檢測，采集電機三相電流電壓。轉(zhuǎn)子條的健康狀態(tài)是一個非常重要的因素，EMPATH自動確定轉(zhuǎn)子條健康指數(shù)，這個指數(shù)近似于斷條數(shù)；但是使用者應(yīng)當理解確定的方法，從而可以驗證EMPATH數(shù)據(jù)。分析結(jié)論：轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)可疑，1～2個條裂紋或斷條，并且伴有高阻節(jié)點，應(yīng)增加趨勢監(jiān)測并作振動監(jiān)測，沒有軸承故障跡象，有機械故障指示如不對中或不平衡；進行振動分析確定原因。根據(jù)以上分析結(jié)論得出，該電機轉(zhuǎn)子存在斷條的可能，外觀檢查未發(fā)現(xiàn)斷條，對該電機進行加強監(jiān)視，并計劃更新該電機轉(zhuǎn)子，機械部分可能存在不對中，已對該電機進行重新找正處理。

2.5.3 諧波分析

當輸入電源中包括工頻的諧波時，在電機中產(chǎn)生損失。這些諧波的1/3幫助電機運行，1/3轉(zhuǎn)化為熱量，另外1/3實際上對電機反向做功并產(chǎn)生熱。EMPATH在報告中給出諧波分析數(shù)據(jù)。一般認為，總諧波畸變大于5%是嚴重的，并應(yīng)當改正。

下面是利用Empath2000系統(tǒng)對廠用6 kVⅢA段、ⅣA段電壓進行諧波檢測，采集廠用6 kVⅢA段、ⅣA段PT三相電壓。可以檢測系統(tǒng)三次諧波及其他奇次諧波的大小，幫助電氣人員分析故障的原因（表1）。經(jīng)Empath2000分析得出結(jié)論，廠用6 kVⅣA段電壓奇次諧波正常，無異常。此外，利用Empath2000系統(tǒng)瞬時采樣功能，Empath2000能采集電機瞬時電流并存儲，采集電機電流波形，對電機啟動電流進行測量，幫助分析電機的啟動特性。

表1 諧波畸變數(shù)據(jù)