循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠斷條故障分析

王善平 李玲

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.009

摘? 要：采用準(zhǔn)實(shí)證研究與定量分析相結(jié)合的方法。利用CX10測(cè)試儀對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)定子電流檢測(cè)，再利用EA軟件對(duì)其電流頻譜進(jìn)行分析，首先確定該電動(dòng)機(jī)電流線頻率峰值（FL），再通過(guò)相關(guān)計(jì)算確定該電動(dòng)機(jī)的極通過(guò)頻率（FP），計(jì)算FL與FP的差值（dB down），根據(jù)之前總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)值dB down值判斷該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在斷條，再評(píng)估轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，即嚴(yán)重程度。

關(guān)鍵詞：電機(jī);振動(dòng);電流譜;電機(jī)診斷

中圖分類號(hào)：TM343.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0030-05

Fault Analysis of Broken Rotor Squirrel Cage Bar of Circulating Water Pump Motor

WANG Shanping1，LI Ling2

（1.Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China;

2.Dezhou Zhilin Electrical Equipment Co.，Ltd.，Dezhou? 253000，China）

Abstract：The method of combining quasi empirical research and quantitative analysis is adopted. The CX10 tester is used to detect the stator current of the high-tension motor，and then the EA software is used to analyze its current spectrum. First，determine the current line frequency peak（FL）of the motor，and then determine the pole pass frequency（FP）of the motor through related calculations. Calculate the difference between FL and FP（dB down）. According to the previously summarized empirical value and the dB down value，determine whether the motor rotor has broken bars，and then evaluate the state of the rotor，i.e. severity.

Keywords：motor;vibration;current spectrum;motor diagnosis

0? 引? 言

近年來(lái)隨著信號(hào)處理技術(shù)及人工智能技術(shù)在各領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量有關(guān)于定子電流信號(hào)的轉(zhuǎn)子斷條故障診斷與研究的新方法，并且在不同程度上取得了較好的效果。如：斷電后測(cè)定子感應(yīng)電壓檢測(cè)法^[1]、轉(zhuǎn)子斷條示波檢測(cè)法、工頻消去法、小波和小波包變法^[2，3]以及人工智能法^[4]等多種方法但是，目前關(guān)于基于電壓和電流分析的方法的研究仍存在著不足，如在故障特征的提取方面以及故障的嚴(yán)重程度評(píng)估方面仍然需要做進(jìn)一步的研究，特別是，當(dāng)復(fù)合故障出現(xiàn)時(shí)，各故障之間是否會(huì)相互影響，影響程度有多大。本案例提出的研究方法可以有效地避開各種故障之間的影響，彌補(bǔ)了目前電流頻譜分析法的缺陷，為運(yùn)行中的高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷提供了一種全新的方法。

1? 主要研究?jī)?nèi)容

1.1? 研究目標(biāo)

利用CX10測(cè)試儀采集電動(dòng)機(jī)定子電流，分析該定子電流的頻譜特性，達(dá)到診斷高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的斷條故障的目的。

1.2? 研究方法

采用準(zhǔn)實(shí)證研究與定量分析相結(jié)合的方法。

用創(chuàng)優(yōu)CX10測(cè)試儀采集高壓電動(dòng)機(jī)的電流，即對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行電流檢測(cè)，再利用EA軟件對(duì)所測(cè)得的電流頻譜進(jìn)行分析，首先先確定該電動(dòng)機(jī)電流線頻率峰值（FL），再通過(guò)相關(guān)計(jì)算確定該電動(dòng)機(jī)的極通過(guò)頻率（FP），計(jì)算FL與FP的差值（dB down），計(jì)算所得的數(shù)值與轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)表進(jìn)行對(duì)比以此來(lái)判斷轉(zhuǎn)子斷條情況，最后在評(píng)估轉(zhuǎn)子的狀態(tài)。根據(jù)評(píng)估結(jié)果來(lái)進(jìn)行針對(duì)想方案設(shè)計(jì)，最后選取制定電機(jī)維修方案。

1.3? 技術(shù)指標(biāo)

電動(dòng)機(jī)電流線頻率峰值與極通過(guò)頻率峰值差值（dB down）判斷其轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)參考依據(jù)，如表1所示。

1.4? 技術(shù)路線與實(shí)驗(yàn)方案圖

本研究方法的技術(shù)路線與具體實(shí)驗(yàn)流程為：

（1）針對(duì)收集到的高壓電動(dòng)機(jī)資料，確認(rèn)具備建模條件后對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模。

（2）測(cè)試儀器建好模型后，積極準(zhǔn)備確定現(xiàn)場(chǎng)的最佳測(cè)量位置，進(jìn)行電流測(cè)試。

（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，檢驗(yàn)頻譜是否符合要求。

（4）分析電流頻譜的特性，確定所測(cè)電動(dòng)機(jī)的重要頻率的峰值。

（5）根據(jù)電流頻譜的特性，診斷驗(yàn)證所測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條故障，評(píng)估轉(zhuǎn)子狀況。

具體流程如圖1所示。

1.5? 研究?jī)?nèi)容

在電動(dòng)機(jī)不停電的情況下，利用創(chuàng)優(yōu)CX10測(cè)試儀采集高壓電動(dòng)機(jī)的電流，并對(duì)采集的電流進(jìn)行頻譜分析，診斷該高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在斷條故障，并評(píng)估該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子狀況。

首先我們要分析出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電流的頻譜特性;也就是我們?nèi)粘ＵJ(rèn)知中所謂的電源頻率。從理論層面上可知理想的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電流的頻譜是單一的，但是有一種情況是例外的“當(dāng)轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)故障時(shí)”，定子電流頻譜圖上就會(huì)在與電源頻率相差2倍轉(zhuǎn)差頻率（2sf）的位置^[5]出現(xiàn)一個(gè)邊帶，這一現(xiàn)象已經(jīng)被英國(guó)Hargis等學(xué)者的理論證實(shí)，且特征頻率（1～2s）f和電源頻率f兩者相差0.5到5 Hz。

當(dāng)定子電流出現(xiàn)周期性變化的時(shí)候電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩將會(huì)隨之出現(xiàn)脈動(dòng)，最終異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也將會(huì)按照兩倍的轉(zhuǎn)差率進(jìn)行波動(dòng)。轉(zhuǎn)速波動(dòng)的出現(xiàn)將會(huì)使異步電動(dòng)機(jī)的電流在以電源頻率為中心，在+2sf～-2sf之間^[6]發(fā)生變化，由于電動(dòng)機(jī)定子中三次諧波磁通的調(diào)制作用，這種轉(zhuǎn)速和電流的波動(dòng)將愈加明顯。由此我們可以分析出邊頻帶電流和基波電流的比值，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條損壞程度有著直接的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條數(shù)目可由式（1）估計(jì)^[7]。

N₁≈2R₁/（I₁/I₂+2P）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中I₁和I₂分別為特征頻率和電源頻率的頻譜幅值;R₁為轉(zhuǎn)子鐵心槽數(shù);P為電機(jī)極對(duì)數(shù);N₁為轉(zhuǎn)子斷條數(shù)目^[1]。

1.6? 診斷方法

轉(zhuǎn)子斷條故障診斷運(yùn)用振動(dòng)分析技術(shù)和電機(jī)診斷技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行。其主要方法是通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)電流線頻率峰值與極通過(guò)頻率峰值差值（dB down）判斷其轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)，然后參考“轉(zhuǎn)子籠條狀態(tài)參考依據(jù)表”根據(jù)dB down值來(lái)判斷轉(zhuǎn)子斷條情況，分析轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀況。下文以某公司四號(hào)循環(huán)水泵為案例進(jìn)行診斷分析。

2? 案例分析

2.1? 設(shè)備概況

某發(fā)電公司I期4臺(tái)同型號(hào)、同容量循環(huán)水泵電機(jī)安裝于江邊泵房，電機(jī)立式安裝。1、2號(hào)循環(huán)水泵電機(jī)2007年2月投運(yùn)，3、4號(hào)循環(huán)水泵電機(jī)2007年6月投運(yùn)。4臺(tái)循環(huán)水泵電機(jī)根據(jù)2臺(tái)機(jī)組負(fù)荷變化情況決定運(yùn)行方式，運(yùn)行1～4臺(tái)不等。機(jī)組負(fù)荷的變化決定了電機(jī)需要頻繁啟停，同時(shí)也就埋下了電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠斷條或裂紋的隱患。4號(hào)循環(huán)水泵電機(jī)在2020年10月首次檢測(cè)出了轉(zhuǎn)子鼠籠斷條故障信息。

2.2? 故障診斷

轉(zhuǎn)子斷條故障診斷運(yùn)用振動(dòng)分析技術(shù)和電機(jī)診斷技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行。2020年10月21日振動(dòng)檢測(cè)頻譜中在1X、2X轉(zhuǎn)頻出現(xiàn)了0.583 Hz（經(jīng)計(jì)算為極通過(guò)頻率）邊帶，如圖2所示，因此分析判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠出現(xiàn)少量斷條或裂紋;同日檢測(cè)電機(jī)電流譜，其基頻與邊頻幅值差為45.99 dB，如圖4所示，從該數(shù)據(jù)看轉(zhuǎn)子可能有斷條情況。跟蹤監(jiān)測(cè)直到2021年五月初，振動(dòng)頻譜中的極通過(guò)頻率邊帶已經(jīng)出現(xiàn)在2X～6X轉(zhuǎn)頻，如圖3所示，而電流譜檢測(cè)的基頻與邊頻幅值差也逐漸減小到35.48 dB，如圖5所示。由此判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠已經(jīng)有多根籠條斷裂脫焊或裂紋，分析精密點(diǎn)檢數(shù)據(jù)信息及電機(jī)啟動(dòng)電流幅值變化情況確認(rèn)故障呈慢速發(fā)展趨勢(shì)，電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，精密點(diǎn)檢需繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，關(guān)注劣化趨勢(shì);故障必須在2021年2號(hào)機(jī)組小修時(shí)檢修處理。

2.3? 故障確認(rèn)與檢修處理

2021年7月電機(jī)解體檢修。電機(jī)解體抽出轉(zhuǎn)子檢查發(fā)現(xiàn)5根籠條端環(huán)焊接部位脫焊斷裂、10根籠條在端環(huán)焊接部位不同程度裂紋，如圖6所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)子委托專業(yè)電機(jī)檢修廠家檢修處理。轉(zhuǎn)子所有籠條全部滿焊一遍，經(jīng)過(guò)金屬探傷檢查確認(rèn)焊接良好，轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡試驗(yàn)確定轉(zhuǎn)子平衡。

2.4? 修后狀態(tài)

檢修后電機(jī)振動(dòng)頻譜中轉(zhuǎn)頻兩側(cè)的極通過(guò)頻率邊帶完全消失，如圖7所示，電流譜如圖8所示，檢測(cè)電流基頻與邊頻幅值差也有所增大（基邊頻幅值差60.06 dB、偏小），電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)明顯改善。

2.5? 故障原因及設(shè)備改善

由于機(jī)組負(fù)荷較大幅度的變化，循環(huán)水泵運(yùn)行方式隨之改變，循環(huán)水泵電機(jī)頻繁啟停。尤其在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流大、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠將承受較大的電磁力及機(jī)械力的強(qiáng)力沖擊，長(zhǎng)此以往材料強(qiáng)度薄弱的地方就可能發(fā)生斷裂，而轉(zhuǎn)子鼠籠籠條與端環(huán)焊接部位首當(dāng)其沖，因此最可能發(fā)生故障的就是該部位裂紋或脫焊斷裂。

造成轉(zhuǎn)子鼠籠斷條或裂紋故障的主要原因就是電機(jī)啟停頻繁。要使電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)得到改善，在保證電機(jī)制造質(zhì)量和檢修質(zhì)量的前提下，需要優(yōu)化循環(huán)水泵運(yùn)行方式，既要注重電機(jī)節(jié)能又要注重電機(jī)安全運(yùn)行和使用壽命。

3? 研究意義

目前，高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在工控行業(yè)應(yīng)用特別廣泛，尤其是在電力、冶金、石油化工和建材等連續(xù)作業(yè)工藝流程部門占據(jù)著非常重要的角色，比如汽機(jī)區(qū)域的前置泵、真空泵、循環(huán)水泵等，鍋爐區(qū)域的引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等，脫硫區(qū)域的漿液循環(huán)等，在一定的時(shí)間和范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的突發(fā)故障勢(shì)必造成整個(gè)流水生產(chǎn)線的癱瘓，甚至嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電廠非停事故。這種連續(xù)性工藝流程造成的經(jīng)濟(jì)損失和影響往往會(huì)超出驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作以及選購(gòu)電機(jī)本身的價(jià)值。因此，對(duì)于如何確保高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的安全生產(chǎn)、可靠運(yùn)行、實(shí)時(shí)故障分析診斷監(jiān)測(cè)、檢測(cè)就顯得越來(lái)越重要了。

伴隨著工控領(lǐng)域的高速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平的飛速提高，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)模也日益巨大化，在生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)中電機(jī)的使用頻率以及數(shù)量也隨之不斷地增長(zhǎng)，單機(jī)小容量已不能滿足當(dāng)下需求，單機(jī)容量的不斷提高是當(dāng)下的必然趨勢(shì)，那么隨之而來(lái)的還有故障率和隱患。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障或突然不能正常運(yùn)行甚至是停止運(yùn)行，這種情況的發(fā)生不僅會(huì)有損電機(jī)自身壽命，還會(huì)影響整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重者甚至?xí)＜吧a(chǎn)人員的人身安全，給國(guó)家或企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣影響，比如：一臺(tái)40萬(wàn)千瓦的工作機(jī)組，如果因循環(huán)水泵出現(xiàn)故障不能正常工作甚至是停止運(yùn)行，按每度電0.3元的電價(jià)計(jì)算，僅發(fā)電廠每一個(gè)小時(shí)的誤工時(shí)間所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)人民幣12萬(wàn)元整。現(xiàn)在大部分電廠都是60萬(wàn)千瓦及以上的機(jī)組，每小時(shí)的直接損失高達(dá)20萬(wàn)元以上。如果引風(fēng)機(jī)或泵類設(shè)備故障導(dǎo)致機(jī)組非停事故，每小時(shí)的直接經(jīng)濟(jì)損失至少100萬(wàn)元以上。因此，如果能盡早地發(fā)現(xiàn)高壓電動(dòng)機(jī)故障，早排除、早處理，避免非停事故，至少可以挽回10萬(wàn)元（每小時(shí)）的經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)積極采取各種先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)監(jiān)測(cè)、檢查，以減少或消除故障隱患的發(fā)生。

4? 結(jié)? 論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的檢測(cè)和診斷進(jìn)行了深入的探索和研究，但方法都存在不足：

（1）斷電后測(cè)定子感應(yīng)電壓檢測(cè)法存在一個(gè)最大的弊端，即必須在斷電的情況下方可進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)這種檢測(cè)方法還無(wú)法實(shí)現(xiàn)早期診斷和在線診斷，基于這兩種原因讓本檢測(cè)方法的應(yīng)用存在了制約性。

（2）轉(zhuǎn)子斷條示波檢測(cè)方法不能在故障早期及時(shí)的發(fā)現(xiàn)斷條現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）工頻消去法的適用范圍受限制，此方法大多適合運(yùn)用在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷變化較大的情況，而在小負(fù)荷和負(fù)荷變化幅度較小的情況下診斷效果并不是很明顯。

（4）小波和小波包變法自適應(yīng)性不強(qiáng)或者可以說(shuō)不具備自適應(yīng)性，此外小波基的有限長(zhǎng)也還會(huì)造成信號(hào)能量不同程度的泄露，這樣將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的能量一—頻率—時(shí)間分布很難定量給出。

（5）人工智能法最大的缺點(diǎn)是缺乏實(shí)時(shí)性，針對(duì)大型機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，人們嘗試用數(shù)據(jù)挖掘的方法獲取其故障特征，以方便人們能應(yīng)用于故障診斷。可目前關(guān)于數(shù)據(jù)融合等算法等技術(shù)還不是很成熟，其在工程中的應(yīng)用目前仍然處于探索階段，還需要大量的數(shù)據(jù)分析和研究。

本研究方法不存在上述弊端，并且本方法解決的關(guān)鍵問(wèn)題是可以在電動(dòng)機(jī)不停電的情況下，診斷該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在斷條故障，并評(píng)估該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的狀況。開創(chuàng)了一種診斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障、評(píng)估電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子狀況的新方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃進(jìn)，牛發(fā)亮，楊家強(qiáng).基于雙PQ變換的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（13）：135-140.

[2] 梁霖，徐光華，劉彈，等.小波-奇異值分解在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子故障特征提取中的應(yīng)用 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（19）：111-115.

[3] 張征平.異步電動(dòng)機(jī)早期故障檢測(cè)的小波分析方法研究 [D].廣州：華南理工大學(xué)，2002.

[4] 方芳.感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷方法研究進(jìn)展 [J].中國(guó)艦船研究，2010，5（5）：77-81.

[5] 張春喜，劉海麗，呂志香，等.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障診斷系統(tǒng)的研究 [J].黑龍江水專學(xué)報(bào)，2005（4）：23-25.

[6] 謝穎，李偉力，李守法.異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障演化及相關(guān)因素分析 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（3）：41-48.

[7] 趙林桂，詹渝明，陳明濤.基于傅里葉變換的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子故障檢測(cè) [J].東北電力技術(shù)，2004（7）：9-11.

作者簡(jiǎn)介：王善平（1985.05—），男，漢族，黑龍江雞西人，工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

收稿日期：2021-04-01

基金項(xiàng)目：山東華宇工學(xué)院2019年度校級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019KJ02）