异步电动机转子运行状态在线检测技术概述

异步电动机转子运行状态在线检测技术概述

摘要 转子故障是异步电动机典型故障之一，本文介绍了基于振动分析和定子电流分析的故障诊断方法。

关键词 异步电动机；转子运行状态；在线检测；振动分析；定子电流分析

1 前言

如果异步电动机的工作环境恶劣或频繁启停，转子会经常发生故障。为了及时发现此类故障，笔者做了深入的研究，针对工厂的实际状况，提出了通过电动机振动频谱和定子电流分析相结合的方法，可以准确地检测出电动机的转子故障，通过对数据的分析，还可以进一步定量的评估出电动机转子的故障程度。本文仅对鼠笼式异步电动机转子进行状态分析。

2 常见转子故障

对于鼠笼式异步电动机而言，若电动机频繁启动或过负荷运行，会使转子承受很大的应力，转子导条和端环容易产生疲劳，从而发生断裂和开焊。也有部分厂家制造的电动机转子因为采用铸铝工艺质量把控不严，转子导条和端环部位容易产生空泡，增大了电阻并降低了强度，增加了电动机转子故障的概率。

电动机转子故障的主要征兆为振动异常、噪声增大及运行电流波动。及时发现早期的故障，往往可以争取更多的时间，用来合理安排生产和检修准备，从而降低故障损失和影响。

3 基于定子电流检测的转子故障诊断

3.1 电动机定子电流分析基础知识

在分析之前，我们需要定义几个术语和频率：

FL 电网频率；等于50Hz或3000rpm。

P 电动机的极数；电机的极数用来控制电机的速度，电机极数越多，电机运转的速度就越慢，电机的极数总是偶数（2， 4， 6，等）。

SS 电机同步速度；等于2 x FL/P。它是旋转磁场产生的速度，也是转子试图达到的速度（从来也不能到达此速度）。2极：3000RPM；4极：1500RPM；6极：1000RPM。

RS 电动机实际转速。

S 滑差；等于SS –RS

PPF 电极通过频率；等于S*P

3.2 电动机转子故障的原因

异步电动机的启动电流为额定电流的4～7倍，在带负荷的情况下频繁启动，会在转子鼠笼条上产生很强的应变力，并引起过热，过热严重时会导致笼条断裂甚至熔化。

3.3 电动机定子电流分析诊断

电动机定子电流可以很方便地实时采集（380V直接采集供电电缆，6kV/10kV通过采集CT二次侧电流再乘以CT变比得到），电动机转子状态发生变化，影响到定子电流，因此分析电动机转子运行状态可以通过检测定子电流得到。

当电动机转子出现断条、裂纹等故障时，电极通过频率PPF会变大，也就是说电动机转子故障的特征频率是电极通过频率PPF。

通过钳形电流表可以直接把定子电流信号采集到分析仪器中，得到电动机的近似于正弦波的实际电流波形。为了便于分析，需要对时域波形进行时频转换（傅里叶变换），从而得到频域图形。

由于转子缺陷反映到定子电流上仅有很轻微的变化，即PPF很微小，仅仅做一下傅里叶变换，很容易被淹没在基波中，从而降低了故障诊断的灵敏度，因此需要一种方法，把故障特征频率分离出来。

本文采用对数坐标变换的方法，把PPF明显地表达出来。

通过对比FL与PPF的差值，可以诊断出转子的工作状态：

Δdb=20 lg（FL/PPF）

通过对比FL峰与PPF边带之间的Δdb之差，可以判断出转子状态：

差值大于54时，转子状态良好；差值为48～54时，转子受损，需要持续观察；差值为42～48时，转子条出现裂纹或有高阻节点；差值为36～42时，两个条出现裂纹或断条；差值为30～36时，多个条裂或断裂，端环出现问题；差值小于30db时，多个笼条断裂和端环开裂。

3.4 注意事项

电动机空负荷運行时转子缺陷很难表现出来，因此可能会有电动机单试时振动电流均合格而拖动负荷后表现异常的状况发生。因此检测电动机转子状态时一

定要在电动机拖动负载在将近额定工况下检测。

4 基于振动检测的转子故障诊断

4.1 电动机振动分析基础知识

与电有关的振动-交流电机产生机械振动。因为交流电为正弦波， 电机的每个电极每个循环都两次给电压：一次峰值为“+”，另一次为“-”。转子和定子之间的吸引力也随着这个循环频率变化，并且这个变化磁场中由于“磁弹性”作用，磁铁自身的尺寸也会发生变化。磁场中的磁性物质的形变，常常引起电气设备在100Hz处产生振动，如电动机、发电机、变压器等。这意味着电动机因电气原因（匝间短路、气隙不均、定子松动等等）造成的最常见的振动频率是电源的二倍频100Hz，这有区别与二倍转频。二倍转频往往对应的是不对中故障。

通过上文关于极通过频率的描述得知，电动机转子的故障特征频率为极通过频率。通过查找频谱中极通过频率和电源二倍频率来判断电动机转子是否存在缺陷。由于极通过频率幅值和频率很小，直接在频谱图中很难单独识别，因此在实际工作中通过查看电动机转频两侧是否存在极通过频率的边带这个方法判断电动机转子是否存在缺陷。

4.2 采样频率和量程设置

由于极通过频率很小，2倍电源频率和2倍转频很接近，往往在频谱检测过程中捕捉不到或区分出这些频率，因此必须通过高分辨率测量来区分这些频率。根据采样定理来设置频谱仪的采样频率。采样定理：采样频率必须高于所测信号的2倍，否则采到虚假信号。

因此对于电动机精密诊断的频谱仪至少应满足量程400赫兹谱线数3200线及以上的精度才能用于电动机转子故障诊断。

5 电动机转子状态在线诊断实例

某500kW电动机在运行中突然发现声音异常，振动变大，同时发现运行电流有轻微波动，利用相关仪器检测，判断为转子断条，并安排了检修。电动机解体后发现笼条与端环处开裂。

6 结束语

通过在线检测的方法，可以在设备运行过程中诊断出设备的运行状态。基于状态检测的维护，其效益要远远高于事后维修。