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    • 基于振动和电流频谱分析的鼠笼异步电动机转子断条故障分析

        1 引言

        

        在火力发电企业中,浆液循环泵是脱硫系统重要的设备之一,主要功能是保证吸收塔中的浆液不断的循环,使烟气中的二氧化硫完全被吸收,浆液循环泵运行情况直接影响到污染物排放指标,关系着燃煤电厂经济运行、环保参数是否达标。

        

        某发电企业使用的浆液循环泵电动机是由兰州电动机厂生产制造的型号为Ykk500-4鼠笼式异步电动机,因运行工况需要存在频繁起停的特点,长期运行极有可能发生转子笼条断裂和端环开裂故障。因此,及时发现并解决浆液循环泵电动机转子笼条及端环故障将有力保障设备安全经济运行进而符合环保要求。

        

        2 故障诊断分析

        

        2.1 故障现象及故障原因初步排查

        

        初期,浆液循环泵电动机出现了定子线圈温度突然升高特征,电动机内部温度测点最高温度131.6℃,就地红外成像检测温度也达到了98.5℃,已经超过了安全运行的温度限值;电动机驱动端轴承振动变大,振动位移为144um,较历史数据有大幅度上涨。

        

        对电动机轴承、联轴器不对中问题和电动机冷却系统进行了排查,没有发现问题,同时停泵排查系统并对喷嘴进行了冲洗,试运后温度高和轴承振动大情况没有明显改善。对现场进行诊断后初步判断电动机存在转子笼条断裂和端环开焊问题。

        

        2.2 精密诊断分析方法及过程

        

        2.2.1 异步电动机转子笼条故障机理

        

        异步电动机定子电流的理想频率是单一成分的工频fL,当转子回路出现故障时,在定子电流频谱图上,与工频相差二倍转差频率处将各出现一个边带频率。

        

        当电网频率为fL时,一台极对数为P的异步电动机工作时定子绕组产生磁动势ms,其基波的表达式为:

        

        式中,kS为常数,与电动机极对数P、绕组系数有关;Ns为定子绕组每项匝数;Is为定子电流;ω为电源角频率;θ为相位角。

        

        转子绕组的相位角为:

        

        式中,ωγ为转子旋转角速度。

        

        当P=1时,即两极电动机的磁动势为:

        

        转子绕组在定子旋转磁场作用下,将产生感应电流,建立起一个与定子磁动势相平衡的转子磁动势mr,其基波的表达式为:

        

        式中,kr为常数,与极对数和转子绕组系数有关;Nr为转子绕组每相匝数;Ir为转子电流。

        

        当转子绕组存在故障时,例如存在一根笼条断裂,转子电流的磁动势被调制,这时转子绕组磁动势将变为:

        

        由于定转子的磁动势是平衡的,那么将公式(2)带入,得到反应定子磁势的表达式:

        

        定子磁场旋转速度与转子转速之差为转差,对于两极电动机,其转差率为:

        

        式(9)代入式(7)即得:

        

        分析式(10)可发现,磁动势表达式中第一项分量含有3ωt和3θ,将在三相定子绕组中产生一个零序电动势,此电动势对电源电流并无影响。第二项磁动势分量中含有一个比电源角频率低2sω的分量,这个分量将使异步电动机定子绕组中出现一个比电源电流角频率低2sω的三相电流分量,它与电源线频率十分接近,由于它的调制作用,定子电流将会出现节拍性变化,电流周期性的脉动将使定子电流表指针发生摆动,也使电动机的转矩随之而脉动,从而使异步电动机转子转速也将按2倍滑差频率而波动[1]。

        

        工频表达式:f=60np (11)

        

        式中,n为电动机同步转速;

        

        式中n0为电动机实际转速。

        

        2.2.2 基于振动频谱方法的电动机转子断条故障诊断分析

        

        采集振动数据进行分析,发现振动频谱中电动机转频两侧存在大小为1.37Hz的边频带,如图1所示。电动机实测转速1478rmp,同步转速是1500rmp,电动机为4极电动机,将上述参数代入公式(12),计算结果为1.4Hz,与振动频谱测得极通过频率数值非常接近,可以确定该电动机转子笼条存在故障。

        

        2.2.3 基于电流频谱方法的电动机转子断条故障诊断分析

        

        在电流频谱中,电动机极通过频率表现为工频的边带,在工频和极通过频率处均会出现峰值。工频峰值和极通过频率边带峰值的幅值差是转子笼条健康的状态指标,采集数据后进行分析,电流频谱测得电动机实际转速为1486.9rmp,带入公式(12)计算得到极通过频率大小为0.873Hz,与测得边频带基本相符,通过计算工频峰值和极通过频率边带峰值的幅值差为35.7dB,如图2所示,判断电动机应该存在转子笼条松动、断裂或者端环开焊问题[2]。

        

        2.2.4 精密诊断结论、解体验证和原因分析

        

        通过振动频谱和电流频谱综合分析,结合现场情况最终判断浆液循环泵电动机已经出现转子笼条断裂和端环开焊问题。通过解体检查,发现电动机转子笼条出现多处松动、断裂和端环开焊情况,验证了上述的分析判断。

        

        浆液循环泵电动机在启动瞬间笼条内流过的电流过大,使笼条在承受巨大冲击力的同时,承受由于快速升温产生的热应力,端环还要承受大的离心力。电动机频繁的启停,笼条和端环频繁受力进而发生形变,最终导致笼条和端环由于受力分布不均匀而断裂。

        

        另外从电磁力矩来分析,起动时的加速力矩是由笼条产生的,减速时笼条又承受制动力矩,由于负载变化和电压波动时笼条就要承受到交变负载的作用,容易产生疲劳,当笼型线圈铸造质量、笼条和端环的材质和焊接质量存在问题时,笼条和端环的断裂、开焊更易发生。若不及时处理,断条故障将进一步恶化,出现多根转子断条,其结果将导致电动机烧坏,严重时还会由于转子扫膛而擦伤定子铁芯,导致整机报废[3]。

        

        3 发动机转子笼条故障诊断流程总结

        

        对于电动机转子故障的分析判断,首先要对故障现象进行分析,查看是否存在电动机本体和轴承过热、电流波动相对较大、起动时间延长、泵或风机力矩减小等现象,如出现上述问题有可能存在转子笼条故障。

        

        其次通过电流频谱和振动频谱精密诊断进一步进行诊断分析,由于一般而言电流频谱设置的采样率和采样点数相对较高,对于极通过频率反应灵敏,有较高的准确性,因此建议电动机转子断条及转子笼条故障主要利用电流频谱手段判断分析。

        

        振动频谱由于采样参数设置的原因和固有特点在分析电气故障方面不具备较高的灵敏性,但如果振动频谱中电动机转频两侧出现极通过频率,可以肯定地判断电动机至少存在一个笼条断裂故障,因此振动频谱分析可以作为电动机转子笼条故障判别的重要辅助手段。

        

        如果电动机存在轴承磨损、联轴器不对中、转子不平衡等非电气类故障,振动频谱将更能直观反映,而实际生产中电动机也很有可能同时存在多种故障,灵活运用电流频谱和振动频谱分析方法,并结合设备和系统实际运行情况,不仅能够准确判别故障类别,不至于有所遗漏,还能够提高故障的准确性和及时性。

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