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电机作为各种旋转机械的主要驱动设备,广泛应用于工业生产中的各个领域,一台大型设备或一条生产线往往需要几十台、甚至数百台的驱动和控制电机,哪怕只有其中一台电机发生故障,将导致整套设备、系统或生产线故障;而现代化大生产特别强调连续性,要求成套设备可靠,不间断地运行,由于设备运行的中断,哪怕仅仅几小时,其损失就可高达几十万、几百万甚至更多,严重的可能造成成套设备的报废。因此,与之配套的电动机安全可靠地连续运行,显得至关紧要。
Part 1 电机故障的主要现象
Part 2 各类电机的故障现象及机理
温度异常
轴承温度过高
缺油:电机的轴承中会添加润滑脂用以对轴承进行润滑,正常运行中的电机轴承内的润滑脂会逐渐损耗,当润滑脂损耗过大时,会造成润滑不畅,进而造成电机轴承温度显著升高。当发现轴承温度过高而无其他伴生现象时,应当停机检查电机的轴承情况。
其它:电机作为一个整体部件,各个部件的温度过高都有可能传导到轴承上而导致轴承温度过高,因此,当排查出轴承无异常后,应当着重检查问题轴承附近的电机各个部件的异常状况。
绕组温度过高
负载异常:电机的使用方在选购电机之前会根据实际使用的情况选择一台合适的电机,在运行过程中的负载突然变化会导致电机的绕组温度发生明显的变化。一般负载的突然变化还会导致电机电流的突然变化。
散热异常:电机在运行的过程中,会产生各种损耗,其中定/转子损耗,铁耗都主要体现在绕组温度上,这就需要靠诸如机壳上的散热筋等部件将这部分发热耗散出去,当发现绕组温度过高时,可检查电机进风口或出风口是否有污物阻挡,散热筋是否有损坏等现象。
绕组老化:正常运行的电机内部温度一般较高,对于变频器供电的电机,还存在着谐波的问题,这些问题都会导致绕组以及磁钢等部件的老化,当老化达到一定程度时,就会造成电机性能的下降,电机从正常运行状况变成过载运行,绕组的温度就会显著上升,一般这类问题导致的绕组温度变化比较缓慢,不太容易发生温度的突然上升。
绕组的温度过高相较于电机轴承的温度问题来说是个比较缓慢地异常现象,一般绕组的温度过高会伴生各类其他异常,但对绕组的温度监测相对于其他数值的监测 (诸如风扇损坏会造成的振动异常) 来说较为简单,所以绕组温度的监控是目前电机状况检测为普遍通用的一个方法。
机壳温度过高
对于较大的电机,一般采用预埋温度监测设备的方法对电机的轴承或绕组进行监测,但对于体型较小的电机,预埋温度监测设备的方法有时不容易实现,同样的,有些电机在出厂的时候并未预埋温度监控探头,这时,可采用非接触的温度测量方法由的值班人员对电机进行巡检来替代预埋温度监测探头的方法。同样,能起到对温度过高的预警作用。
传统电机各部位温度限值
由上文可以看出,在电机的实际使用中,很多的故障会导致温度异常的发生,因此,对温度的监控在电机的实际使用中非常重要,对此,国标GB 14711对电机在安全使用中的主要部位温度进行了规定,下表对此进行了梳理,见表1。
表1 传统电机主要部位温度 (℃) 、温升 (K) 限值
噪声振动异常
振动过大
前端盖振动异常:对于长期运行的电机来说,轴承是易老化的机械部件,当轴承出现磨损时,电机的端盖侧就有可能产生明显的振动变大现象,此外,电机的出轴产生问题也有可能造成端盖侧的振动异常,当电机在制造过程中的工艺问题或使用不当,在长期的运行之后,可能造成电机的出轴产生裂纹,或者出轴发生弯曲变形,导致电机受力不均,这类问题产生的振动往往比较明显;当发生这类问题时,往往会在电机出轴侧产生肉眼可见的径向跳动。
后端盖振动异常:多数电机在非出轴侧安装了用于散热的风扇,当风扇产生破损时,就会在电机的后端盖侧发生振动的明显变大现象,这类问题可以停机检查风扇的完整性,如风扇状况良好,则应当检查电机后轴承是否有异常现象。
机座振动异常:机座作为电机的主体,各类振动都会传达的电机的机座上,当发现电机整体发生较为明显的振动变大时,应当首先确认电机的安装是否发生了松动,确保每个安装紧固件是否有松动或者变形现象;当电机外部安装紧固部件以及电机本体的各个紧固部件都未发生松动时,则应当进行拆机检查,确认电机是否有内部元件松动,确认是否有诸如转子偏心块的松动、转子扫膛等情况。
振动的产生因素有很多,在检测监控方面,主要是对电机三个方向的位移、速度以及加速度进行监控,以此来分析电机某个部位可能产生的问题,下表对传统电机在运行过程中的振动限值进行了梳理,见表2。
表2 传统电机振动限值
噪声过大
电磁噪声的产生,一般由于通入绕组上的电流中含有较大的谐波,从而引起绕线等部件的高频振动所产生。一般在由变频器供电的电机上较为明显。当变频器电源质量较差时,长期的运行会破坏电机的绕组绝缘,就会更为明显的电磁噪声;此外,铸造的工艺产生的转子气隙,绕线的松动等原因,都会造成电机的电磁噪声增大。由于电磁噪声的一般由电机内部电气通电部件产生,确诊一般较为复杂,所以,排查时,一般先排查诸如电源质量问题等外部原因,再对电机进行拆解从而对内部问题进行排查。
旋转电机作为一个高速旋转的用电设备,在使用的过程中会不可避免的产生振动,长期的运行下,部件就会产生松动甚至松脱,就会导致“异响”的产生,当发现电机有异响的时候,可仔细分析异响的发生部位,结合对振动的分析,找出产生异响得到源头。当发现异响源于电机轴伸端时,一般是由电机前轴承或与负载的连接发生问题而产生;当发现异响源于后轴侧时,一般由风扇的破损或后轴承的问题而产生;当发现电机内部有异响产生时,应当立即停机,检查电机内部是否有扫膛或偏心块松脱等情况发生。
表3 传统电机噪声限值
表4 高压电机噪声限值
电参数异常
电机作为一种用电设备,电参数是一个基础的性能参数,从电机的用电情况中,不仅能反应出电机自身的运行状态,还能反应出负载端的工作状态,而且,相对于振动和噪声来说,电参数不易受外界干扰,而相对于温度指标来说,电参数又有反应迅速的优势;因此,电参数是对电机运行状况监测以及异常警示的一个为简单可行的方法。常用的电参数监控一般采用电流监控和电压监控。
电压偏差过大
当电机发生欠压时,一般有两类原因造成,一类是电源问题,电网的波动,就会导致供电电压的波动,造成欠压现象,另一类问题是负载问题,过多设备的同时运行或者当前电机的短时过载运行,导致负载过重,造成欠压的现象,多数的电机都有一个工作电压范围,应当尽量保证工作电压的该范围内。
当电机发生过压时,也由电网电压波动造成电源问题和负载问题造成,在配套多台用电设备同时工作的电源系统中,如有多台设备同时停止工作,可能会造成供电电压的陡增,因此,有计划的停机也是非常必要的。
当电机发生缺相时,需要立即停机,切断供电回路进行排查,一般先对输电回路进行排查,确认输电回路是否可靠,再对电源进行排查,确认电源是否有异常情况,如上述两者都正常工作,则问题一般出现在两者的连接部件上。
当电机供电电压出现明显的三相不平衡时,一般通过对电流的分析进行排查。
电流偏差过大
电流过大:当发现电机电流超过限定数值时,应当先行检查电机的供电情况,是否有欠压或者过压的情况发生;供电电源正常时,过流的发生意味着电机的负载发生了异常变大,轴承的磨损、缺油会造成电机负载变大;而电机负载侧的问题也会造成电机的负载变大导致过流现象的发生;其次,当电机的绝缘发生问题时,会导致电机的相间短路或者对地短路,这些问题也会导致过流现象的发生,绝缘问题的一般还伴有电流不平衡的现象。
电流过小:当电机与负载的连接发生松脱时,就会产生电流的明显变小。此时,应当检查电机与负载连接的完好性,确认是否有连接部件的松脱,诸如连轴器松脱,划牙等现象。同时,也应当检查负载的工作状况是否良好。
电流偏差过大:电流偏差分为两类,当电流的数值发生偏差时,一般会有三类原因:一是电源的问题,供电电压的不平衡会直接导致电机电流的不平衡,对电源的检修是解决此类问题的可行方法;二是绕组的老化,电机长期运行后,可能会有绕组老化的现象发生,造成绕组的数值发生变化,导致电流不平衡的产生,可以通过停机,检查绕组的匝间以及绕组阻值的方法来排查这类问题;三是绕组的绝缘问题,这类问题发生时,电机的某相或者某几相电流会明显增大,应当立即停机检查绕组的相间绝缘以及对地绝缘。
电流不平衡:不同于电机的电流数值不平衡,当电机的对地绝缘产生问题时,可能反应在三相电流数值上的变化并不明显,三相电流数值并未明显增大,同时三相电流的数值也并未失衡,但通过诸如的功率分析仪等仪器设备,对电机电流进行分析,会发现有零序负序电流的产生,意味着电机对地产生了明显的放电现象。提早的发现这类问题能够在绝缘彻底击穿前解决这类隐患。
几乎电机的任何一部位的异常,都能时时地体现在时时的电流数值上,因此,本文对电机电流的偏差给出了一个限值,当电流与额定值偏差超出+15%~-30%,或者三相不平衡超出10%时,电机运行就有可能有异常发生,需要仔细检查电机的运行情况。
Part 3 电机可靠性影响因素
电机作为一种将电能转换为机械能的用电设备,广泛应用于各类场合,其结构简单,使用方便;由于其维护周期长,所以其可靠性的保证尤为重要,但使用中的各种特殊情况,会对电机各个部件的寿命产生影响,进而造成电机的寿命缩短,造成可靠性的降低。一般,影响可靠性的因素分为两类:环境因素以及使用不当。
环境因素
电机在设计制造时,会考虑其实际应用的环境,针对不同的应用环境,会采取不同的设计,诸如隔爆电机、潜水电机等,都是针对特殊应用场合的专用电机。但实际使用中,成套设备的位置不固定,或者遭遇恶劣的气候,造成实际使用环境超过设计值。就会造成设备的失效。
因此,实际使用中,应当注意设备的标注使用环境,或者结合实际的使用环境,选择合适的配套电气设备,对于电机,同样如此。如在环境污染等级比较恶劣的场合,尽量避免选用开启式结构的电机,以防发生诸如油污、粉尘进入电机壳体内,造成绝缘失效,扫膛等现象的发生;而在户外应用场合,应避免近地安装,并选用IP防护等级较高的电机,以防在遭遇恶劣天气时,电机的损毁;对于沿海环境的使用场合,使用的电机有针对盐雾以及潮湿环境的设计,以防腐蚀现象的过快发生。
使用因素
电机在实际选用时,一般都会考虑经济因素。规格较小的电机价格较低,然而,实际使用时,可能遭遇各种的突发情况,电网的波动,负载的不稳,对于选型过于拘谨的电气设备会造成过载的现象,长期的累积就会造成性能的丧失,引发失效现象,造成可靠性的降低。
因此,适当的留取余量是提升可靠性的一个方法,而且长期的运行后,各部件的老化不可避免,会造成性能的降低,此时,余量的留取就会发挥作用,所以,余量的留取还能延长成套设备的使用寿命,提升成套设备的可靠性。
而使用的过程中,应当避免过载的现象发生,也应当避免过度频繁的起停情况,以防由于上述情况而导致的电机电流超出设计值,造成绕组和输电线路的加速老化;同时,供电设备的选择也应当注意,选择合适容量的电源,能保证供电的质量,减少欠压的情况发生;变频器供电的电气回路中,电机绕组会收到变频器中的谐波影响,这也是必须考虑的因素。
Part 4 结语
电机的可靠性研究是一个长期的过程,需要对电机的全生命周期进行研究才可能得到一个完全准确的研究方法,本文从故障机理出发,分析每一类故障可能导致的故障现象,并进行了分类,以此简化电机可靠性的分析过程。
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