Empath2000電機故障診斷儀應用

余江濤

（大慶石化公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

1 Empath2000原理

Empath2000系統通過采集現場電氣設備三相電流、電壓量，分析電機的運行情況，可監測電機的軸承、定子、轉子等各種故障，可對電機進行預知維修。

Empath2000其硬件部分由傳感器、A/D卡、數據調理箱。軟件部分由Empath2000 V4.3分析診斷軟件、A/D卡驅動程序組成。

Empath2000系統集成一個工業標準的A/D采樣板，具有16通道單端輸入，16位模數轉換精度，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據采集，例如熱像圖、加速度或鍵相。

單相和三相感應電機是當前工業和商業機械中最廣泛使用的電機，工業應用的大電機是三相50 Hz鼠籠型設計，用于驅動泵、風機、壓縮機和許多種其他機器。當承受的負荷或扭矩增加時，鼠籠電機轉速減緩，供電電流增加，導致功率增加。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速的變化。小的負荷波動表現為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測。因為不平衡、不對中、齒輪和皮帶磨損、摩擦力和往復部件導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應用分析

2.1 電壓不平衡

當電源開關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，導致定子線圈的電流不平衡，小量的電壓不平衡將導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，電機的額定功率應該被電壓減免系數（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。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據。

2.2 電流不平衡

電機發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，而電流作為關聯變量或可變源。

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，發動機轉速在2 000r/min時，則穩定在3.5bar左右。由此可見，該車故障發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%應引起關注，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數據，諧波分析，輸入、輸出馬力等數據。通過這些數據便于分析查看電機故障，并提供相關依據。數據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軟件中輸入相關電機的軸承參數，基于軸承的幾何尺寸，有4個數字系數描述軸承如果損壞所產生的機械振動，這些系數通常是實數而不是整數，這樣當它們與轉速頻率相乘時，產生的峰值頻率不是轉速的整數諧頻，這是關鍵的診斷指示。

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，可以發現故障系數，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，尋找非整數倍轉頻峰值。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#吸風機電機后側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，后側軸承、風扇無任何異常，電機轉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對電機進行監測，檢測結論如下：這臺電機工作正常，無需任何行動，沒有軸承故障跡象，轉子籠條狀態正常，定子動態和靜態偏心不存在。現該電機一直運行正常，無任何異常現象。

2.5 轉子故障

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

2.5.1 傳統確定方法

傳統方法通過抽轉子檢查轉子外觀，費時費力，且不易發現。有時候鼠籠式電機轉子斷條故障即使抽轉子也不易發現，斷條可能發生在轉子槽內。

2.5.2 EMPATH算法

EMPATH通過使用RMS解調頻譜的數據，可以改進預測斷條數的準確性。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解調頻譜中的峰值；④是否有PPF諧波；⑤是否存在轉速的PPF邊帶。

2017年6月20日，本單位3#爐2#送風機電機后側有異音，經檢查不屬于軸承故障，抽轉子檢查也未發現任何異常。利用Empath2000對該電機進行檢測，采集電機三相電流電壓。轉子條的健康狀態是一個非常重要的因素，EMPATH自動確定轉子條健康指數，這個指數近似于斷條數；但是使用者應當理解確定的方法，從而可以驗證EMPATH數據。分析結論：轉子籠條狀態可疑，1～2個條裂紋或斷條，并且伴有高阻節點，應增加趨勢監測并作振動監測，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。根據以上分析結論得出，該電機轉子存在斷條的可能，外觀檢查未發現斷條，對該電機進行加強監視，并計劃更新該電機轉子，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，在電機中產生損失。這些諧波的1/3幫助電機運行，1/3轉化為熱量，另外1/3實際上對電機反向做功并產生熱。EMPATH在報告中給出諧波分析數據。一般認為，總諧波畸變大于5%是嚴重的，并應當改正。

下面是利用Empath2000系統對廠用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Empath2000分析得出結論，廠用6 kVⅣA段電壓奇次諧波正常，無異常。此外，利用Empath2000系統瞬時采樣功能，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 諧波畸變數據