振动测试和电气三项测试在船用旋转电机故障诊断中的应用

马仲翦

（92493部队89分队，辽宁 葫芦岛 125000）

1 船用旋转电机故障的特点

旋转电机是现代船舶设备的重要组成部分，是船舶电力、动力、通讯、传输等系统的重要组成部分。随着船舶自动化、集成化程度不断提高，旋转电机设备在船舶上的数量越来越多，结构也越来越复杂，电机故障对船舶正常运转的影响也越来越大。

由于船舶旋转电机的运行环境具有温度高、湿度高、振动大、电磁环境复杂等特点，因此故障发生频率较高。及时准确检测出电机的故障征兆，确定故障原因，排除隐患，对于保障船舶设备正常运转具有重要意义[1]。

2 船用旋转电机故障的故障诊断分类

旋转电机作为船舶动力和电力系统重要组成部分，故障可分为机械故障和电气故障两大类，两类故障并非孤立存在，而是相互联系、相互影响。在监测诊断工作中，可以用振动监测对应机械故障诊断，电气三相监测对应电气故障诊断，两者相互结合才能准确判断故障类型，确定故障部位，为设备维修保养提供技术依据。

2.1 机械故障诊断

船用旋转电机虽然大小、功率、安装形式不同，但在振动测试中，都可以抽象为一个圆柱体，选择电机的轴申端和非轴申端测点，各取x、y、z三向测点，用振动分析仪测试振动烈度，所测得的数据具有代表性，可以准确反映测试电机的振动状况。对于振动烈度的判断可以参照ISO2372和ISO3495作为标准，也可在同型号电机在相同状态工况下的振动值作比较[2]，电机测试测点布置图如图1所示。

图1 电机测试测点布置图

2.2 电气三相测试

船用旋转电机虽然功率、转速、大小、安装方式各有差异，但在电气三相监测方面，都将电机看成是一个包含电阻、电感、电容的复杂电路进行分析，从而诊断其状态。使用电机故障状态检测仪，监测对象使该电机的控制箱，旋转三相电机电路如图2所示。

图2 旋转三相电机电路

电气三项监测的的重点是电机的阻抗（Z），相角（Fi），倍频（I/F），在 U、V、W 三相的出电端监测。

阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里。对电流阻碍作用的物理量称为阻抗，Z=R+（iωL-1/ωC）.

倍频：在交流旋转电机测试中，发出电压为U、频率是ω的正弦波信号，得到反馈电流当频率为2ω，反馈的电流幅值为倍频 I/F=（I2-I）1/I1× 100%.

相角：在旋转交流电机中，交流电压U=U msin(ωt+ φ)，在不同时刻的电压决定于(ωt+ φ)的数值，(ωt+ φ)就称相角。当 t=0 时，φ 即为初相角[3]。

通过三个参数的平衡度及所在相位的位置判断电机的故障情况及故障相位。阻抗值平衡偏差超过范围，说明该电机存在绕组质量下降，如污染、受潮等情况，如阻抗值和相角值平衡偏差都超过范围，说明该电机转子存在故障隐患，如转子笼型铁条气隙不均甚至断条等情况，如阻抗值和倍频值平衡偏差都超过范围，说明该电机定子存在故障隐患，如匝间短路、相间短路等情况，判断标准如表1所示。

表1 电机三相状态监测

3 监测案例及故障分析

案例1：

对某船4台规格功率相同的滑油泵，出海时在相同工况下进行进行振动监测，采集轴身端与非轴申端各三个测试点的振动数据如表2所示。

表2 滑油泵振动值

根据上述振动监测结果可以看出，该船2、3号滑油泵相较1、4号滑油泵，明显存在振动过大的情况。为判断其故障类型，进一步对四台电机进行电气三项测试如表3所示。

表3 滑油泵电气三相值

通过对四台电机的电气三项测试发现，2号滑油泵的U-W相存在阻抗与相角不平衡现象，判断该电机U-W相存在转子笼型铁条气隙不均或断条现象；3号电机V-W存在倍频不平衡现象，判断该电机存在定子匝间短路现象。根据检查结果，对2号滑油泵电机拆检，调整转子U-W相存在气隙不均的铁条，更换断裂的铁条；对3号电机进行拆检，检查定子V-W相，对存在匝间短路的线圈进行更换。经过组装调试磨合后，两台电机的振动烈度值下降，工作恢复正常。

案例2：

某船用消防泵在使用过程中，存在噪音周期性异常振动过大情况，通过振动测试检查其振动烈度值如表4所示。

表4 船用消防泵振动值

根据振动标准，该电机振动烈度偏高，具有故障征兆，为确定其故障性质，进一步进行电气三相测试，结果如表5所示。

表5 滑油泵电气三相值

通过测试看以看出，该电机的三相平衡，均在正常范围之内，因此故障类型属于机械故障，通过拆检电机，清理内部，检查更换老旧零部件，添加润滑脂，调制轴系保证对中，组装调试磨合，电机振动烈度值下降，恢复正常。

5 结论

通过振动监测技术和电气测试技术相结合，应用于船舶旋转式电机的故障监测，能够准确定性电机设备的故障类型，定位故障部位，及时排查故障隐患，使电机设备维修做到有的放矢，节省维修周期和成本。对于保障船舶设备的正常运行乃至整个船舶的航行，具有较强的实际意义。

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]王建华.电气工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2006.[3]唐纳德·本特利.旋转机械振动技术[M].北京：机械工业出版社，2014.