異步電動(dòng)機(jī)電氣故障的識(shí)別與診斷分析

孟 旭，胡聞嘉

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行階段極易發(fā)生故障問題，電氣故障是十分常見的故障類型，由于電機(jī)內(nèi)部存在電路和磁路的耦合情況，因此設(shè)備故障診斷涉及的因素較多，與常規(guī)機(jī)械設(shè)備的診斷技術(shù)相比，電動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣。如果異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行階段發(fā)生故障問題，需要及時(shí)采取有效的診斷措施識(shí)別故障類型，明確故障問題以及位置，了解導(dǎo)致故障的具體原因，為后續(xù)維修工作的開展提供重要參考依據(jù)。

1 異步電動(dòng)機(jī)概述

1.1 運(yùn)行原理

異步電動(dòng)機(jī)的工作原理主要指將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在工作過程中接入三相交流電源，電流通過定子部分的三相對(duì)稱繞組，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部間隙位置形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)子的鐵心內(nèi)部具有良導(dǎo)體部件，同時(shí)兩側(cè)被導(dǎo)電環(huán)短接，如果定子部分形成的旋轉(zhuǎn)磁場呈逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，那么導(dǎo)體切割磁場線能夠形成感應(yīng)電動(dòng)勢。異步電動(dòng)機(jī)主要的功能體現(xiàn)在異步轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)子位置為閉合電路，那么電流能夠通過鐵心中的導(dǎo)體，該過程中感應(yīng)電動(dòng)勢與流過的電流方向保持一致。

1.2 結(jié)構(gòu)

異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，前者為靜止部分，后者為轉(zhuǎn)子部分，兩者之間存在一定的間隙。定子的主要組成部分包括鐵芯、繞組與機(jī)殼。其中鐵芯是磁路的重要組成部分，形狀為圓桶形，由相互絕緣的硅鋼片構(gòu)成，硅鋼片之間的絕緣能夠減少渦流損失。每一張硅鋼片的內(nèi)圓均設(shè)置定子槽，將三相繞組放置其中。硅鋼片疊壓形成一個(gè)整體鐵芯，固定在機(jī)座中。繞組屬于電動(dòng)機(jī)的主要組成部分，由諸多線圈構(gòu)成，各線圈具有兩個(gè)有效邊，分別放置在兩個(gè)槽內(nèi)，導(dǎo)體和鐵芯之間有槽絕緣，如果繞組為兩層，層與層之間需要具有絕緣。機(jī)殼是電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，其作用在于固定與支撐定子鐵芯。轉(zhuǎn)子是異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，工作階段受到機(jī)械應(yīng)力、電磁力以及熱應(yīng)力的作用影響，轉(zhuǎn)子鐵芯也是磁路的重要組成部分，形狀為圓柱形，由諸多硅鋼片構(gòu)成，與定子鐵芯、氣隙共同組成完成磁路。表面槽中具有轉(zhuǎn)子繞組，包括籠型與繞線型兩種結(jié)構(gòu)形式。通常情況下異步電動(dòng)機(jī)繞組使用鼠籠式繞組。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條兩端通過端環(huán)有效連接。圖1為異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 異步電動(dòng)機(jī)常見電氣故障類型

2.1 三相電流不均衡

異步電動(dòng)機(jī)處于額定電壓運(yùn)行階段，各相三相空載電流的平均值發(fā)生偏差的概率低于平均值的9%。如果運(yùn)行階段設(shè)備發(fā)生故障，或者三相電壓存在明顯的不均衡情況，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)較大的不平衡電流。導(dǎo)致該故障的主要原因在于電機(jī)繞組匝間存在短路情況，對(duì)三相電源電壓的穩(wěn)定性造成影響，或者設(shè)備三項(xiàng)繞組匝數(shù)存在差異以及定子繞組內(nèi)部線圈的連接方式不合理。

2.2 單相運(yùn)行故障

異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行階段，如果存在一相斷路情況，便會(huì)導(dǎo)致單相運(yùn)行故障，也被稱作缺相運(yùn)行。對(duì)導(dǎo)致單相運(yùn)行的原因進(jìn)行分析，主要原因?yàn)槿劢z被燒斷，導(dǎo)致電機(jī)開關(guān)觸電或者連接導(dǎo)線接頭位置存在接觸不良情況。如果設(shè)備存在該類故障，通常情況下難以正常、穩(wěn)定運(yùn)行，并且伴隨有一定的噪聲。多數(shù)情況下設(shè)備能夠在短時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行，但是如果未及時(shí)進(jìn)行有效的診斷與處理，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備燒毀。

2.3 繞組接地故障

繞組接地故障主要指異步電動(dòng)機(jī)任何一點(diǎn)或者一點(diǎn)以上與鐵心或者基座由于絕緣不良而導(dǎo)致通路，也被稱作碰殼。如果設(shè)備繞組機(jī)殼、鐵心和繞組導(dǎo)體之間具有接觸點(diǎn)，或者電機(jī)繞組絕緣層受損，均會(huì)導(dǎo)致繞組局部溫度提高，隨著電流的不斷增加，最終導(dǎo)致繞組被燒毀。導(dǎo)致該類故障的主要原因在于設(shè)備連續(xù)運(yùn)載時(shí)間較長，或者由于絕緣在受損情況下受潮以及轉(zhuǎn)子和定子因?yàn)槟Σ翆?dǎo)致絕緣層受損、定子繞組重繞導(dǎo)致鐵心受損等。

2.4 繞組短路故障

設(shè)備絕緣損壞后會(huì)發(fā)生繞組短路故障，電流在短時(shí)間內(nèi)迅速提升，導(dǎo)致設(shè)備無法正常、穩(wěn)定運(yùn)行。導(dǎo)致該情況的主要原因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行欠電壓、過電荷、機(jī)械損傷以及缺相運(yùn)行。如果繞組存在短路故障情況，電流不斷提升形成高熱，嚴(yán)重影響設(shè)備絕緣，最終對(duì)電動(dòng)機(jī)造成損害。

3 異步電動(dòng)機(jī)電氣故障診斷流程

3.1 先清潔后檢查

異步電動(dòng)機(jī)多數(shù)故障均由工作環(huán)境差導(dǎo)致，在診斷故障的過程中，首先需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面清理，排除因污染因素導(dǎo)致的故障，之后進(jìn)行有效檢測。比如輸入電壓接線柱接觸不良導(dǎo)致打火、線圈臟污導(dǎo)致匝間絕緣下降等。

3.2 先機(jī)外后機(jī)內(nèi)

診斷異步電動(dòng)機(jī)電氣故障的過程中，首先需要從機(jī)外入手，逐步對(duì)內(nèi)部進(jìn)行深入檢查。如果異步電動(dòng)機(jī)處于待修狀態(tài)，首先需要對(duì)輸入電壓是否正常進(jìn)行檢查，查看插頭、連接線、插座是否存在問題。確認(rèn)一切正常無誤后，對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行檢查，能夠避免診斷的盲目性，減少損失，同時(shí)能夠?yàn)榫S修工作提供保障。

3.3 先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)

靜態(tài)主要指在切斷設(shè)備電源時(shí)進(jìn)行檢查，主要檢查插頭接觸情況、電機(jī)繞組接頭是否斷線以及焊接不良、線圈是否燒黑以及變色等。動(dòng)態(tài)主要指設(shè)備處于通電狀態(tài)下進(jìn)行檢查。只有完成靜態(tài)檢查后方可進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，切勿盲目通電，避免導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，對(duì)現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全造成威脅。

4 異步電動(dòng)機(jī)電氣故障常用診斷方法

4.1 直觀檢查法

該方法是診斷異步電動(dòng)機(jī)故障最為簡單的方法，同時(shí)也是維修時(shí)必須使用的方法，主要通過工作人員通過自身的直觀感覺，通過觀察、觸摸、聽、聞等基本方式檢查設(shè)備的故障情況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)與排除故障。其中觀察主要指觀察設(shè)備的故障情況，如電容器是否存在漏液、鼓起、炸裂等情況、機(jī)械部件是否存在脫落、松動(dòng)、磨損、斷裂等情況、各接頭是否運(yùn)行良好、連接是否合理、是否存在斷線以及通電過程中設(shè)備是否存在打火、冒煙等情況。“聽”主要指明確設(shè)備運(yùn)行階段是否存在異常聲響。異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行階段，滾動(dòng)軸承均存在均勻連續(xù)的嗡嗡響聲，滑動(dòng)軸承的聲音非常小，不存在雜聲。如果滾動(dòng)軸承缺油，存在異常響聲，主要原因可能為軸承鋼圈斷裂或者軸承內(nèi)部含有其他雜物，軸承零件存在磨損情況。嚴(yán)重的雜聲能夠通過聽覺直觀感受，輕微的雜聲可以將螺絲刀抵在軸承外蓋，耳朵貼近螺絲刀木柄判斷故障位置?！奥劇敝饕冈谠O(shè)備處于通電狀態(tài)下明確其是否存在焦糊味，如果存在不正常的氣味，需要及時(shí)關(guān)閉電源，避免故障加重。觸摸主要指對(duì)設(shè)備螺絲進(jìn)行觸摸，查看其是否存在松動(dòng)情況，或者用手觸摸設(shè)備外殼，查看其是否過熱，如果外殼溫度較高，需要及時(shí)切斷電源，避免故障范圍擴(kuò)大。

4.2 電壓法

電壓法是異步電動(dòng)機(jī)電氣故障的常用診斷方法，多用于檢測設(shè)備的輸入電壓，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)來說，通常情況下任意兩相之間的電壓約為380 V，對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)來說，通常情況下其輸入電壓約為220 V，如果檢測時(shí)無電壓或者差異較大，需要進(jìn)一步檢查輸入電路。

4.3 電阻法

電阻法是異步電動(dòng)機(jī)維修的主要方法之一。通過萬用表的歐姆檔對(duì)電機(jī)繞組的電阻值進(jìn)行檢測，能夠及時(shí)判斷繞組是否存在開路或者短路等情況。對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)來說，三相繞組的電阻值差異較小，對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)來說，因?yàn)槠饎?dòng)原理存在不同，主繞組與副繞組的電阻值存在一定的差異。

4.4 電流表法

通過萬用表對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的電流進(jìn)行檢測，或者采用鉗型電流表進(jìn)行檢測，結(jié)合檢測所得電流值與設(shè)備的額定電流進(jìn)行對(duì)比，為工作人員分析設(shè)備內(nèi)部繞組故障提供參考依據(jù)，及時(shí)了解故障原因。

4.5 替換法

主要指使用性能良好的器件替換疑似故障器件，如果故障消除，說明被替換器件確實(shí)存在故障，反之則需要進(jìn)一步診斷、判斷。通常情況下替換法能夠有效檢查設(shè)備器件是否發(fā)生故障，并且結(jié)果準(zhǔn)確，難以判斷的情況較為罕見。

5 異步電動(dòng)機(jī)電氣故障診斷方法的應(yīng)用

5.1 定子繞組接地

診斷方法：（1）觀察法。繞組接地故障多發(fā)生在繞組端部與槽口位置，對(duì)該部位進(jìn)行嚴(yán)密觀察，查看是否存在破裂、焦黑痕跡，如果存在則說明故障點(diǎn)位于此。（2）通過試電筆進(jìn)行檢查，使設(shè)備處于通電狀態(tài)，通過試電筆觸碰設(shè)備外殼，如果是單筆氖管發(fā)亮，表明繞組存在接地情況。（3）通過萬用表進(jìn)行檢查，將其旋轉(zhuǎn)至R×10 kΩ檔，將1只表筆接于設(shè)備外殼，另一只表筆接觸三相繞組的接線端，哪相繞組偏轉(zhuǎn)至“0”，表明該相存在繞組短路情況。（4）通過兆歐表進(jìn)行檢查，將其接于設(shè)備外殼與繞組構(gòu)成的電路中，對(duì)絕緣電阻進(jìn)行檢測。認(rèn)真觀察兆歐表顯示數(shù)值，如果為0，表明繞組接地；如果數(shù)值超過0而低于0.5 MΩ，表明繞組受潮，需要烘干后再進(jìn)行檢測，同時(shí)觀察絕緣電阻是否上升，如果并未上升，表明絕緣或繞組受損。最后，在具體診斷過程中，需要結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)合理選擇兆歐表，比如說380 V的電機(jī)需要采用500 V的兆歐表。

5.2 定子繞組短路

診斷方法：（1）觀察法。將設(shè)備拆開對(duì)定子繞組的外觀、顏色進(jìn)行觀察，如果短路點(diǎn)發(fā)生于繞組端部，需要對(duì)機(jī)械受損位置與短路點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真觀察，通常情況下短路點(diǎn)存在黑色燒焦痕跡，顏色較深。如果用手觸摸黑點(diǎn)位置，能夠發(fā)現(xiàn)絕緣漆發(fā)脆，甚至已經(jīng)碎裂。（2）觸摸法。根據(jù)繞組短路后發(fā)熱的原理，通過手感明確短路的具體位置。首先使異步電動(dòng)機(jī)處于通電狀態(tài)，使其空載運(yùn)行10 min左右，之后斷電，將電機(jī)迅速拆開，取出轉(zhuǎn)子，用手觸摸定子繞組的各部位，如果某處的溫度明顯高于其他部位，表明短路點(diǎn)在該部位。（3）通過萬用表或者兆歐表進(jìn)行診斷。使用兆歐表能夠有效判斷相間短路情況，診斷過程中，拆開電動(dòng)機(jī)繞組頭尾接線頭，通過萬用表或者兆歐表對(duì)相間電阻進(jìn)行檢測，如果數(shù)值較低或者為零，說明為短路相。（4）電阻測量法。通過萬用表或者電橋?qū)θ嗬@組的電阻值進(jìn)行檢測，將數(shù)值與正常數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，電阻較小的繞組存在短路故障。工作人員需要及時(shí)明確短路點(diǎn)，如果短路匝數(shù)較多，需要及時(shí)更換繞組。

5.3 轉(zhuǎn)子籠條斷條

診斷方法：（1）觀察法。首先需要抽出電機(jī)轉(zhuǎn)子，對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯表面進(jìn)行認(rèn)真觀察，尤其是轉(zhuǎn)子的端環(huán)和導(dǎo)條的交接位置，如果存在青藍(lán)色的過熱變色情況，表明該位置便是斷條位置。（2）鐵粉檢查法。使用二次測額定電流超過10 A的單相變壓器和容量大致相同的單相調(diào)壓器以及交流電流表進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)子的兩端環(huán)接變壓器的二次側(cè)，之后緩慢增加調(diào)壓器二次側(cè)的輸出電壓，同時(shí)對(duì)電流表進(jìn)行認(rèn)真觀察，如果變壓器二次側(cè)電流為10 A，及時(shí)停止調(diào)整，該過程中電壓約為變壓器一次額定電壓的5%～10%。同時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中大量電流經(jīng)過，在周圍形成磁場，將一些細(xì)鐵粉灑在導(dǎo)條上，正常情況下導(dǎo)條邊緣能夠均勻吸附鐵粉，斷條上鐵粉十分稀少或者沒有。（3）短路檢查法。將接通的220 V交流電源與串有電流表的短路偵察設(shè)備放置于鐵芯槽口位置，順沿轉(zhuǎn)子鐵芯外圓緩慢移動(dòng)，如果電流表數(shù)值存在突然變小的情況，表明被檢測槽內(nèi)存在斷條故障。對(duì)該故障來說，可以更換相同型號(hào)與規(guī)格的轉(zhuǎn)子，試運(yùn)行階段如果設(shè)備負(fù)載性能、轉(zhuǎn)速、聲音等方面均表現(xiàn)正常，表明被更換的轉(zhuǎn)子存在斷條故障。如果斷裂位置在端環(huán)或者槽外的其他位置，需要將斷裂紋鑿成V形槽，通過氣焊焊平。如果斷條較多，需要對(duì)全部銅條進(jìn)行更換處理。

6 結(jié)束語

綜上所述，電氣故障是異步電動(dòng)機(jī)的主要故障類型，如果發(fā)生電氣故障，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行失常、定子繞組燒毀，造成嚴(yán)重的損失。因此為了確保異步電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取科學(xué)合理的診斷措施及時(shí)診斷故障，排除隱患。異步電動(dòng)機(jī)電氣故障的識(shí)別與診斷方法較多，工作人員需要結(jié)合實(shí)際情況制定合理的診斷方案，同時(shí)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，充分掌握故障原因，這樣才能提高診斷效果，為后續(xù)維修提供保障。