1. Elektrische basisprincipes voor de trillingsanalist

Voordat motordefecten kunnen worden vastgesteld aan de hand van trillingsspectra, is het essentieel om de belangrijkste elektrische frequenties te begrijpen die de motortrillingen veroorzaken.

1.1. Netfrequentie (LF)

De wisselstroomfrequentie: 50 Hz in het grootste deel van Europa, Azië, Afrika en Rusland; 60 Hz in Noord-Amerika en delen van Zuid-Amerika en Azië. Alle elektromagnetische krachten in de motor zijn afgeleid van deze frequentie.

1.2. Tweemaal de netfrequentie (2×LF)

De dominante elektromagnetische krachtfrequentie in wisselstroommotoren. In een 50 Hz-systeem is 2×LF = 100 Hz; in een 60 Hz-systeem, 2×LF = 120 Hz. De magnetische aantrekkingskracht tussen stator en rotor bereikt tweemaal per elektrische cyclus een piek, waardoor 2×LF de fundamentele "elektrische trillingsfrequentie" van elke wisselstroommotor is.

1.3. Synchrone snelheid en slip

Het magnetische veld van de stator roteert met de synchrone snelheid:

waarbij P is het aantal polen. De rotor van een inductiemotor draait altijd iets langzamer. Dit verschil is slip:

Typische slip bij vollast voor standaard inductiemotoren: 1–5%. Voor een 2-polige motor bij 50 Hz: N_s = 3000 RPM, werkelijke snelheid ≈ 2940–2970 RPM.

1.4. Pooldoorlaatfrequentie (F)_p)

De snelheid waarmee rotorpolen langs statorpolen "glijden". Het resultaat is universeel — onafhankelijk van het aantal polen:

Voor een motor die draait op 50 Hz met een slip van 2%: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Deze frequentie verschijnt als karakteristieke zijbanden in de spectra van gebroken rotorstaven.

1.5. Doorlaatfrequentie van de rotorstaaf

Waarbij R het aantal rotorstaven is. Deze frequentie en de bijbehorende zijbanden worden significant wanneer rotorstaven beschadigd zijn.

1.6. Referentietabel voor sleutelfrequenties

StatorRotorWikkelingenLuchtspleetMechanischAxiaal Elke vervorming in de luchtspleet verandert direct de magnetische aantrekkingskracht, en dat verandert onmiddellijk het trillingspatroon. Het symbool ± duidt zijbanden (modulatie) aan.

2. Overzicht van diagnostische methoden

Geen enkele techniek kan alle defecten aan elektromotoren opsporen. Een robuust diagnoseprogramma combineert meerdere complementaire methoden:

TrillingMCSAESAMCAThermografie Geen enkele methode biedt volledige dekking. Een gecombineerde diagnostische aanpak wordt sterk aanbevolen.

2.1. Trillingsspectrale analyse

Het belangrijkste hulpmiddel voor de diagnose van de meeste roterende apparatuur. Accelerometers op lagerhuizen registreren spectra die mechanische defecten (onbalans, verkeerde uitlijning, lagerslijtage) en sommige elektrische defecten (ongelijkmatige luchtspleet, losse wikkelingen) aan het licht brengen. Echter, Alleen trillingsanalyse kan niet alle elektrische storingen in een motor opsporen..

2.2. Motorstroomsignatuuranalyse (MCSA)

Een stroomklem op één fase legt het stroomspectrum vast. Gebroken rotorstaven produceren zijbanden bij LF ± F p. MCSA wordt online uitgevoerd en is volledig niet-invasief.

2.3. Analyse van elektrische signalen (ESA)

Analyseert tegelijkertijd zowel het spannings- als het stroomspectrum bij de MCC. Detecteert asymmetrie in de voedingsspanning, harmonische vervorming en problemen met de stroomkwaliteit.

2.4. Motorcircuitanalyse (MCA)

Een offline Test die de fase-fase weerstand, inductantie, impedantie en isolatieweerstand meet. Essentieel tijdens onderhoudsstops.

2.5. Temperatuurbewaking

Het monitoren van de temperatuur van de statorwikkeling en de lagertemperatuur geeft vroegtijdig waarschuwingen voor overbelasting, koelproblemen en isolatieverslechtering.

3. Statordefecten

Defecten aan de stator zijn verantwoordelijk voor ongeveer 23–37% van alle motorstoringen. De stator is het stationaire deel dat de gelamineerde ijzeren kern en de wikkelingen bevat. Defecten veroorzaken trillingen, voornamelijk bij 2×LF (100 Hz / 120 Hz) en de veelvouden daarvan.

3.1. Excentriciteit van de stator — Ongelijkmatige luchtspleet

De luchtspleet tussen rotor en stator is doorgaans 0,25–2 mm. Zelfs een 10%-variant zorgt voor een meetbare onbalans in de elektromagnetische kracht.

Oorzaken

• Zachte voet — de meest voorkomende oorzaak
• Versleten of beschadigde lagerhuizen
• Framevervorming als gevolg van onjuist transport of installatie.
• Thermische vervorming onder bedrijfsomstandigheden
• Slechte fabricagetoleranties

Spectrale signatuur

• Typisch dominante 2×LF in het radiale snelheidspectrum
• Vaak gepaard gaande met een lichte toename van 1X en 2X als gevolg van een onevenwichtige magnetische aantrekkingskracht (UMP)
• Statische excentriciteit: 2×LF domineert met weinig modulatie
• Dynamische component: zijbanden bij 2×LF ± 1X kan verschijnen

Beoordeling van de ernst

Let op: dit zijn illustratieve richtlijnen, geen formele norm. Vergelijk de resultaten altijd met de eigen basiswaarden van de machine.

Bevestigingstest

Uitschakeltest (snap-test): Schakel de motor uit terwijl u de trillingen controleert. Als de piekwaarde 2×LF bedraagt daalt scherp — binnen enkele seconden, veel sneller dan een mechanisch uitloopproces — is de bron elektromagnetisch.

3.2. Losse statorwikkelingen

De statorwikkelingen worden tijdens elke bedrijfscyclus blootgesteld aan elektromagnetische krachten met een amplitude van 2×LF. Na verloop van tijd kan de mechanische bevestiging (epoxy, lak, wiggen) verslechteren. Losse wikkelingen gaan trillen met een amplitude van 2×LF en een toenemende amplitude, waardoor de isolatie sneller slijt door wrijving.

Spectrale signatuur

• Voornamelijk radiale trilling
• 2×LF kan minder stabiel zijn — lichte amplitude fluctuaties
• Ernstige gevallen: harmonischen bij 4×LF, 6×LF

Gevolgen

Dit is schadelijk voor de wikkelisolatie — leidt tot versnelde slijtage, onvoorspelbare aardfouten en volledig uitvallen van de stator, waardoor deze opnieuw gewikkeld moet worden.

3.3. Losse voedingskabel — Fase-asymmetrie

Een slecht contact veroorzaakt asymmetrie in de weerstand. Zelfs 1% spanningsasymmetrie veroorzaakt ongeveer 6–10% stroomasymmetrie. De onbalans in de stromen creëert een achterwaarts roterende component van het magnetische veld.

Spectrale signatuur

• De amplitude van 2×LF neemt toe als gevolg van een onevenwichtige magnetische aantrekkingskracht.
• In sommige gevallen, zijbanden in de buurt van ±⅓×LF (~16,7 Hz in 50 Hz-systemen) rond de 2×LF-piek
• In het huidige spectrum (MCSA): verhoogde negatieve-sequentiestroom

Praktische controles

• Controleer alle kabelaansluitingen, busbar-verbindingen en contactoren.
• Meet de fase-tot-fase weerstand — binnen 1% van elkaar.
• Meet de voedingsspanning op alle drie de fasen — de asymmetrie mag niet groter zijn dan 1%.
• IR-thermografie van een kabelaansluitdoos

3.4. Kortgesloten statorlamellen

Beschadiging van de isolatie tussen de lamellen zorgt ervoor dat wervelstromen kunnen circuleren, waardoor plaatselijke hotspots ontstaan. Deze zijn niet altijd detecteerbaar in trillingsspectra. IR-thermografie is de belangrijkste detectiemethode.. Offline: elektromagnetische kerntest (EL-CID-test).

3.5. Kortsluiting tussen windingen

Een kortsluiting tussen windingen creëert een gelokaliseerde stroomlus, waardoor het aantal effectieve windingen in de betreffende spoel afneemt. Dit leidt tot een verhoogde 2×LF, Verhoogde derde harmonische van de laagfrequente stroom en fasestroomasymmetrie. Het best te detecteren via een offline MCA-overspanningstest.

2×LF1X / 2XZijbanden De test bij het uitschakelen bevestigt een elektromagnetische oorsprong: als 2×LF bij het uitschakelen van de stroom abrupt daalt (veel sneller dan bij het uitlopen), is de bron elektromagnetisch.

4. Rotordefecten

Rotordefecten zijn verantwoordelijk voor ongeveer 5–10% van motorstoringen maar zijn vaak het moeilijkst vroegtijdig op te sporen.

4.1. Gebroken rotorstaven en gebarsten eindringen

Wanneer een staaf breekt, zorgt de herverdeling van de stroom voor lokale magnetische asymmetrie – in feite een "magnetisch zwaar punt" dat roteert met een slipfrequentie ten opzichte van het statorveld.

Trillingssignatuur

• 1X piek met zijbanden bij ± F_p. Voor 50 Hz / 2% slip: zijbanden bij 1X ± 2 Hz
• Ernstige gevallen: extra zijbanden bij ± 2F_p, ± 3F_p
• 2×LF kan ook F weergeven_p zijbanden

MCSA-handtekening

MCSA-ernstschaal

Belangrijk: MCSA vereist een constante belasting nabij de nominale omstandigheden. Bij deellast neemt de amplitude van de zijbanden af.

Tijdgolfvorm

Gebroken rotorstaven produceren een karakteristiek geluid. ""klop" patroon — De amplitude moduleert bij de pooldoorlaatfrequentie. Vaak zichtbaar voordat de spectrale zijbanden prominent worden.

1X±Fp zijbandenMCSA-zijbanden Gebroken rotorstaven kunnen het best worden vastgesteld met behulp van MCSA. Het trillingsspectrum geeft een indicatie van het defect; MCSA biedt een kwantitatieve beoordeling van de ernst.

4.2. Rotor-excentriciteit (statisch en dynamisch)

Statische excentriciteit

De hartlijn van de as is verschoven ten opzichte van de statorboring. Dit resulteert in een verhoogde 2×LF. Momenteel: rotorsleufharmonischen bij f_RBPF ± LF.

Dynamische excentriciteit

Het middelpunt van de rotor draait rond het middelpunt van de statorboring. Produceert 1X met 2×LF-zijbanden en verhoogde rotorstaafpassagefrequentie. In de huidige situatie: zijbanden bij LF ± f_rot.

In de praktijk zijn beide typen meestal tegelijkertijd aanwezig — het patroon is een superpositie.

4.3. Thermische rotorboog

Grote motoren kunnen een temperatuurgradiënt ontwikkelen die tijdelijke kromming veroorzaakt. Produceert 1X dat varieert met de tijd Na het opstarten neemt de fasehoek doorgaans gedurende 15-60 minuten toe en stabiliseert zich vervolgens. De fasehoek verschuift naarmate de boog zich ontwikkelt. Onderscheid dit van mechanische onbalans (die stabiel is) door de amplitude en fase gedurende 30-60 minuten na het opstarten te monitoren.

4.4. Verplaatsing van het elektromagnetische veld (axiale verschuiving)

Als de rotor axiaal verschoven Ten opzichte van de stator wordt de verdeling van het elektromagnetische veld asymmetrisch in axiale richting. De rotor ondervindt een oscillerende beweging. axiale elektromagnetische kracht bij 2×LF.

Oorzaken

• Onjuiste axiale positionering van de rotor tijdens montage of na vervanging van het lager.
• Lagerslijtage waardoor overmatige axiale speling ontstaat
• Asdruk afkomstig van de aangedreven machine
• Thermische uitzetting tijdens gebruik

Axiale EM-krachtVerschuiving / overhangStator CLDetectie De axiale 2×LF die direct verdwijnt bij het uitschakelen van de stroom, is het belangrijkste onderscheidende kenmerk ten opzichte van mechanische oorzaken.

5. Elektrische defecten gerelateerd aan lagers

5.1. Lagerstromen en EDM

Spanning tussen de as en de behuizing veroorzaakt stroomdoorgang door de lagers. Bronnen: magnetische asymmetrie, common-mode spanning van de frequentieomvormer, statische lading. Herhaalde ontladingen creëren microscopische putjes (Elektro-erosiebewerking) wat leidt tot ribbels — gelijkmatig verdeelde groeven op de loopvlakken.

Spectrale signatuur

• Lagerdefectfrequenties (BPFO, BPFI, BSF) met zeer uniforme, "zuivere" pieken.
• Verhoogde hoogfrequente ruisvloer in het acceleratiespectrum
• Gevorderd: kenmerkend "wasbord"-geluid

Preventie

• Geïsoleerde lagers (gecoate ringen)
• Aardingsborstels voor assen (met name voor VFD-toepassingen)
• Common-mode filters op de VFD-uitgang
• Regelmatige meting van de asspanning — onder 0,5 V piekspanning

6. Effecten van een frequentieomvormer (VFD)

6.1. Frequentieverschuiving

Alle elektrische motorfrequenties verschuiven evenredig met de uitgangsfrequentie van de frequentieomvormer. Als de frequentieomvormer op 45 Hz werkt, wordt 2×LF 90 Hz. Alarmbanden moeten worden ingesteld. snelheidsadaptief.

6.2. PWM-harmonischen

Schakelfrequentie (2–16 kHz) en zijbanden verschijnen in het spectrum. Dit kan hoorbaar lawaai en lagerstromen veroorzaken.

6.3. Torsie-excitatie

Laagfrequente harmonischen (5e, 7e, 11e, 13e) creëren koppelpulsaties die torsie-eigenfrequenties kunnen opwekken.

6.4. Resonantie-excitatie

Wanneer een frequentieomvormer een bepaald snelheidsbereik doorloopt, kunnen de excitatie frequenties de eigenfrequenties van de constructie overschrijden. Kritische snelheidskaarten moeten worden opgesteld voor apparatuur die door een frequentieomvormer wordt aangedreven.

7. Samenvatting van de differentiële diagnose

ElektrischMechanisch2×LF-analyseRotordefecten De stroomuitvaltest is de eerste stap in het diagnoseproces. Zodra de elektrische oorzaak is vastgesteld, worden de dominante frequentie en richting gebruikt om de diagnose te verfijnen.

8. Instrumentatie en meettechnieken

8.1. Eisen voor trillingsmeting

8.2. Balanset-1A voor motordiagnostiek

De draagbare tweekanaals vibrometer Balanset-1A (VibroMera) biedt essentiële mogelijkheden voor diagnose van motortrillingen:

Na diagnose en correctie van het motorische defect kan de Balanset-1A worden gebruikt voor in-situ rotorbalancering — waarmee het volledige diagnose- en correctieproces wordt voltooid zonder de motor te verwijderen.

8.3. Beste meetpraktijken

• Drie richtingen — verticaal, horizontaal en axiaal — op elk lager. Axiaal is cruciaal voor de verplaatsing van het elektromagnetische veld.
• Bereid de oppervlakken voor — Verwijder verf en roest voor een betrouwbare koppeling van de accelerometer
• Stationaire omstandigheden — nominale snelheid, belasting, temperatuur
• Registreer de bedrijfsomstandigheden — snelheid, belasting, spanning, stroomsterkte bij elke meting
• Consistente timing — dezelfde voorwaarden voor trendvergelijkingen
• Uitschakeltest Wanneer elektrische trillingen worden vermoed — binnen enkele seconden, betrouwbare bronidentificatie

9. Normatieve referenties

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Trillingen. Meting en evaluatie van machinetrillingen. Deel 1. Algemene richtlijnen.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Conditiebewaking. Trillingsconditiebewaking. Deel 2. Training en certificering.
• ISO 20816-1:2016 — Mechanische trillingen. Meting en evaluatie. Deel 1: Algemene richtlijnen.
• ISO 10816-3:2009 — Evaluatie van machinetrillingen. Deel 3: Industriële machines >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Draaiende elektrische machines. Deel 14: Mechanische trillingen.
• IEEE 43-2013 — Aanbevolen werkwijze voor het testen van de isolatieweerstand.
• IEEE 1415-2006 — Handleiding voor het uitvoeren van onderhoudstests aan inductiemachines.
• NEMA MG 1-2021 — Motoren en generatoren. Trillingslimieten en -testen.
• ISO 1940-1:2003 — Balansvereisten voor rotors.

10. Conclusie

1. 2×LF is de primaire elektromagnetische indicator. Een opvallende piek precies op tweemaal de voedingsfrequentie wijst sterk op een elektromagnetische bron. De test met uitgeschakelde stroom bevestigt dit.
2. Richting is belangrijk. Radiaal 2×LF → luchtspleet / wikkelingen / voeding. Axiaal 2×LF + 1X → elektromagnetische veldverplaatsing — een van de meest destructieve defecten.
3. De zijbanden vertellen het verhaal. ± ⅓×LF → problemen met de voedingskabel. ± F_p → gebroken rotorstaven. Het zijbandpatroon is vaak diagnostischer dan de hoofdpiek.
4. Spectrale resolutie is cruciaal. Voor 2-polige motoren op 50 Hz liggen 2X en 2×LF slechts ongeveer 2 Hz uit elkaar. Een resolutie van ≤ 0,5 Hz is vereist.
5. Combineer methoden. Trilling + MCSA + MCA + Thermografie. Geen enkele methode dekt alle defecten.
6. Praat met de elektriciens. Monteurs van automonteurs beschikken over onvervangbare kennis over specifieke motoren, hun geschiedenis en de beschikbaarheid ervan.

Aanbevolen workflow

Diagnostische stappenMCSAVerificatie Volg deze stappen systematisch. De test waarbij de stroom wordt uitgeschakeld (stap 2) duurt slechts enkele seconden en maakt betrouwbaar onderscheid tussen een elektrische en een mechanische bron.

Moderne draagbare tweekanaals vibratiemeters zoals de Balanset-1A Hiermee kunnen veldtechnici spectrale trillingsanalyses uitvoeren met de resolutie en faseprecisie die nodig zijn voor het identificeren van motordefecten — van het detecteren van ongelijkmatige luchtspleten via kruisfaseanalyse tot de daaropvolgende in-situ rotorbalancering.