1. Fundamentele electrice pentru analistul de vibrații

Înainte de a diagnostica defectele motorului din spectrele de vibrații, este esențial să înțelegem frecvențele electrice cheie care determină vibrațiile motorului.

1.1. Frecvența liniei (LF)

Frecvența alimentării cu curent alternativ: 50 Hz în cea mai mare parte a Europei, Asiei, Africii și Rusiei; 60 Hz în America de Nord și în anumite părți ale Americii de Sud și Asiei. Toate forțele electromagnetice din motor sunt derivate din această frecvență.

1.2. Frecvență dublă de linie (2×LF)

The frecvența forței electromagnetice dominante în motoarele de curent alternativ. Într-un sistem de 50 Hz, 2×LF = 100 Hz; într-un sistem de 60 Hz, 2×LF = 120 Hz. Forța de atracție magnetică dintre stator și rotor atinge un vârf de două ori pe ciclu electric, ceea ce face ca 2×LF să fie frecvența fundamentală de "vibrație electrică" a fiecărui motor de curent alternativ.

1.3. Viteză și alunecare sincronă

Câmpul magnetic al statorului se rotește cu o viteză sincronă:

unde P este numărul de poli. Rotorul unui motor cu inducție se rotește întotdeauna puțin mai încet. Această diferență este alunecare:

Alunecare tipică la sarcină maximă pentru motoarele cu inducție standard: 1–5%. Pentru un motor cu 2 poli la 50 Hz: N_s = 3000 RPM, turația reală ≈ 2940–2970 RPM.

1.4. Frecvența de trecere a polului (F_p)

Viteza la care polii rotorului "alunecă pe lângă" polii statorului. Rezultatul este universal — independent de numărul de poli:

Pentru un motor care funcționează la 50 Hz cu alunecare 2%: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Această frecvență apare sub formă de benzi laterale caracteristice în spectrele barelor rotorului rupte.

1.5. Frecvența de trecere a barei rotorului

Unde R este numărul de bare ale rotorului. Această frecvență și benzile sale laterale devin semnificative atunci când barele rotorului sunt deteriorate.

1.6. Tabel de referință al frecvențelor cheie

StatorRotorÎnfășurăriSpațiu de aerMecanicAxial Orice distorsiune a întrefierului modifică direct atracția magnetică, ceea ce schimbă imediat modelul de vibrație. Simbolul ± indică benzile laterale (modulație).

2. Prezentare generală a metodelor de diagnostic

Nicio tehnică nu poate detecta singură toate defectele motoarelor electrice. Un program robust de diagnosticare combină mai multe metode complementare:

VibrațiiMCSAESAMCATermografie Nicio metodă singulară nu oferă o acoperire completă. Se recomandă insistent o abordare diagnostică combinată.

2.1. Analiza spectrală a vibrațiilor

Instrumentul principal pentru diagnosticarea majorității echipamentelor rotative. Accelerometrele de pe carcasele rulmenților captează spectre care dezvăluie defecte mecanice (dezechilibru, nealiniere, uzură a rulmenților) și unele defecte electrice (interferență neuniformă, înfășurări slăbite). Cu toate acestea, Analiza vibrațiilor singură nu poate detecta toate defecțiunile electrice ale motorului.

2.2. Analiza semnăturii curentului motorului (MCSA)

O clemă de curent pe o fază captează spectrul de curent. Barele rotorului rupte produc benzi laterale la LF ± F p. MCSA se efectuează online și este complet neinvazivă.

2.3. Analiza Semnăturii Electrice (ESA)

Analizează simultan spectrele de tensiune și curent la MCC. Detectează asimetria tensiunii de alimentare, distorsiunile armonice și problemele de calitate a energiei.

2.4. Analiza circuitelor motorului (MCA)

Un offline Test pentru măsurarea rezistenței fază-fază, a inductanței, a impedanței și a rezistenței de izolație. Esențial în timpul opririlor pentru mentenanță.

2.5. Monitorizarea temperaturii

Temperatura înfășurărilor statorului și tendința temperaturii rulmenților oferă avertizări timpurii privind supraîncărcarea, problemele de răcire și degradarea izolației.

3. Defecte ale statorului

Defectele statorului sunt responsabile pentru aproximativ 23–37% din toate defecțiunile motorului. Statorul este partea staționară care conține miezul laminat de fier și înfășurările. Defectele produc vibrații în principal la 2×LF (100 Hz / 120 Hz) și multiplii săi.

3.1. Excentricitatea statorului — Interstițiu neuniform

Spațiul de aer dintre rotor și stator este de obicei 0,25–2 mm. Chiar și o variație a 10% creează un dezechilibru electromagnetic măsurabil.

Cauze

• Picior moale — cea mai frecventă cauză
• Carcase de rulmenți uzate sau deteriorate
• Deformarea cadrului din cauza transportului sau instalării necorespunzătoare
• Distorsiune termică în condiții de funcționare
• Toleranțe de fabricație slabe

Semnătura spectrală

• De obicei dominant 2×LF în spectrul vitezei radiale
• Adesea însoțită de o ușoară creștere a 1X și 2X din cauza atracției magnetice dezechilibrate (UMP)
• Excentricitate statică: 2×LF domină cu puțină modulație
• Componentă dinamică: benzi laterale la 2×LF ± 1X pot apărea

Evaluarea severității

Notă: Acestea sunt instrucțiuni ilustrative, nu un standard formal. Comparați întotdeauna cu valorile de referință ale mașinii.

Test de confirmare

Test de oprire (test de rupere): În timp ce monitorizați vibrațiile, deconectați motorul de la curent. Dacă vârful de 2×LF scade brusc — în câteva secunde, mult mai rapid decât decelerarea mecanică în rulare liberă — sursa este electromagnetică.

3.2. Înfășurări statorice slăbite

Înfășurările statorice sunt supuse unor forțe electromagnetice de 2×LF în timpul fiecărui ciclu de funcționare. De-a lungul anilor, fixarea mecanică (rășină epoxidică, lac, pene) se poate degrada. Înfășurările slăbite vibrează la 2×LF cu amplitudine crescândă, accelerând uzura izolației prin frecare.

Semnătura spectrală

• Vibrații predominant radiale
• 2×LF poate fi mai puțin stabil — fluctuații ușoare de amplitudine
• Cazuri severe: armonice la 4×LF, 6×LF

Consecințe

Aceasta este distructiv pentru izolația înfășurărilor — duce la degradare accelerată, defecte la masă imprevizibile și defectarea completă a statorului care necesită rebobinare.

3.3. Cablu de alimentare slăbit — Asimetrie de fază

Un contact slab creează o asimetrie a rezistenței. Chiar și Asimetrie de tensiune 1% cauzează aproximativ Asimetrie curentă 6–10%. Curenții dezechilibrați creează o componentă de câmp magnetic cu rotație inversă.

Semnătura spectrală

• Amplitudinea LF crește de 2× din cauza atracției magnetice dezechilibrate
• În unele cazuri, benzi laterale apropiate de ±⅓×LF (~16,7 Hz în sisteme de 50 Hz) în jurul vârfului 2×LF
• În spectrul de curent (MCSA): curent de secvență negativă crescut

Verificări practice

• Verificați toate terminațiile cablurilor, conexiunile barei colectoare, contactele contactorului
• Măsurați rezistența fază-fază — în limita a 1% una de cealaltă
• Măsurați tensiunea de alimentare pe toate cele trei faze — asimetria nu trebuie să depășească 1%
• Termografie IR a cutiei de terminare a cablurilor

3.4. Laminări statorice scurtcircuitate

Deteriorarea izolației interlaminare permite circulația curenților turbionari, creând puncte fierbinți localizate. Nu este întotdeauna detectabil în spectrele de vibrații — Termografia IR este principala metodă de detectare. Offline: testul miezului electromagnetic (testul EL-CID).

3.5. Scurtcircuit între spire

Un scurtcircuit între spire creează o buclă de curent circulant localizată, reducând spirele efective din bobina afectată. Produce o creștere a 2×LF, armonică a treia crescută a LF în curent și asimetrie a curentului de fază. Cel mai bine detectat prin testul de supratensiune MCA offline.

2×LF1X / 2XBenzi laterale Testul de oprire a alimentării confirmă originea electromagnetică: dacă 2×LF scade brusc la dezechilibrare (mult mai rapid decât declinul în liberă circulație), sursa este electromagnetică.

4. Defecte ale rotorului

Defectele rotorului reprezintă aproximativ 5–10% defecțiuni ale motorului dar sunt adesea cele mai dificil de detectat din timp.

4.1. Bare de rotor rupte și inele de capăt fisurate

Când o bară se rupe, redistribuirea curentului creează o asimetrie magnetică locală - practic un "punct magnetic greu" care se rotește la o frecvență de alunecare în raport cu câmpul statorului.

Semnătura vibrațiilor

• 1X vârf cu benzi laterale la ± F_p. Pentru alunecare de 50 Hz / 2%: benzi laterale la 1X ± 2 Hz
• Cazuri severe: benzi laterale suplimentare la ± 2F_p, ± 3F_p
• 2×LF poate afișa și F_p benzi laterale

Semnătura MCSA

Scala de severitate MCSA

Important: MCSA necesită o sarcină constantă aproape de condițiile nominale. La sarcină parțială, amplitudinea benzii laterale scade.

Formă de undă temporală

Barele de rotor rupte produc o caracteristică "model de "bătaie” — amplitudinea modulează la frecvența de trecere a polului. Adesea vizibilă înainte ca benzile laterale spectrale să devină proeminente.

1Xbenzi laterale ±Fpbenzi laterale MCSA Barele de rotor rupte se confirmă cel mai bine prin MCSA. Spectrul de vibrații sugerează defectul; MCSA oferă o evaluare cantitativă a severității.

4.2. Excentricitatea rotorului (statică și dinamică)

Excentricitate statică

Axa centrală a arborelui față de alezajul statorului. Produce o suprapunere ridicată 2×LF. În curent: armonicele fantei rotorului la f._RBPF ± LF.

Excentricitate dinamică

Centrul rotorului orbitează în jurul centrului alezajului statorului. Produce 1X cu 2 benzi laterale LF și frecvență crescută de trecere a barei rotorului. În curent: benzi laterale la LF ± f_putrezi.

În practică, ambele tipuri sunt de obicei prezente simultan - modelul este o suprapunere.

4.3. Arcul rotor termic

Motoarele mari pot dezvolta un gradient de temperatură care provoacă curbură temporară. Produce 1X care variază în timp după pornire — de obicei crescând timp de 15–60 de minute, apoi stabilizându-se. Unghiul de fază se modifică pe măsură ce arcul se dezvoltă. Se poate face distincția de dezechilibrul mecanic (care este stabil) prin monitorizarea amplitudinii și fazei 1X timp de 30–60 de minute după pornire.

4.4. Deplasarea câmpului electromagnetic (deplasarea axială)

Dacă rotorul este deplasat axial față de stator, distribuția câmpului electromagnetic devine asimetrică axial. Rotorul experimentează o oscilație forța electromagnetică axială la 2×LF.

Cauze

• Poziționare axială incorectă a rotorului în timpul asamblării sau după înlocuirea rulmentului
• Uzura rulmenților permite un joc axial excesiv
• Împingerea arborelui de la mașina acționată
• Expansiunea termică în timpul funcționării

Forța electromagnetică axialăDeplasare / consoleStator CLDetectare Factorul cheie de diferențiere față de cauzele mecanice este diferențierea instantanee a curentului axial 2×LF, care dispare instantaneu la oprirea alimentării.

5. Defecte electrice legate de rulmenți

5.1. Curenți de lagăr și EDM

Tensiunea dintre arbore și carcasă provoacă curgerea curentului prin rulmenți. Surse: asimetrie magnetică, tensiune de mod comun VFD, sarcină statică. Descărcările repetate creează gropi microscopice (Prelucrare prin descărcare electrică) ducând la caneluri — caneluri uniform distanțate pe căile de rulare.

Semnătura spectrală

• Frecvențele defectelor lagărelor (BPFO, BPFI, BSF) cu vârfuri foarte uniforme, "curate"
• Nivel ridicat de zgomot de înaltă frecvență în spectrul de accelerație
• Avansat: sunet caracteristic de tip "spată"

Prevenirea

• Rulmenți izolați (inele acoperite)
• Perii de împământare a arborelui (în special pentru aplicații VFD)
• Filtre de mod comun pe ieșirea VFD
• Măsurarea normală a tensiunii la arbore — sub 0,5 V vârf

6. Efecte ale acționării cu frecvență variabilă (VFD)

6.1. Schimbarea frecvenței

Toate frecvențele electrice ale motorului se modifică proporțional cu frecvența de ieșire a VFD-ului. Dacă VFD-ul funcționează la 45 Hz, 2×LF devine 90 Hz. Benzile de alarmă trebuie să fie adaptiv la viteză.

6.2. Armonice PWM

Frecvența de comutare (2–16 kHz) și benzile laterale apar în spectre. Poate provoca zgomot sonor și curenți de lagăr.

6.3. Excitație torsională

Armonicele de ordin inferior (a 5-a, a 7-a, a 11-a, a 13-a) creează pulsații de cuplu care pot excita frecvențe naturale de torsiune.

6.4. Excitație prin rezonanță

Pe măsură ce un variator de frecvență (VFD) parcurge un interval de viteză, frecvențele de excitație pot trece prin frecvențele naturale structurale. Pentru echipamentele acționate de VFD ar trebui stabilite hărți de viteză critică.

7. Rezumatul diagnosticului diferențial

ElectricMecanicAnaliza 2×LFDefecte ale rotorului Testul de declanșare la oprirea alimentării este prima bifurcație din arborele de diagnostic. Odată ce originea electrică este confirmată, frecvența și direcția dominantă restrâng diagnosticul.

8. Instrumentație și tehnici de măsurare

8.1. Cerințe privind măsurarea vibrațiilor

8.2. Balanset-1A pentru diagnosticarea motoarelor

Vibrometrul portabil cu două canale Balanset-1A (VibroMera) oferă capabilități de bază pentru diagnosticarea vibrațiilor motoarelor:

După diagnosticarea și corectarea defectului motorului, Balanset-1A poate fi utilizat pentru echilibrarea rotorului in situ — finalizarea întregului flux de lucru, de la diagnosticare la corecție, fără a demonta motorul.

8.3. Cele mai bune practici de măsurare

• Trei direcții — verticală, orizontală și axială — pe fiecare rulment. Axialul este esențial pentru deplasarea câmpului electromagnetic
• Pregătiți suprafețele — îndepărtați vopseaua și rugina pentru o cuplare fiabilă a accelerometrului
• Condiții de stare staționară — viteză nominală, sarcină, temperatură
• Înregistrați condițiile de funcționare — viteză, sarcină, tensiune, curent cu fiecare măsurare
• Moment consecvent — aceleași condiții pentru compararea tendințelor
• Test de oprire când se suspectează vibrații electrice — durează câteva secunde, oferă o identificare fiabilă a sursei

9. Referințe normative

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Vibrații. Măsurarea și evaluarea vibrațiilor mașinilor. Partea 1. Instrucțiuni generale.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Monitorizarea stării. Monitorizarea stării de vibrații. Partea 2. Instruire și certificare.
• ISO 20816-1:2016 — Vibrații mecanice. Măsurare și evaluare. Partea 1: Instrucțiuni generale.
• ISO 10816-3:2009 — Evaluarea vibrațiilor mașinilor. Partea 3: Mașini industriale >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Mașini electrice rotative. Partea 14: Vibrații mecanice.
• IEEE 43-2013 — Practică recomandată pentru testarea rezistenței izolației.
• IEEE 1415-2006 — Ghid pentru testarea întreținerii mașinilor de inducție.
• NEMA MG 1-2021 — Motoare și generatoare. Limite de vibrații și testare.
• ISO 1940-1:2003 — Cerințe de calitate a echilibrării rotoarelor.

10. Concluzie

1. 2×LF este principalul indicator electromagnetic. Un vârf proeminent la exact dublul frecvenței de alimentare sugerează puternic o sursă electromagnetică. Testul de oprire oferă confirmarea.
2. Direcția contează. Radial 2×LF → întrefier / înfășurări / alimentare. Axial 2×LF + 1X → deplasarea câmpului electromagnetic — unul dintre cele mai distructive defecte.
3. Benzile laterale spun povestea. ± ⅓×LF → probleme cu cablul de alimentare. ± F_p → bare de rotor rupte. Diagrama benzilor laterale este adesea mai diagnostică decât vârful principal.
4. Rezoluția spectrală este critică. Pentru motoarele cu 2 poli la 50 Hz, 2X și 2×LF sunt la o distanță de doar ~2 Hz. Rezoluția ≤ 0,5 Hz este obligatorie.
5. Combinați metodele. Vibrații + MCSA + MCA + Termografie. Nicio metodă singulară nu acoperă toate defectele.
6. Vorbește cu electricienii. Personalul de reparații motoare posedă cunoștințe de neînlocuit despre motoare specifice, istoricul lor și condițiile de furnizare.

Flux de lucru recomandat

Pași de diagnosticareMCSAVerificare Urmați această secvență sistematic. Testul de oprire (pasul 2) durează câteva secunde și face diferența fiabilă între sursa electrică și cea mecanică.

Vibrometre portabile moderne cu două canale, cum ar fi Balanset-1A permite inginerilor de teren să efectueze analize spectrale ale vibrațiilor cu rezoluția și precizia de fază necesare pentru identificarea defectelor motorului — de la detectarea golurilor de aer neuniforme, prin analiza încrucișată a fazelor, până la echilibrarea ulterioară a rotorului in situ.