Обрыв стержней ротора: признаки и диагностика

Обрыв стержня ротора асинхронного двигателя нарушает магнитную симметрию ротора. В токе статора появляются боковые полосы на частотах f ± 2sf вокруг частоты питания, в вибрации боковые полосы с частотой прохождения полюсов вокруг частоты вращения. Диагностируют анализом тока под рабочей нагрузкой и подтверждают вибрацией, на остановленном двигателе применяют анализ цепи (MCA).

Что происходит при обрыве стержня

Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой состоит из стержней, замкнутых по торцам кольцами. Artesis описывает механизм так: когда стержень трескается, магнитная симметрия ротора нарушается, и возникающий дисбаланс наводит в токе статора небольшую колеблющуюся составляющую.

SKF перечисляет дефекты ротора, которые выявляет вибродиагностика:

Дефект	Как проявляется в вибрации (по SKF)
Сломанные или треснувшие стержни	Боковые полосы с частотой прохождения полюсов вокруг 1× частоты вращения и её гармоник
Плохие соединения с высоким сопротивлением между стержнями и короткозамыкающими кольцами	То же, боковые полосы могут быть и около 2×, 3×, 4× и 5× частоты вращения
Замкнутые листы стали ротора	Указан SKF как дефект ротора, выявляемый вибрацией
Ослабленные или незакреплённые стержни с плохим контактом с кольцами	Вибрация и гармоники на частоте прохождения стержней (RBPF), боковые полосы вокруг RBPF с шагом в удвоенную частоту сети

Почему это опасно

Artesis отмечает, что обрыв стержней сам по себе не выводит асинхронный двигатель из строя, но механизм дефекта может ломать детали, приводить к механическим повреждениям и отказу обмотки. Это влияет на производство и оборачивается дорогим ремонтом. Среди проявлений дефекта Artesis называет перегрев и искрение. По Artesis, проблема характерна для двигателей с тяжёлыми режимами работы.

Признаки в токе (MCSA и ESA)

Artesis называет обрыв стержней «хрестоматийным» дефектом для анализа тока. Признак: боковые полосы на частотах

f ± 2sf, где f — частота питания, s — скольжение двигателя.

Ключевая оговорка: признак зависит от нагрузки. По Artesis, чем выше нагрузка, тем больше скольжение и тем заметнее боковые полосы, поэтому анализ тока лучше всего работает при нагрузке, близкой к рабочей. Двигатель на холостом ходу для этой проверки не подходит.

Признаки в вибрации

В вибрации SKF рекомендует искать боковые полосы с частотой прохождения полюсов вокруг частоты вращения и её гармоник. Для расчёта SKF приводит формулы:

Величина	Формула (по SKF)
Синхронная скорость Ns, об/мин	Ns = 120 · FL / P
Частота скольжения Fs	Fs = Ns − RPM
Частота прохождения полюсов Fp	Fp = Fs · P
Частота прохождения стержней RBPF	RBPF = число стержней · RPM

Здесь FL — частота сети, P — число полюсов, RPM — фактическая скорость ротора. Как читать спектр и находить боковые полосы, описано в статье «Как читать спектр FFT».

Пример расчёта

Условный двигатель: 4 полюса, сеть 50 Гц, измеренная скорость 1470 об/мин.

1. Синхронная скорость: Ns = 120 · 50 / 4 = 1500 об/мин.
2. Частота скольжения: Fs = 1500 − 1470 = 30 об/мин, то есть 0,5 Гц. Скольжение s = 30 / 1500 = 0,02.
3. Частота прохождения полюсов: Fp = 30 · 4 = 120 цикл/мин, то есть 2 Гц.
4. В токе боковые полосы ищут на f ± 2sf = 50 ± 2 · 0,02 · 50 = 50 ± 2 Гц, то есть на 48 и 52 Гц.
5. В вибрации частота вращения 1470 / 60 = 24,5 Гц; боковые полосы ищут на 24,5 ± 2 Гц, то есть на 22,5 и 26,5 Гц, и так же около гармоник.

Пример показывает, почему важна точная скорость: при ошибке в скорости на 10 об/мин частота скольжения в этом примере меняется на треть, и полосы окажутся не там, где их ищут. Скорость лучше измерить тахометром, а не брать с шильдика.

С чем можно спутать

• Дефекты статора. По SKF, эксцентриситет статора, замкнутые листы и ослабленное железо статора дают высокую составляющую на удвоенной частоте сети (100 Гц при 50 Гц). Они возникают в статоре и не модулируются ни частотой вращения, ни скольжением, поэтому боковые полосы частоты прохождения полюсов могут быть, а могут и отсутствовать.
• Эксцентриситет ротора. Artesis относит статический и динамический эксцентриситет к отдельным дефектам, которые тоже видны в токе.
• Колебания нагрузки. Полосы зависят от скольжения, поэтому сравнивать замеры нужно при одинаковой нагрузке.

Диагностика по шагам

1. Загрузите двигатель до режима, близкого к рабочему, и дождитесь установившегося режима.
2. Измерьте фактическую скорость тахометром и рассчитайте скольжение и частоты признаков.
3. Снимите спектр тока (MCSA/ESA) и найдите боковые полосы f ± 2sf.
4. Подтвердите вибрацией: боковые полосы с частотой прохождения полюсов около 1× и гармоник. Для ослабленных стержней проверьте область RBPF.
5. Сравните с базой: с прошлыми замерами этого двигателя при той же нагрузке и с однотипными машинами. Пороговые уровни боковых полос задаёт методика конкретной системы диагностики; в этой статье мы их не приводим.
6. При остановке проверьте ротор анализом цепи двигателя (MCA): по Artesis, этот метод на обесточенном двигателе выявляет в том числе проблемы ротора.
7. Ведите тренд и планируйте ремонт, пока дефект не вызвал вторичных повреждений.

Как анализ тока соотносится с вибродиагностикой, разобрано в статье «ESA, MCSA и вибродиагностика». Обзор всех методов диагностики двигателя: «Диагностика электродвигателя: какие методы что показывают». Другие дефекты, которые видны в токе: «5 типичных дефектов электродвигателей».

Чем диагностировать

Портативный тестер Artesis AMT Pro анализирует трёхфазные ток и напряжение без датчиков на двигателе; среди обнаруживаемых электрических дефектов в его описании указаны дефекты ротора (обрыв стержней). Тест занимает 7 минут, поддерживаются пуск напрямую, «звезда-треугольник», плавный пуск и частотный привод. Для подтверждения вибрацией и точного замера скорости подходит SDT340: вибрационный канал 10 Гц – 10 кГц и встроенный тахометр.

KEG TRK поставляет тестеры электродвигателей Artesis и приборы SDT в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• Artesis. What is Condition Monitoring? A Technical Overview (раздел о MCSA). https://artesis.com/condition-monitoring/
• Artesis. Motor Current Signature Analysis. https://artesis.com/motor-current-signature-analysis/
• SKF. Spectrum Analysis: the key features of analyzing spectra (J. Mais), раздел 12 «Electrical problems»: Stator problems, Rotor problems. https://cdn.skfmediahub.skf.com/api/public/0901d1968024acef/pdf_preview_medium/0901d1968024acef_pdf_preview_medium.pdf
• Карточки приборов KEG TRK: Artesis AMT Pro, SDT340.