单绕组变极大型立式异步电动机振动故障分析及处理方法

单绕组变极大型立式异步电动机振动故障分析及处理方法

王虎黄鹏程

（中车株洲电机有限公司湖南株洲412001）

摘要：单绕组变极大型立式异步电动机广泛应用于大中型泵站及火力发电厂循环水泵，而在使用中电机振动是较容易碰到的问题，所以认真分析振动原因，提高设计、生产和制造、检修质量是充分发挥电动机效益的重要保证。本文结合某电厂单绕组变极大型立式异步电动机应用中振动问题解决实例,给出解决和处理过程,以供相关工程技术人员参考。

关键词：单绕组变极大型立式异步电动机；振动分析；处理方法

单绕组变极大型立式异步电动机广泛应用于大中型泵站及火力发电厂循环水泵。其相对于变频电动机，既能保证节约电能的经济效益且因其不需要配套变频器，所以也大大缩减了设备的直接成本及设备维护成本上。但是由于机组结构、电磁因素、安装质量、运行工况等多方面原因所引起的振动严重影响到它所拖动的水泵机组的工作质量和寿命。因此研究单绕组变极大型立式异步电动机的振动对于水泵机组的安全、平稳运行有着十分重要的意义。

1、机组振动原因分析及危害分析

引起单绕组变极大型立式异步电动机振动的原因很多，振源也较复杂，单绕组变极大型立式异步电动机振动的原因主要有：

1.1、电气原因引起的振动：因负荷不平衡、磁通量不平、电源高次谐波、倍频振动、转差率等因素。

1.2、机械原因引起的振动：因转子不平衡、接触不良、内部摩擦、轴承原因及基础因素等。

1.3、液体原因引起的振动：因液体脉动、汽蚀、水泵叶片数、叶片形状不一致、液体流道干扰等因素。

这3种因素往往交叉存在，相互作用。运行中的水泵机组当振动超过其允许幅值时，其危害性表现在以下几方面：

1)使电机轴承磨损，寿命降低；

2)使电机端部绑线松动相互摩擦，造成绝缘电阻降低，绝缘寿命缩短严重时造成绝缘击穿。

3)机组联轴器不能正常工作，严重时将导致机组密封系统的破坏；

4)连接部件松弛，应力增大；

5)可能危及泵组的基础部分；

6)增加泵房内附加噪音；

7)振动加剧也是泵机组发生其他事故的前兆，并诱发其他事故的发生。

实践中几种较为常见的单绕组变极大型立式异步电动机振动原因分析：

1)磁场不平衡引起振动。在水泵运行中，当电动机突然一相绕组发生短路时，即电动机各相电源磁场不平衡时，定子受到变化的磁场力的作用而振动，此时电动机虽仍在转动，但其他两相电流增大，电动机发出嗡嗡声，其振动频率为转速乘以极数，如果这种振动与定子机架固有频率相同，则会产生强烈的振动。另外，由于电源电压不稳，转子在定子内的偏心和气隙不均匀等原因都会发生由于磁场不平衡而引起的振动。

2)定、转子之间的气隙不均匀引起振动。

气隙中所产生的电磁力F(N)为

(1)

式中：ε为某极下的位移(cm)；δ为定、转子之间的平均间隙(cm)；ψ为位移与左右相邻中心线的夹角。电动机正常运行时，转子的转动轴线与定子磁力中心轴线重合，作用在转子上的电磁力均匀对称分布。如果转子与定子问的气隙不均匀，磁极经过最小气隙时单向磁力最大，经过最大气隙时的单向磁力最小，这种电磁力频率为2倍工频，从而引起振动。

3)定子铁心组装结合处松弛。由于定子铁心组装不均匀而形成磁路中磁阻大小不一，如某大型泵站所安装的电动机，其定子铁心采用分瓣现场组装，可能出现这种情况。若接缝不好，好似沿定子铁心周围存在气隙，造成磁通不均匀，使电机振幅增大。

4)转子中心位置偏移。由于转子中心位置发生偏移，同样是电动机磁力不平衡的原因之一。设在最小气隙方向作用于转子的电磁拉力为F0(N)，其数值可按下式决定

(2)

式中：p为磁极对数，其余物理量意义如上，由于转子中心,位置偏移对于凸极转子,有时成为个别部件损坏的根源。

5)电机定子铁心失圆定子的磁场中心与机械中心不一致。转子动平衡不良，由于质心偏移回转中心引起的力与力矩的不平衡量引起的振动。

3、单绕组变极大型立式异步电动振动问题分析处理实例

某大型火力发电厂扩容后循环水系统节能改造，2个机组原采用4台YKSL2600-16/18506kV电机，改造后配套4台单绕组变极大型立式异步电动，型号为YKSLD2600-18(2200-20)/21506kV，额定功率2600/2200kW，额定电压6kV，额定转速231/298rpm，水冷全封闭结构，电动机上轴承采用推力滑动轴承、下端为滚动轴承，电机需承受最大22T垂直向下水泵推力。在电厂1号机组2台单绕组变极大型立式异步电动现场安装后调试运行，2台电机上端推力滑动轴承径向振动值始终偏大，且振动不稳定，振动幅值在0.012mm-0.13mm波动。

电机因体积过大，电机解体成几大部件再打包运输至电厂现场安装，考虑电机上端采用推力滑动轴承，可能电动机在现场安装时，气隙没有调节均匀，从而引起电机振动。于是重新测量电机气隙并较匀后再起动电机试运行，电机振动现象依旧。

电机在我司出厂试验时，空载振动良好。现场检查电机各部件也不存在运输过程中的损坏。考虑电厂该项目为扩容改造项目，电机带负载试运行时，负载较扩容前增大，电机需承受的轴向推力也加大，扩容改造时是利用旧底座且基础未变动，结合电动机振动或东西或南北方向偏大，且不稳定的现象，初步怀疑底座刚度不够或超出电机基础载荷承受范围。于是对电机及其基础作三维建模通过仿真分析计算的对电机振动原因进行仔细的查找。

3.2、建模分析计算过程及结果

首先，对电机整体单独建模分析计算后，电机结构强度满足要求，且其一阶模态频率无高于转子最高频率，排除共振的可能。

其次，对电机及其基础作三维建模通过仿真分析计算，根据现场数据和仿真计算结果分析对比，电机安装在基础上后，空载和负载后冷却器测振动大的原因主要是电动机安装在基础上，整体固有频率在冷却器侧的固有频率在10Hz，接线盒侧的固有频率在8Hz。由于电机自身转动，以及与水泵连接不可避免产生一定的机械振动的2倍频率，在300rpm时，为10Hz，在330rpm为11Hz，与冷却器侧的机组共振频率接近。为了减少2倍频产生的的振幅，需要避免出现共振的情况。所以电机在冷却器侧的振动较大。

现有解决方案的要达到的目标是将冷却器侧的固有频率增加到20%以上，接线盒侧的固有频率不能超过5%。这样可以使冷却器方向的共振消除。接线盒方向不产生新的共振。

拟在电机和底座之间增加支撑板，利用原有地板，在机座侧面和底板侧面焊接连接块。重新建模分析计算，排除了地面以下基础部分的影响，增加支撑柱后可以大幅度提高机组在水平方向的结构刚度，刚度提高后，可以抑制机组在水平方向的振幅。

改进前(原始结构)改进后(增加支撑柱)

改进前(原始结构)分析改进后(增加支撑柱)分析

改进前后电机固有频率分析结果对比

于是在该电机电厂安装现场按分析计算模型增加基础支撑筋板，重新调试运行，上端振动速度1.1mm/s，振动幅值0.009mm，振动稳定无波动。

2号机组的另2台单绕组变极大型立式异步电动机直接采用增加支撑柱的改进方案，电机试运行振动合格。

目前该4台单绕组变极大型立式异步电动机在该电厂已运行两年，振动良好。

结束语：综上所述，引起单绕组变极大型立式异步电动机机组振动的因素很多，因此，在发现问题时可参照上述振动原因判别及处理方法，根据实际情况加以判断分析和处理，找出问题的症结所在。

参考文献:

[1]中车株洲电机有限公司.中大型感应电动机使用维护说明书.2017；

[2]杜文学.电气设备运行及事故处理[M].北京.化学工业出版杜.2006；

[3]邵群涛.电机及拖动基础[M].北京.机械工业出版社.2006；

[4]范琳.三相交流异步电动机振动剖析[J].电力安全技术.2003，(5):50；

[5]匡正.大型立式异步电动机振支分析及处理方法[J].运行与维修.2013(1):45-49;

[6]段芮、刘君.三相异步电动机振动原因及处理方法浅析[J].上海电力学院学报.2007。23(1):4-7；

[7]时晓旭，时均坡.异步电动机振动分析与减振措施[J].煤矿机械.2006，(3):27。