余江涛

（大庆石化公司，黑龙江大庆 163714）

0 引言

1 Empath2000原理

Empath2000系统通过采集现场电气设备三相电流、电压量，分析电机的运行情况，可监测电机的轴承、定子、转子等各种故障，可对电机进行预知维修。

Empath2000其硬件部分由传感器、A/D卡、数据调理箱。软件部分由Empath2000 V4.3分析诊断软件、A/D卡驱动程序组成。

Empath2000系统集成一个工业标准的A/D采样板，具有16通道单端输入，16位模数转换精度，每个通道程控增益，使信号在Empath2000信号分析软件能够处理。A/D板对Empath2000软件提供必要的输入，并提供额外的辅助通道用于用户特殊的数据采集，例如热像图、加速度或键相。

单相和三相感应电机是当前工业和商业机械中最广泛使用的电机，工业应用的大电机是三相50 Hz鼠笼型设计，用于驱动泵、风机、压缩机和许多种其他机器。当承受的负荷或扭矩增加时，鼠笼电机转速减缓，供电电流增加，导致功率增加。扭矩的增加或者速度的变化将改变电机的电流，因此电流可用来反映负荷扭矩或转速的变化。小的负荷波动表现为50 Hz供电电流之上的小的电流变化，而这种变化可用灵敏的仪器监测。因为不平衡、不对中、齿轮和皮带磨损、摩擦力和往复部件导致的机械振动可以引起负荷的波动，检测电流的波动可以获得有用的机械诊断信息。

2 Empath2000应用分析

2.1 电压不平衡

当电源开关故障或者电缆接触不良等故障将造成电机的三相线电压不平衡，导致定子线圈的电流不平衡，小量的电压不平衡将导致大的多的电流不平衡，引起电机温升过大。因此，电机在不平衡电压运行条件下，相同负荷的电机温升，将大于运行于相同条件下但具有平衡电压的电机。

如果电压不平衡，电机的额定功率应该被电压减免系数（VDF）相乘，以减小电机损坏的可能性。不推荐电机运行于高于5%的电压不平衡状态。当电机端子处的电压不平衡不超过1%时，一个交流多相电机应当在其额定负荷正常工作。在EMPATH报告中给出电压不平衡的计算数据。

2.2 电流不平衡

电机发生故障或者机械部分故障都将引起电机电流不平衡，一般来讲，施加到电机的电压来自电源，其受到电机的影响比电流要小的多，而电流的大小取决于电机的负荷。这就是说，电机的电流取决于电机感知的负荷，并且这个电流随负荷的变化而变化。电压可被看作无限源或独立变量，而电流作为关联变量或可变源。

3.故障排除后，笔者又特意测量了低压燃油压力，怠速时压力值在2.5～4bar之间摆动，发动机转速在2 000r/min时，则稳定在3.5bar左右。由此可见，该车故障发生时低压燃油压力偏低确实是喷油嘴泄漏引起的。

EMPATH报告中给出了电流不平衡的计算结果。电流不平衡的测量如同电压不平衡，然而对允许电流不平衡不存在任何标准，因此，EMPATH实行与电压相同的标准，即不推荐电流不平衡超过5%。电流不平衡高于3%应引起关注，如果电流不平衡超过10%则建议停机。假定电压是一致的，电流不平衡则意味着电机电路的一相或多相是不同的。长期的不平衡运行将导致电机损坏，而不论是电压、或电流或两者都有的不平衡，不平衡问题需要尽快解决。

2.3 电源分析

由于EMPATH采集三相电流和电压，可用功率计算进一步分析电机的问题。EMPATH提供所有三相的功率因数数据，谐波分析，输入、输出马力等数据。通过这些数据便于分析查看电机故障，并提供相关依据。数据可用计算按钮在屏幕上查看，或在打印的报告中查看。

2.4 轴承故障

轴承故障的电机的常见故障之一，也是最难诊断的故障，在EMPATH软件中输入相关电机的轴承参数，基于轴承的几何尺寸，有4个数字系数描述轴承如果损坏所产生的机械振动，这些系数通常是实数而不是整数，这样当它们与转速频率相乘时，产生的峰值频率不是转速的整数谐频，这是关键的诊断指示。

EMPATH使用2种方法识别轴承问题，如果已知轴承制造厂商和型号，可以发现故障系数，EMPATH将搜索高频频谱，寻找计算的谱峰频率±FL位置。如果不知道轴承制造厂商和型号，那么，EMPATH将搜索高频频谱，寻找非整数倍转频峰值。不论何种情况，如果识别了频谱峰，EMPATH将识别潜在的轴承问题，并建议进行振动分析。

2017年6月9日，本单位1#炉2#吸风机电机后侧轴承运行时间断有沙沙声，检修人员对该电机进行解体检查，后侧轴承、风扇无任何异常，电机转子也无任何摩擦迹象，利用普通的检测手段，无法断定该电机是否能正常运行，利用Empath2000对电机进行监测，检测结论如下：这台电机工作正常，无需任何行动，没有轴承故障迹象，转子笼条状态正常，定子动态和静态偏心不存在。现该电机一直运行正常，无任何异常现象。

2.5 转子故障

转子条的健康状态是一个非常重要的因素，EMPATH自动确定转子条健康指数，这个指数近似于断条数，共分0～7级共8个指数，7级为最高级。

2.5.1 传统确定方法

传统方法通过抽转子检查转子外观，费时费力，且不易发现。有时候鼠笼式电机转子断条故障即使抽转子也不易发现，断条可能发生在转子槽内。

2.5.2 EMPATH算法

EMPATH通过使用RMS解调频谱的数据，可以改进预测断条数的准确性。这个算法编入了EMPATH软件并具有专利。

EMPATH算法考虑进5个因素：①FL和PPF峰之间的dB差值；②电机负荷；③PPF在RMS解调频谱中的峰值；④是否有PPF谐波；⑤是否存在转速的PPF边带。

2017年6月20日，本单位3#炉2#送风机电机后侧有异音，经检查不属于轴承故障，抽转子检查也未发现任何异常。利用Empath2000对该电机进行检测，采集电机三相电流电压。转子条的健康状态是一个非常重要的因素，EMPATH自动确定转子条健康指数，这个指数近似于断条数；但是使用者应当理解确定的方法，从而可以验证EMPATH数据。分析结论：转子笼条状态可疑，1～2个条裂纹或断条，并且伴有高阻节点，应增加趋势监测并作振动监测，没有轴承故障迹象，有机械故障指示如不对中或不平衡；进行振动分析确定原因。根据以上分析结论得出，该电机转子存在断条的可能，外观检查未发现断条，对该电机进行加强监视，并计划更新该电机转子，机械部分可能存在不对中，已对该电机进行重新找正处理。

2.5.3 谐波分析

当输入电源中包括工频的谐波时，在电机中产生损失。这些谐波的1/3帮助电机运行，1/3转化为热量，另外1/3实际上对电机反向做功并产生热。EMPATH在报告中给出谐波分析数据。一般认为，总谐波畸变大于5%是严重的，并应当改正。

下面是利用Empath2000系统对厂用6 kVⅢA段、ⅣA段电压进行谐波检测，采集厂用6 kVⅢA段、ⅣA段PT三相电压。可以检测系统三次谐波及其他奇次谐波的大小，帮助电气人员分析故障的原因（表1）。经Empath2000分析得出结论，厂用6 kVⅣA段电压奇次谐波正常，无异常。此外，利用Empath2000系统瞬时采样功能，Empath2000能采集电机瞬时电流并存储，采集电机电流波形，对电机启动电流进行测量，帮助分析电机的启动特性。

表1 谐波畸变数据