Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Сигнатурный анализ тока двигателя (MCSA, Motor Current Signature Analysis) — метод диагностирования трёхфазных асинхронных электродвигателей по спектру линейного тока статора, выполняемый без остановки и разборки машины. Принципы и расчётные соотношения метода установлены межгосударственным стандартом ГОСТ ISO 20958-2015 «Контроль состояния и диагностика машин. Сигнатурный анализ электрических сигналов трехфазного асинхронного двигателя» (идентичен ISO 20958:2013).
В статье разобраны физический принцип MCSA, схема измерений и требования к спектральному анализу, формула боковых частот скольжения при обрыве стержней клетки ротора, диагностические признаки эксцентриситета воздушного зазора и дефектов подшипников качения, межвитковых замыканий в статоре, метод вектора Парка, а также сильные стороны и известные ограничения метода. Все расчётные соотношения и пороговые значения приведены по тексту ГОСТ ISO 20958-2015.
Подавляющее большинство промышленных электродвигателей — асинхронные машины с короткозамкнутым или фазным ротором. Анализ надёжности их элементов показывает, что в первую очередь повреждаются подшипниковые опоры, обмотка и сердечник статора, а также короткозамкнутая обмотка ротора. Многие из этих неисправностей возникают и развиваются постепенно, и существует возможность обнаружить их на ранней стадии без остановки двигателя.
В основе метода MCSA лежит то, что ток в обмотке статора несёт информацию о состоянии ротора. Ток статора зависит не только от подаваемой мощности и электрического импеданса обмотки, но включает и составляющую, наведённую магнитным полем вращающегося ротора. Любая асимметрия в роторе, нарушение геометрии воздушного зазора или дефекты подшипников модулируют это магнитное поле, и в спектре тока статора появляются характерные частотные составляющие — диагностические признаки.
Сигнатурный анализ выполняют в реальном масштабе времени, при нормальной рабочей нагрузке двигателя, по току в одном фазном проводе или во вторичной обмотке трансформатора тока.
По ГОСТ ISO 20958-2015 (п. 4.2.2) сигнатурный анализ тока статора позволяет обнаружить следующие неисправности:
Стандарт прямо отмечает, что наиболее существенными являются неисправности, связанные с подшипниками, клеткой ротора и изменением зазора между ротором и статором. Для подшипниковых дефектов эффективен также параллельный анализ вибрации опор.
MCSA — один из методов сигнатурного анализа электрических сигналов в составе общей системы контроля технического состояния машин по ГОСТ Р ИСО 17359-2015 «Контроль состояния и диагностика машин. Общее руководство». Метод реализуется как часть программы периодического обследования или непрерывного мониторинга и сочетается с другими методами — вибрационным анализом (ГОСТ Р ИСО 13373-1-2009), анализом частичного разряда, тепловизионным контролем. Терминология приводится по ГОСТ Р ИСО 13372-2013.
Измерение тока выполняют токоизмерительными клещами, охватывающими один фазный провод питания двигателя (рисунок 1 в стандарте), либо охватывающими вторичную обмотку штатного трансформатора тока на щите (рисунок 2). Второй вариант наиболее распространён в промышленной практике, поскольку не требует доступа к силовым кабелям и обеспечивает безопасность персонала. В новых методах одновременно регистрируются токи всех трёх фаз и линейные напряжения, что позволяет реализовать расширенный анализ (вектор Парка, модельный анализ).
Требования к измерительной системе для MCSA жёстче, чем для рутинного контроля тока: нужны большой динамический диапазон, высокое разрешение по частоте и низкий уровень шумового пьедестала. Это связано с тем, что диагностические составляющие лежат вблизи частоты питания (от долей герца до единиц герц) и имеют амплитуды на 40–60 дБ ниже фундаментальной (что соответствует соотношению 100–1000 по линейной шкале).
Если двигатель питается через преобразователь частоты (частотно-регулируемый привод), на время сигнатурного анализа частота и напряжение на выходе преобразователя должны оставаться неизменными. Переключения и переходные процессы силовой электроники создают в спектре тока составляющие, которые могут быть ошибочно интерпретированы как признаки неисправности двигателя (ГОСТ ISO 20958-2015, п. 4.1).
Обрыв стержня или трещина в короткозамыкающем кольце создают асимметрию токов ротора. В результате токи ротора создают магнитное поле, отстающее на частоту скольжения от частоты вращения ротора. Это поле наводит в статоре дополнительную составляющую тока на нижней боковой частоте
Нижняя боковая частота: fниз = (1 − 2s)·f1
fниз = (1 − 2s)·f1
Эта составляющая, в свою очередь, модулирует ток статора и создаёт колебания вращающего момента на частоте 2s·f1. Колебания скорости ротора приводят к появлению верхней боковой составляющей:
Верхняя боковая частота: fверх = (1 + 2s)·f1
fверх = (1 + 2s)·f1
В общем виде боковые частоты обрыва стержней (формула 2 ГОСТ ISO 20958-2015):
fsb = (1 ± 2ks)·f1, где k = 1, 2, 3, …
fsb = (1 ± 2ks)·f1
Здесь s — скольжение асинхронного двигателя; f1 — частота питающего напряжения; k — номер боковой составляющей.
Боковые частоты отстоят от частоты питания на величину 2s·f1. По ГОСТ ISO 20958-2015 это значение типично составляет от 0,3 до 3 Гц при частоте питания 50 или 60 Гц (что соответствует характерному скольжению асинхронного двигателя при номинальной нагрузке). Амплитуды боковых составляющих, как правило, в 100–1000 раз меньше амплитуды тока на частоте питания, поэтому представление спектра в логарифмической шкале (в децибелах относительно фундаментальной составляющей) обязательно.
Для оценки степени развития обрыва используют в первую очередь левую боковую частоту. Стандарт устанавливает прямой количественный признак:
Если уровень составляющей на левой боковой частоте отличается от уровня составляющей на частоте питания не более чем на 50 дБ, вероятность обрыва стержней ротора велика. Чем выше уровень боковой частоты, тем серьёзнее повреждение клетки.
Это пороговое значение и его направление трактовки нужно понимать правильно: меньшая разница в дБ означает более тяжёлое повреждение, поскольку боковая частота при дефекте «подрастает» к уровню фундаментальной. Для целей раннего обнаружения важен тренд — ход уровня боковой составляющей во времени при приблизительно одинаковых нагрузках. Рост уровня свидетельствует об увеличении числа оборванных стержней и точек разрыва.
Четырёхполюсный асинхронный двигатель, питание 50 Гц, число пар полюсов p = 2, скольжение при номинальной нагрузке s = 0,03 (3 %).
Удвоенное скольжение: 2s·f1 = 2 · 0,03 · 50 = 3 Гц.
Нижняя боковая частота: (1 − 2·0,03)·50 = 47 Гц.
Верхняя боковая частота: (1 + 2·0,03)·50 = 53 Гц.
При уровне левой боковой составляющей −45 дБ относительно фундаментальной (разница 45 дБ < 50 дБ) — высокая вероятность обрыва стержней ротора. Требуется тренд-наблюдение и сопоставление с предыдущими измерениями.
Точное знание скольжения критично: при погрешности измерения скольжения ±0,1 % боковые частоты при f1 = 50 Гц «сдвигаются» на ±0,1 Гц, и при ограниченном разрешении анализатора признак может затеряться в пьедестале. Современные устройства сигнатурного анализа определяют скольжение из самого тока (по тонкой структуре спектра), что упрощает реализацию по сравнению с прежними стробоскопическими методами и датчиками осевого магнитного потока.
Аналогичные по виду симметричные боковые полосы вокруг частоты питания могут создавать дефекты редуктора в цепи привода — например, изношенные промежуточные валы. Для разделения причин выполняют измерения при двух существенно разных нагрузках: боковые частоты, обусловленные обрывом стержней, изменяют положение пропорционально изменению скольжения, тогда как «механические» признаки от приводного оборудования — нет (ГОСТ ISO 20958-2015, п. 4.2.3).
Эксцентриситет — отклонение оси ротора от оси расточки статора. Различают статический (ось ротора смещена, но не вращается относительно статора), динамический (положение минимального зазора вращается вместе с ротором) и смешанный эксцентриситет. Любая из этих форм нарушает периодичность магнитного потока в зазоре и создаёт в токе статора характерные частотные составляющие.
Характерные частоты эксцентриситета по формуле (3) ГОСТ ISO 20958-2015:
fec = f1·[(R/p)·(1 − s) ± nd]
где R — число пазов (стержней) ротора; p — число пар полюсов; s — скольжение; nd — нечётное целое число (1, 3, 5, …); f1 — частота питания.
Правая часть состоит из двух слагаемых: частоты прохождения пазов ротора (формула 4)
frs = f1·(R/p)·(1 − s)
и субгармоники частоты вращения ротора (формула 5)
fr = f1·(1 − s)/p (это и есть механическая частота вращения ротора).
fr = f1·(1 − s)/p
Диагностическими признаками эксцентриситета являются составляющие на частоте прохождения пазов ротора frs и их боковые составляющие, отстоящие на частоту вращения ротора fr. Степень эксцентриситета оценивают по логарифмической разности между амплитудой составляющей на одной из частот прохождения пазов ротора (выбирают ту, амплитуда которой максимальна) и полусуммой амплитуд её боковых составляющих, отстоящих на fr. Чем больше эта разность, тем больше эксцентриситет воздушного зазора.
Скошенные пазы ротора, применяемые для снижения вибрации сердечника статора и акустического шума, одновременно ослабляют составляющие магнитного потока на частоте прохождения пазов. Поэтому обнаружить эксцентриситет проще всего на двигателях с нескошенными пазами ротора. Для двигателей со скошенными пазами требуется повышенное разрешение анализатора и более тщательная интерпретация.
Периодические изменения воздушного зазора в радиальном направлении (несоосность, износ подшипника скольжения, дисбаланс) вызывают колебания ротора и составляющие в токе статора на частотах
Формула (8) ГОСТ ISO 20958-2015:
fm = f1 ± m·fr, где m = 1, 2, 3, …
fm = f1 ± m·fr
fr — частота вращения ротора.
Контроль этих составляющих позволяет диагностировать несоосности валов в муфтовых соединениях, износ подшипников скольжения и дефекты приводного оборудования, в том числе те, что относятся не к самому двигателю, а к редуктору или насосу на одном валу.
Подшипниковые дефекты — статистически наиболее частая причина отказов промышленных асинхронных двигателей. Дефект внутренней или внешней дорожки качения, тела качения или сепаратора создаёт периодическое возмущение воздушного зазора при каждом контакте дефекта с другими элементами подшипника, и это возмущение модулирует магнитный поток в зазоре и проявляется в спектре тока статора на характерных частотах.
В таблице 1 ГОСТ ISO 20958-2015 приведены формулы расчёта характерных частот для шарикового подшипника с известными размерами и числом тел качения:
fb = (D / 2d)·fr·[1 − ((d/D)·cos β)2]
fo = (n / 2)·fr·[1 − (d/D)·cos β]
fi = (n / 2)·fr·[1 + (d/D)·cos β]
Обозначения: fr — частота вращения ротора; n — число шариков в подшипнике; β — угол контакта; D — диаметр окружности центров шариков (pitch diameter); d — диаметр шарика.
Если число шариков находится в диапазоне от 6 до 19, в стандарте (формула 7) даны упрощённые соотношения для частот дефектов дорожек качения, не требующие знания диаметров шариков и окружности их центров. Эти соотношения применимы также для роликовых подшипников с числом роликов от 12 до 18.
По ГОСТ ISO 20958-2015 (п. 4.2.6) характерные частоты подшипниковых дефектов, рассчитанные по таблице 1, проявляются в спектре тока статора как диагностические признаки. Физический механизм — модуляция магнитного потока в воздушном зазоре при контакте дефекта с другими элементами подшипника; в практике MCSA эти признаки часто наблюдают как боковые составляющие около частоты питания, отстоящие на величину характерной частоты подшипника.
Контроль гармоник, связанных с характерными частотами подшипника, и наблюдение их тренда позволяют выявить старение подшипника на ранней стадии. Современные программные средства MCSA содержат библиотеки характеристик подшипников типовых типоразмеров и автоматически рассчитывают характерные частоты после ввода модели подшипника.
Для подшипниковых дефектов анализ вибрации опор зачастую более чувствителен, чем MCSA, особенно на ранних стадиях. Рекомендуется использовать оба метода параллельно. MCSA даёт уникальное преимущество в случаях, когда установка вибропреобразователя затруднена (взрывоопасная зона, кожух, удалённый монтаж).
Межвитковое замыкание — повреждение изоляции между соседними витками одной катушки или между катушками одной фазы. На ранней стадии оно не приводит к остановке двигателя, но создаёт дополнительные потери и локальный перегрев, что ускоряет деградацию изоляции и в перспективе ведёт к пробою на корпус или короткому замыканию между фазами.
Характерные частоты межвитковых замыканий в обмотке статора низковольтного двигателя (формула 6 ГОСТ ISO 20958-2015):
fst = f1·[n·(1 − s)/p ± k]
где n — нечётное целое число (1, 3, 5, …); k — нечётное целое число (1, 3, 5, …); p — число пар полюсов; s — скольжение.
Применение метода для низковольтных машин эффективно при условии достаточного разрешения анализатора и контроля стабильности нагрузки. Для высоковольтных двигателей (3,3 кВ и выше) более чувствительным методом обнаружения дефектов изоляции является анализ частичных разрядов в обмотке статора (раздел 4.5 ГОСТ ISO 20958-2015), который позволяет выявлять зарождающиеся пробои на стадии воздушных полостей в межвитковой изоляции.
Вектор Парка — математический инструмент, позволяющий описывать три фазные переменные двумя ортогональными составляющими (id, iq). В приложении А ГОСТ ISO 20958-2015 приведены формулы (А.1)–(А.5) преобразования трёхфазных токов в координаты Парка. Метод применяется для обнаружения несимметрии напряжения питания, эксцентриситета воздушного зазора, межвитковых замыканий в обмотке статора, несоосности механических соединений, обрыва в обмотке фазного ротора и дефектов клетки ротора.
В идеальных условиях симметричных токов годограф вектора Парка — окружность с центром в начале координат. При неисправностях форма годографа меняется характерным образом:
В расширенном методе выполняется спектральный анализ переменной составляющей модуля вектора Парка
Формула (А.5) ГОСТ ISO 20958-2015:
M = √(id2 + iq2)
Постоянная составляющая M, определяемая в основном составляющей основной частоты, для диагностирования неинформативна и удаляется при анализе.
Расширенный метод вектора Парка имеет два важных преимущества перед классическим спектральным анализом тока одной фазы:
В частности, обрывы в клетке ротора при расширенном анализе вектора Парка проявляются как появление в спектре M составляющей на удвоенной частоте скольжения (2s·f1), а эксцентриситет или несоосность нагрузки — по составляющим вблизи частоты вращения ротора. Метод применим как для двигателей с прямым питанием от сети, так и для двигателей с питанием через инвертор.
Сигнатурный анализ тока занял своё место в арсенале технической диагностики асинхронных машин по ряду практических причин:
Важно понимать, что MCSA — не заменитель вибрационного анализа, а его дополнение. Каждый метод сильнее в своей области: вибрация — на подшипниках и механических дисбалансах; MCSA — на дефектах ротора, зазоре и электрической части. На практике их применяют совместно в рамках программы технического обследования по ГОСТ Р ИСО 17359-2015.
Стандарт ГОСТ ISO 20958-2015 прямо отмечает, что в прежние годы применение метода сопровождалось достаточно частыми случаями ложной тревоги (указания на неисправности ротора, которых в действительности не было) и, в меньшей степени, пропуска неисправного состояния. С развитием теории, программного обеспечения и средств измерений достоверность результатов значительно повысилась, но ряд принципиальных ограничений сохраняется.
Метод MCSA даёт качественные и количественные диагностические признаки, но окончательный диагноз и решение о выводе двигателя в ремонт принимают по совокупности данных нескольких методов диагностики и с учётом истории эксплуатации машины. Принципы интерпретации данных и принятия решений установлены ГОСТ Р ИСО 13379-1.
Сигнатурный анализ тока (MCSA, Motor Current Signature Analysis) — метод диагностики трёхфазных асинхронных двигателей по спектру линейного тока статора. Регистрируют ток в одном фазном проводе или во вторичной обмотке трансформатора тока, выполняют спектральный анализ и выделяют характерные частотные составляющие, появление которых указывает на конкретные неисправности — обрыв стержней ротора, эксцентриситет воздушного зазора, дефекты подшипников, межвитковые замыкания в статоре. Метод применяют без остановки двигателя, при нормальной рабочей нагрузке. Принципы и расчётные соотношения установлены ГОСТ ISO 20958-2015.
По п. 4.2.2 ГОСТ ISO 20958-2015 — трещины и обрывы стержней ротора, дефекты литья ротора, трещины в короткозамыкающих кольцах, повышенный эксцентриситет воздушного зазора, повреждения подшипников качения, межвитковые замыкания в обмотке статора, неисправности приводного оборудования. Наиболее существенные — клетка ротора, эксцентриситет зазора и подшипники.
При обрыве стержня клетки токи ротора становятся несимметричными и создают магнитное поле, отстающее на частоту скольжения от частоты вращения ротора. Это поле наводит в обмотке статора дополнительную составляющую тока с частотой (1 − 2s)·f1 — нижнюю боковую частоту. Модуляция тока статора этой составляющей создаёт верхнюю боковую частоту (1 + 2s)·f1. В общем виде по формуле (2) ГОСТ ISO 20958-2015: fsb = (1 ± 2ks)·f1, где k = 1, 2, 3, …, а 2s·f1 — удвоенная частота скольжения.
По ГОСТ ISO 20958-2015 (п. 4.2.3), если уровень составляющей на левой боковой частоте отличается от уровня составляющей на частоте питания не более чем на 50 дБ, вероятность обрыва стержней ротора велика. Чем меньше эта разница, тем серьёзнее повреждение. Однократного замера для постановки диагноза недостаточно — важен тренд: рост уровня боковой частоты во времени при приблизительно одинаковых нагрузках свидетельствует об увеличении числа оборванных стержней.
Диагностические признаки — составляющие на частоте прохождения пазов ротора frs = f1·(R/p)·(1 − s) и их боковые составляющие, отстоящие на частоту вращения ротора fr = f1·(1 − s)/p, где R — число пазов ротора, p — число пар полюсов, s — скольжение. Степень эксцентриситета оценивают по логарифмической разности между амплитудой составляющей на частоте прохождения пазов и полусуммой амплитуд её боковых составляющих: чем больше разность, тем больше эксцентриситет.
Да. По таблице 1 ГОСТ ISO 20958-2015 характерные частоты дефектов подшипника качения зависят от размеров подшипника, числа тел качения, угла контакта и частоты вращения ротора. Эти частоты модулируют ток статора и проявляются в спектре в виде боковых составляющих относительно частоты питания. Для подшипников с числом шариков 6–19 (или роликов 12–18) стандарт даёт упрощённые соотношения. Анализ вибрации опор обычно более чувствителен на ранних стадиях, поэтому два метода целесообразно применять совместно.
По ГОСТ ISO 20958-2015 — на одном фазном проводе питания двигателя (рисунок 1 стандарта) или на вторичной обмотке трансформатора тока (рисунок 2). Второй вариант предпочтительнее в промышленной практике, поскольку не требует доступа к силовым кабелям, выполняется в пределах щита управления и обеспечивает безопасность персонала. Точка измерения может быть удалена от двигателя на десятки метров.
Можно, но с оговорками. По ГОСТ ISO 20958-2015 (п. 4.1) во время проведения сигнатурного анализа частота и напряжение на выходе преобразователя должны оставаться неизменными — иначе переключения силовой электроники создают в спектре составляющие, которые могут быть ошибочно истолкованы как признаки неисправности самого двигателя. Расширенный метод вектора Парка работает с инверторным питанием эффективнее, чем классический MCSA, поскольку использует информацию о соотношении тока и напряжения.
Главные преимущества: измерение без остановки двигателя и без доступа к самой машине, безопасность установки датчика на вторичной обмотке трансформатора тока, возможность удалённой точки измерения, широкая номенклатура обнаруживаемых дефектов (клетка ротора, эксцентриситет, подшипники, обмотка статора, привод), применимость для непрерывного мониторинга с автоматической регистрацией трендов. Метод не заменяет вибрационный анализ, а дополняет его — каждый метод сильнее в своей области.
Основные ограничения: низкая нагрузка двигателя (боковые частоты прижимаются к фундаментальной и теряются в шумовом пьедестале); двигатели малой мощности и с большим числом полюсов (снижается точность определения скольжения); пульсирующая нагрузка приводимого оборудования (маскирует диагностические признаки); скошенные пазы ротора (ослабляют признаки эксцентриситета); крупные 2- и 4-полюсные двигатели с обрывом стержней под бандажным кольцом (могут не выявляться); симметричные дефекты редуктора в приводе (создают боковые полосы, похожие на признаки обрыва стержней — для разделения нужны измерения при двух разных нагрузках).
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.