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電機為什么會振動?我國又為什么要選用50Hz的交流電?

來源:泵業之家 作者:不詳 日期:2019/7/23 訪問:

    通常,8極以上大極數電機不會因為電機制造質量問題引起振動。振動常見于2——6極電機,GB10068-2000。

    《旋轉電機振動限值及測試方法》規定了在剛性基礎上不同中心高電機的振動限值、測量方法及剛性基礎的判定標準,依據此標準可以判斷電機是否符合標準。

    電動機振動的危害

    電動機產生振動,會使繞組絕緣和軸承壽命縮短,影響滑動軸承的正常潤滑,振動力促使絕緣縫隙擴大,使外界粉塵和水分入侵其中,造成絕緣電阻降低和泄露電流增大,甚至形成絕緣擊穿等事故。

    另外,電動機產生振動,又容易使冷卻器水管振裂,焊接點振開,同時會造成負載機械的損傷,降低工件精度,會造成所有遭到振動的機械部分的疲勞,會使地腳螺絲松動或斷掉。

    電動機振動又會造成碳刷和滑環的異常磨損,甚至會出現嚴重刷火而燒毀集電環絕緣,電動機將產生很大噪音,這種情況一般在直流電機中也時有發生。

    振動原因

    主要有三種情況:

    電磁方面原因;機械方面原因;機電混合方面原因。

    一、電磁方面的原因

    1、電源方面:三相電壓不平衡,三相電動機缺相運行。

    2、定子方面:定子鐵心變橢圓、偏心、松動;定子繞組發生斷線、接地擊穿、匝間短路、接線錯誤,定子三相電流不平衡。

    典型案例:

    鍋爐房密封風機電機檢修前發現定子鐵心有紅色粉末,懷疑定子鐵心有松動現象,但不屬于標準大修范圍內的項目,所以未處理,大修后試轉時電機發生刺耳的尖叫聲,更換一臺定子后故障排除。

    3、轉子故障:轉子鐵心變橢圓、偏心、松動。轉子籠條與端環開焊,轉子籠條斷裂,繞線錯誤,電刷接觸不良等。

    典型案例:

    軌枕工段無齒鋸電機運行中發現電機定子電流來回擺動,電機振動逐漸增大,根據現象判斷電機轉子籠條有開焊和斷裂的可能,電機解體后發現,轉子籠條有7處斷裂,嚴重的2根兩側與端環已全部斷裂,如發現不及時就有可能造成定子燒損的惡劣事故發生。

    二、機械原因

    1、電機本身方面

    轉子不平衡,轉軸彎曲,滑環變形,定、轉子氣隙不均,定、轉子磁力中心不一致,軸承故障,基礎安裝不良,機械機構強度不夠、共振,地腳螺絲松動,電機風扇損壞。

    典型案例:

    廠凝結水泵電機更換完上軸承后,電機晃動增大,并且轉、定子有輕微掃膛跡象,仔細檢查后發現,電機轉子提起高度不對,轉、定子磁力中心未對上,重新調整推力頭螺絲備帽后,電機振動故障消除。

    跨線吊圈揚電機檢修后振動一直偏大,并且有逐步增大的跡象,在電機落勾的時候發現電機振動仍然很大,并且軸向有很大的串動,解體發現,轉子鐵心松動,轉子平衡也有問題,更換備用轉子后故障消除,原有轉子返廠修理。

    2、與聯軸器配合方面

    聯軸器損壞,聯軸器連接不良,聯軸器找中心不準,負載機械不平衡,系統共振等。聯動部分軸系不對中,中心線不重合,定心不正確。這種故障產生的原因主要是安裝過程中,對中不良、安裝不當造成的。

    還有一種情況,就是有的聯動部分中心線在冷態時是重合一致的,但運行一段時間后由于轉子支點,基礎等變形,中心線又被破壞,因而產生振動。

    典型案例:

    a、循環水泵電機,運行中振動一直偏大,電機檢查無任何問題,空載也一切正常,水泵班認為電機運轉正常,最終檢查出電機找正中心差太多,水泵班從新進行找正后,電機振動消除。

    b、鍋爐房引風機在更換皮帶輪后,電機試運行時產生振動同時電機三相電流增大,檢查所有電路和電器元件沒有問題最后發現皮帶輪不合格,更換后電機振動消除,同時電機的三相電流也恢復正常。

    三、電機混合原因

    1、電機振動往往是氣隙不勻,引起單邊電磁拉力,而單邊電磁拉力又使氣隙進一步增大,這種機電混合作用表現為電機振動。

    2、電機軸向串動,由于轉子本身重力或安裝水平以及磁力中心不對,引起的電磁拉力,造成電機軸向串動,引起電機振動加大,嚴重情況下發生軸磨瓦根,使軸瓦溫度迅速升高。與電機相聯的齒輪、聯軸器有毛病。這種故障主要表現為齒輪咬合不良,輪齒磨損嚴重,對輪潤滑不良,聯軸器歪斜、錯位,齒式聯軸器齒形、齒距不對、間隙過大或磨損嚴重,都會造成一定的振動。

    電機本身結構的缺陷和安裝的問題。這種故障主要表現為軸頸橢圓,轉軸彎曲,軸與軸瓦間間隙過大或過小,軸承座、基礎板、地基的某部分乃至整個電機安裝基礎的剛度不夠,電機與基礎板之間固定不牢,底腳螺栓松動,軸承座與基礎板之間松動等。而軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動還可使軸瓦的潤滑和溫度產生異常。

    3、電機拖動的負載傳導振動

    典型案例:

    汽輪發電機的汽輪機振動,電機拖動的風機、水泵振動,引起電機振動。

    如何查找振動原因

    1、電動機未停機之前,用測振表檢查各部振動情況,對于振動較大的部位按垂直水平軸向三個方向詳細測試振動數值,如果是地腳螺絲松動或軸承端蓋螺絲松動,則可直接緊固,緊固后再測其振動大小,觀察是否有消除或減輕,其次要檢查電源三相電壓是否平衡,三相熔絲是否有燒斷現象,電動機的單相運行不僅可以引起振動,還會使電機的溫度迅速上升,觀察電流表指針是否來回擺動,轉子斷條時就出現電流擺動現象,最后檢查電機三相電流是否平衡,發現問題及時與運行人員聯系停止電機運行,以免將電機燒損。

    2、如果對表面現象處理后,電機振動未解決,則繼續斷開電源,解開聯軸器,使電機與之相連的負載機械分離,單轉電機。

    如果電機本身不振動,則說明振源是聯軸器沒找正或負載機械引起的,如果電機振動,則說明電機本身有問題,另外還可以采取斷電法來區分是電氣原因,還是機械原因,當停電瞬間,電動機馬上不振動或振動減輕,則說明是電氣原因,否則是機械故障。

    針對故障原因進行檢修

    1、電氣原因的檢修:

    首先是測定定子三相直流電阻是否平衡,如不平衡,則說明定子連線焊接部位有開焊現象,斷開繞組分相進行查找,另外繞組是否存在匝間短路現象,如故障明顯可以從絕緣表面看到燒焦痕跡,或用儀器測量定子繞組,確認匝間短路后,將電機繞組重新下線。

    典型案例:

    水泵電機,運行中電機不僅振動大軸承溫度也偏高小修試驗發現電機直流電阻不合格,電機定子繞組有開焊現象,用排除法將故障找到消除后,電機運行一切正常。

    2、機械原因的檢修:

    檢查氣隙是否均勻,如果測量值超標,重新調整氣隙。檢查軸承,測量軸承間隙,如不合格更換新軸承,檢查鐵心變形和松動情況,松動的鐵心可用環氧樹脂膠粘接灌實,檢查轉軸,對彎曲的轉軸進行補焊重新加工或直接直軸,然后對轉子做平衡試驗

    3、負載機械部分的檢修:

    如果電機本身也沒有問題,那么引起故障的原因是連接部分造成的,這時要檢查電機的基礎水平面,傾斜度、強度,中心找正是否正確,聯軸器是否損壞,電機軸伸繞度是否符合要求等。

    處理電機振動的步驟

    1、把電機和負載脫開,空試電機,檢測振動值。

    2、檢查電機底腳振動值,依據國標GB10068-2006,底腳板處的振動值不得大于軸承相應位置的25%,如超過此數值說明電機基礎不是剛性基礎。

    3、如四個底腳只有一個或對角兩個振動超標,松開地腳螺栓,振動就會合格,說明該底腳下墊得不實,地腳螺栓緊固后引起機座變形產生振動,把底腳墊實,重新找正對中,擰緊地腳螺栓。

    4、把基礎上四個地腳螺栓全緊固,電機的振動值仍然超標,這時檢查軸伸上裝的聯軸器是否和軸肩靠平了,如不平,軸伸上多余的鍵產生的激振力會引起電機水平振動超標。

    這種情況振動值超得不會太多,往往和主機對接后振動值能下降,應說服用戶使用,二極電機在出廠試驗時根據GB10068--2006在軸伸鍵槽內裝在半鍵。多余的鍵就不會額外增加激振力。如需處理,只需把多余的鍵截去多出長度的一般即可。

    5、如電機空試振動不超標,帶上負載振動超標,有兩種原因:一種是找正偏差較大;

    另一種是主機的旋轉部件(轉子)的殘余不平衡量和電機轉子的殘余不平衡量所處相位重疊,對接后整個軸系在同一位置的殘余不平衡量大,所產生的激振動力大引起振動。這時,可以把聯軸器脫開,把兩個聯軸器中的任一個旋轉180℃,再對接試機,振動會下降。

    6、振動振速(烈度)不超標,振動加速度超標,只能更換軸承。

    7、二極大功率電機的轉子由于剛性差,長時間不用轉子會變形,再轉時可能會振動,這是電機保管不善的原因,正常情況下,二極電機儲存期間。每隔15天要對電機盤車,每次盤車至少轉動8圈以上。

    8、滑動軸承的電機振動和軸瓦的裝配質量有關,應檢查軸瓦是否有高點,軸瓦的進油是否夠、軸瓦緊力、軸瓦間隙、磁力中心線是否合適。

    9、一般情況下,電機振動的原因,可以從三個方向的振動值大小做簡單的判斷,水平振動大,轉子不平衡;垂直振動大,安裝基礎不平不好;軸向振動大,軸承裝配質量差。

    這只是簡單判斷,要根據現場情況,結合以上所述的因素綜合考慮,查找振動的真實原因。

    10、Y系列箱式電機的振動應特別注意軸向振動,如軸向振動大于徑向振動,對電機軸承的危害極大,會引起抱軸事故。

    要注意觀察軸承溫度,如定位軸承比非定位軸承升溫速度快,應立即停機。這是因為機座的軸向剛度不夠引起的軸向振動,應加固機座。

    11、轉子經動平衡后,轉子的殘余不平衡量已經固化在轉子上,不會改變,電機本身的振動也不會隨著地點、工況的變化而變化,在用戶現場是能處理好振動問題的。

    一般情況下,檢修電機不需要對電機再做動平衡校驗,除了極特別的情況,如柔性基礎、轉子變形等,須做現場動平衡或返廠處理。

    電動機振動是電動機的運行現狀之一,那么,你們知道電動機等電器設備使用的為什么是50Hz的交流電,而不是60Hz呢?

    世界上有些國家,例如英美用的是60Hz的交流電,因為采用的是十二進制,什么12星座、12小時、12先令等于1英鎊等等。后來的國家都采用十進制了,所以頻率是50Hz。

    那么,我們為什么要選用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?

    如果頻率低了會怎么樣?

    頻率最低就是0,也就是直流。當年愛迪生為了證明特斯拉的交流電有危險,用交流電電死了一票小動物,如果大象也算小動物的話…客觀上說,同樣的電流大小下,人體耐受直流電的時間是要長于耐受交流電的時間,跟心室震顫什么的有關系,也就是交流電更危險。

    可愛迪生最后也還是輸給了特斯拉,交流電憑借方便改變電壓等級的優勢戰勝了直流電。在輸送功率相同的情況下,提高電壓,送電電流會減小,消耗在線路上的能量也會隨之降低。

    而直流送電另一個問題是難以開斷,直到現在這個問題依舊是個困擾。直流輸電的問題同平時拔電器插銷時會出現電火花一樣,當電流大到一定程度時,這個電火花是無法熄滅的,我們稱之為“電弧”。

    對于交流電而言,電流會改變方向,因而有電流過零的時刻,利用這個小電流時間點,我們可以通過滅弧裝置切斷線路電流。但直流電流方向不會改變,沒有這個過零點,我們想要滅弧就很難了。

    低頻交流電有什么問題?

    一、變壓器效率的問題

    變壓器是靠原邊的磁場變化,感應到副邊升壓或降壓的。磁場變化的頻率越慢,感應是越弱的,極端情況就是直流,根本沒有感應,所以頻率太低了不行。

    二、用電設備功率問題

    舉個例子來說,汽車發動機的轉速就是他的頻率,比如怠速時500轉/分鐘,加速換擋時是3000轉/分鐘,換算成頻率分別是8.3Hz和50Hz。這就看出來了,轉速越高,發動機的功率越大。

    同樣道理,在相同頻率下,發動機越大,輸出功率越大,這也是為什么柴油機個頭都比汽油大的原因,個兒大勁兒大的柴油機才能帶動公交卡車等重型汽車。

    同理,電動機(或者說一切轉動機械)既要求個頭小,要求輸出功率大,只有一個辦法——提高轉速,這也就是為什么交流電頻率不能太低的原因,因為我們需要個頭小但功率大的電動機。

    變頻空調也是同樣的道理,通過變換交流電的頻率,來控制空調壓縮機的輸出功率?傊,功率與頻率在一定范圍內正相關。

    再說說頻率大了會怎么樣?比如定在400Hz怎么樣?

    兩個問題,一是線路和設備的損耗增加,二是發電機轉速過快。

    先來講損耗,輸電線路、變電設備、用電設備,都是有電抗的,電抗與頻率成正比,頻率越高,電抗越大,消耗的無功就越大,能傳遞的有功功率就越少。

    目前50Hz輸電線路的電抗約0.4歐姆,約是電阻的10倍,如果提高到400Hz,那電抗將是3.2歐姆,約是電阻的80倍。對于高壓輸電線路,降低電抗是提高輸電功率的關鍵。

    與電抗相對應的還有容抗,容抗和頻率成反比,頻率越高,容抗越小,線路的泄漏電流越大。如果頻率高了,則線路的泄漏電流也會增加。

    另一個問題是發電機的轉速,F在的發電機組基本是單級機,也就是一對磁極。為了發出50Hz的電,轉子每分鐘轉速要達到3000轉。汽車發動機轉速達到3000轉時,就能明顯感覺引擎在振動作響了,轉到六七千轉時,你就會覺得發動機快跳出引擎蓋了。

    汽車發動機尚且如此,更何況是一個重達百噸的實心鐵疙瘩轉子與汽輪機,這也是發電廠的噪音很大的原因。一個重達百噸的鋼轉子每分鐘轉3000轉談何容易,如果頻率再高三四倍,估計發電機能飛出廠房了。

    如此重的轉子具有相當大的慣性,這也是電力系統被稱為慣性系統,能保持安全穩定運行的前提。同樣也是為什么風電和太陽能這種間歇性電源對傳統電源提出挑戰的原因。

    因為風光變化很快,幾十噸重的轉子由于巨大的慣性,要減少出力或增加出力的速度很慢(爬坡率的概念),跟不上風電和光伏發電的變化,所以有時不得不棄風和棄光。

    綜上所述

    頻率不能太低的原因:變壓器能效率高,電動機可以個頭小功率大。

    頻率不能太高的原因:線路和設備可以損耗小,發電機轉速不必過高。

    因此根據經驗和習慣,我們的電能就被定在在50或60Hz。

    看了以上內容,一位freesteve粉絲評論說:

    美英采用英制,12進制導致其采用60hz方便計數,歐洲特別是德法引領的工業標準采用公制,德國機器世界出口,德國DIN標準幾乎成了世界各國標準,連一些英聯邦國家也是能采用公制計量盡量采用公制,如新加坡,澳洲,馬來西亞,或者兩者混用如印度。中國內地習慣上采用市斤算是半公斤,而新疆歷史原因受內地影響小,受東西歐影響大,計量采用公斤。

    中國上世紀工業化開始期引進德國設備多,除了可靠,還因為后起之秀的德國貨開拓市場,比老牌英法產品便宜,所以50hz 220V交流電成了中國標準,退到臺灣的政府不得不面對日拒50年局面,再加上獲得大力美援設備也是110V,60hz,所以不得不又變更標準。飛機發電機是400HZ,除高頻率功率密度大外,主要原因是早期飛機發電機驅動源來自主發動機,如果把上萬轉發動機主軸降低到3000轉,也就是50hz,減速機將非常笨重,因此400赫茲交流發電機有非常重要的重量優勢,再后來形成了標準,再改已然非常難;汽油車12V電源,如果改成36V,將節約大量金屬導線成本,但是已經標準百年,沒有辦法啦!

 
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