Applikationer til analyse af motorstrømssignatur (MCSA)

Motordiagnoseteknologier er blevet endnu mere udbredte op gennem 1990’erne og ind i det nye århundrede. Teknologierne omfatter både motorkredsløbsanalyse (MCA) og motorstrømsignaturanalyse (MCSA), der anvendes på både strømførende og strømløse elektriske motorsystemer. Anvendelsesmulighederne ser ud til at være næsten uendelige.

Systemerne i denne artikel er ALLTEST IV PRO 2000 motorkredsløbsanalysator, ALL-TEST PRO OL motorstrømsignaturanalysator, EMCAT motorstyringssoftware, Power System Manager-software og ATPOL MCSA-software. ALL-TEST PRO MD-sættet omfatter integration af alle disse systemer foruden det amerikanske energiministeriums MotorMaster Plus-software. Formålet med denne artikel er at fremhæve MCSA-anvendelsen af ALL-TEST PRO MD-systemet, som opretholder følgende:

• MCA-målinger af modstand, impedans, induktans, fasevinkel, strøm/frekvensrespons og test af isolation til jord (MegOhm).
• MCSA-funktioner til demodulering af spænding og strøm, herunder FFT-analyse til 5 kHz.
• Automatiserede analyse- og trendfunktioner for både MCA og MCSA via software.
• Fuld datalogging og analyse af strømkvalitet, herunder øjeblikkelig registrering af trefasehændelser.

Eksemplerne i denne artikel omfatter mange af de potentielle anvendelser, der er tilgængelige ved implementering af motordiagnoseteknologier.

Test af rotorstænger

Det grundlæggende formål med den oprindelige udvikling af MCSA-teknologien var at detektere fejl i rotorbjælken. Rotorstænger er vanskelige at vurdere ved hjælp af traditionelle testmetoder, herunder vibrationsanalyse. Det blev fastslået, at en metode, der bruger strøm, kunne bruges til at evaluere rotorbjælkernes tilstand. Den grundlæggende regel er enkel: Sidebånd med polpasfrekvens omkring den grundlæggende linjefrekvens, når motoren er under belastning, indikerer problemer med rotoren. Standardreglen er, at problemer med rotorbjælker er alvorlige, når sidebåndstoppene nærmer sig inden for 35 dB af linjefrekvensens top.

Figur 1: Rotorbjælkefrekvenser

Eksemplet i figur 1 viser sidebånd på ca. -40 dB fra den maksimale linjefrekvens. Det kunne tyde på mindst én brækket rotorstang i denne 500 HK, 4160 Volt motor på en kompressor.

Figur 2 er et eksempel på en af de to mulige
scenarier:

• Støbning af hulrum i en aluminiumsrotor.
• Blød tand (eller tænder) i en gearet applikation.

Figur 2: Hulrum i støbningen eller ‘blød’ tand i gearet

Ved hjælp af demodulerede spændings- og strøm-FFT’er med højere frekvens kan problemer som dynamisk og statisk excentricitet, løse rotorstænger og andre rotorrelaterede fejl detekteres.

Figur 3: Rotorens gnidning ved ingen belastning

Dataene i figur 3 vedrører en dykpumpe med 7,5 hestekræfter og 1800 omdrejninger pr. minut, som er testet tør uden belastning. Rotoren gned let mod statorkernen, hvilket blev identificeret som statisk og dynamisk excentricitet med flere strømtoppe som vist.

Test af induktionsmotorer

Enkelt- og trefasede motorer kan evalueres ved hjælp af en kombination af demoduleret spænding og strøm. En særlig regel og styrke ved en
kombination af spænding og strøm er, at hvis toppene vises i spænding og strøm, er fejlen af elektrisk karakter, hvis toppen vises i strøm, men ikke spænding, er problemet af mekanisk karakter. En anden fordel ved at evaluere systemer med MCSA er, at du kan opdage strømforsynings- og belastningsrelaterede fejl.

Figur 4: Mekanisk fejl på stator

Som du kan se i figur 4, identificeres toppe i strømmen, men de vises ikke i spændings-FFT’en. Dette indikerer, at der er mekaniske fejl. Da de er relateret til kørehastigheden og antallet af statorpladser, er det en mekanisk fejl relateret til viklingerne. Der findes flere andre spidsbelastninger, som kun er strøm, hvilket indikerer belastningsrelaterede fejl, i dette tilfælde sandsynligvis et gearkasseproblem (bemærk, at dette er de højfrekvente data, der er relateret til figur 2).

Figur 5: Mekanisk ubalance

Motoren vist i figur 5 havde en mekanisk ubalance. Signaturen viser sig som et mønster med to gange linjefrekvens (LF), fire gange linjefrekvens og derefter to gange linjefrekvens. I dette tilfælde er rotorbjælkerne gange kørehastigheden med LF-sidebånd, hvorefter det resterende mønster vises.

Test af jævnstrømsmotorer

DC-motorer evalueres på samme måde som vibrationer. Faktisk er signaturerne de samme i vibration som i MCSA. Jævnspændingen og strømmen tages fra ankerkredsløbet.

Figur 6: Fejl i DC-drev

I figur 6 indikerer flere harmoniske af linjefrekvensen plus flere harmoniske af antallet af effektelektronik (SCR’er) gange linjefrekvensen (360 Hz i dette tilfælde) en SCR-fejl eller en løs forbindelse. Dette kan bekræftes ved at se på spændings- og frekvensrippelen i lavfrekvensdataene.

Test af synkrone vekselstrømsgeneratorer

Synkrongeneratorer kan også evalueres hurtigt og enkelt ved hjælp af demoduleret spænding og strøm. I det følgende eksempel blev en generator udløst på grund af høj temperatur. Både MCA og MCSA blev brugt til at evaluere systemet.

Figur 7: MCSA-data på synkrongenerator (lav frekvens)

Figur 8: Generatorens dynamiske excentricitet

Generatoren, der blev testet, viste en stigning i excentricitet i løbet af en 40 minutters testkørsel, roterende feltfejl og nogle elektriske fejlsignaturer. Disse oplysninger blev kombineret med MCA-data, som indikerede en kortslutning af viklingen, en kortslutning af kablet og et betydeligt fald i isolationsmodstanden over den korte delbelastning. Generatoren var en 475 kW, 480 Vac generator, som krævede tre parallelle kabler pr. fase. Der er en række muligheder med ATPOL-systemet til større kabler. Men i en snæver vending blev der brugt et af hver af de tre kabler i hver fase, så strømværdierne var ca. 1/3.

Figur 9: Strømtilslutning til vekselstrømsgenerator

Frekvensomformere med variabel frekvens

Frekvensomformere har været en udfordring for en række MCSA-systemer. I ATPOL’s tilfælde er det dog ikke et problem. Udgangsspændingen og strømsignalerne kan ses (figur 10).

Figur 10: VFD-spændings- og strømkurver (0,05 sekunders optagelse)

Figur 11: VFD-data for lav frekvens

Figur 11, som er lavfrekvensdata (<120 Hz) for det samme system som figur 10, viser, at frekvensomformerens udgangsfrekvens er 43 Hz, og motorens driftshastighed på 3600 RPM er 2570 RPM.

Figur 12: VFD højfrekvensdata

Som man kan se i figur 12, indikerer kraftige spændings- og strømtoppe fejl i motorsystemet. Noget af den ekstra støj skyldes udelukkende de spændings- og strømbølgeformer, der kommer fra VFD’en. Softwaren vil dog automatisk placere markører for forskellige fejl i kurverne.

Figur 13: Specialanalyse i spidsværdier

Figur 13 viser de samme data, men med de maksimale spændinger og strømme vist. De højere frekvensstrømme indikerer problemer relateret til spændingsharmonikerne, som er vist i den nederste kurveform. Alle data kombineret viser et problem med indgående spænding. Da det blev testet ved 46 Hz, blev problemet mere markant og pegede på en potentiel fejl i forsyningssystemet, der bliver fremherskende over 45 Hz.

Løsningen kan afhjælpes med filtrering af VFD-drevets udgang.

Stansepresse med motor og hvirvelstrømsdrev

Det komplette motorsystem kan ses, inklusive den drevne belastning.

Figur 14: Stansepressens belastningscyklus

Figur 14 viser den aktuelle cyklus over 10 sekunder. Peak A er en af tre peaks i denne cyklus, der relaterer til stansen (bunden) af presseslaget, mens punkt C er relateret til toppen af slaget. Punkt B identificerer en form for gnidnings- eller gribeproblem, da systemet nærmede sig toppen af slaglængden. De tre nederste streger hjælper med at identificere, at operationen sker 18 gange i minuttet.

Figur 15: Motorrelaterede linjefrekvenssidebånd

Figur 15 viser et højt “støjgulv” og mange sidebånd omkring den maksimale LF-frekvens. Dette, sammen med højfrekvensdataene, hjælper med at pege retningen mod belastningen.

Figur 16: Højfrekvensdata for hvirvelstrømskobling

Figur 16 viser, at der er en forbindelses- og/eller SCR-fejl i DC-forsyningsspændingen fra ensretteren (seks SCR’er). Toppene i den høje
frekvensspektret identificerer også fejl i hvirvelstrømsdrevet og selve stansepressen, sandsynligvis løshed i systemet (relaterede signaturer viser forhøjede støjgulve).

MCSA og energiapplikationer

ATPOL-systemets automatiserede rapporterings- og datalogningsfunktioner omfatter også muligheden for at arbejde sammen med det amerikanske energiministeriums MotorMaster Plus-software.

Yderligere funktioner blev finansieret af ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors og Pruftechnik til at blive inkluderet i MotorMaster Plus for at gøre det muligt at inkludere motordiagnoseoplysninger til analyse. Brugen af både MCA og MCSA gør det muligt for brugeren at evaluere tilstanden af en elektrisk motor og derefter træffe en energirelateret beslutning om reparation eller udskiftning med et bekræfteligt investeringsafkast.

For eksempel blev en motor med 40 hestekræfter og 1800 omdrejninger pr. minut testet med MCSA, og der blev fundet nogle mekaniske og elektriske fejl. Dataene blev indarbejdet i en MotorMaster Plus-rapport, og driftsfrekvensen blev bestemt til 91,5% effektiv ved 90% belastning. Hvis man antager en energiomkostning på 0,07 $/kWh og en efterspørgsel på 14 $/kW, med 2000 (1 skift) i drift om året, blev der identificeret en udskiftningseffektiv elmotor med en simpel tilbagebetalingstid på 0,9 år og et investeringsafkast på 866 % efter skat.

Data kan også bruges af US Department of Energy’s Pump System Assessment Tool (PSAT), AirMaster og andre værktøjer.

Motordiagnosekraft – ALL-TEST PRO MD System

Den kombinerede effekt af MCA og MCSA, der er tilgængelig i ALL-TEST PRO MD-sættet, integreret gennem EMCAT Motor Management Software-systemet, giver mulighed for
brugeren til at udføre følgende:

• Automatiseret analyse af både MCA- og MCSA-data.
• Tilbagebetalingsberegning via softwaresystemerne Power System Manager og MotorMaster Plus.
• Idriftsættelse af elektriske maskiner
• Fejlfinding på elektriske maskiner
• Trending af elektriske maskiner
• Root-Cause-Analyse af elektriske maskiner
• Komplet systemvisning af den elektriske og mekaniske tilstand
• Evaluering af AC/DC-systemer, belastninger gennem ‘soft coupling’-systemer (dvs. hvirvelstrømsdrev)
• Energistudier og -undersøgelser.
• Understøtter andre diagnoseteknologier som vibration, infrarød og meget mere.

Alt sammen via et simpelt motordiagnosesystem. Data kan indsamles ved hjælp af de håndholdte dataindsamlere eller ved hjælp af “fjernbetjeningsfunktionen” via en computer eller bærbar computer (systemet kan fjernbetjenes fra en computerskærm).

Konklusion

Formålet med denne ALL-TEST Pro hvidbog var at præsentere MCSA-funktionerne i ALL-TEST PRO MD-motordiagnosesystemet.
Mulighederne, som demonstreret, går langt ud over den simple analyse af induktionsmotorer og inkluderer:

• AC-motorer og vekselstrømsgeneratorer
• DC-motorer og generatorer
• Enkelt- og trefasede systemer
• Hvirvelstrømsdrev
• Frekvensomformere med variabel frekvens
• Indgående strømkvalitet
• Drevet belastning
• Meget mere

Mulighederne er langt større end dem, der er nævnt i denne artikel.

Der vil blive præsenteret yderligere artikler, der identificerer muligheder ved hjælp af strømkvalitet, MCA, MCSA og belastningsrelateret fejldetektering.