Forbedringer i VFD-teknologien (Variable Frequency Drive) har resulteret i lavere omkostninger, forbedret pålidelighed og endnu vigtigere øget brug. De fleste moderne VFD-systemer har intern diagnostik, der skaber automatisk nedlukning ved fejl. Men årsagen til disse fejl kan nogle gange være svær at finde og rette op på. Test af strømløse (MCA) og strømførende motorer kan dog give værdifuld indsigt, så man hurtigt og nemt kan identificere mange af disse problemer. Denne korte artikel viser, hvordan man kan inkorporere disse to motorprøvningsteknikker, der er nemme at udføre, i fejlfinding på VFD’er.

Grundlæggende betjening

En VFD ensretter den indkommende 3-fasede vekselstrøm for at skabe en DC-bus. DC-bussen bruger kondensatorer til at udjævne den ensrettede DC som input til invertersektionen. I invertersektoren bruger controlleren mikroprocessorer til at styre halvlederkontakter, som konverterer DC-spændingen til en variabel 3-faset AC-spænding og frekvensinput til motoren. Ved at kontrollere den tid, halvlederne (SCR’er eller IGBT’er) brænder, modulerer bredden af jævnstrømsimpulserne jævnstrømmen til at producere en simuleret trefaset indgangsspænding med variabel spænding og frekvens. Frekvensen af indgangsspændingen bestemmer den hastighed, hvormed magnetfeltet roterer omkring statoren. Den hastighed, som magnetfeltet kører med, kaldes den synkrone hastighed (SS).

SS= 120 F/P

Hvor: F= frekvens af forsyningsspænding

P = antal poler i motoren

På grund af inverterkredsløbets skiftende karakter kan VFD’er skabe PQ-problemer ved at introducere harmoniske svingninger i anlæggets elektriske system. Derudover kan VFD’er også være følsomme over for indkommende PQ-problemer, hvilket får VFD’erne til at lukke ned. Mange VFD’er har intern elektronik, der angiver årsagen til nedlukningen. Disse almindelige koder tildeler årsagen til overspænding, overstrøm, overbelastning, spændings- eller strømubalance, overtemperatur eller eksterne fejl. Denne information er vigtig, men det egentlige spørgsmål er, hvad der forårsagede fejltilstanden. Er fejltilstanden forårsaget af VFD’en eller oplevet af VFD’en?

Hvis VFD’en oplever en fejl, kan det skyldes indgående strøm, forbindelsesproblemer, et af mange motorproblemer eller fejl i den drevne maskine eller selve processen. Hvis fejlen er forårsaget af VFD’en. Det kan være et resultat af nedbrudte eller defekte elektroniske komponenter. Blandt de mest almindelige fejl er dioder i ensrettersektionen, kondensatorer i DC-bussen eller nedbrud eller fejl i en halvleder i invertersektionen.

Test af strømløs motor: Analyse af motorkredsløb™ (MCA™)

Motorkredsløbsanalyse™ (MCA™)
er en motortestteknik, der indsprøjter en række lavspændings AC- og DC-signaler gennem motorviklingerne for grundigt at evaluere hele motorsystemet, mens motoren er uden strøm. MCA-motortests kan udføres direkte på motoren eller eksternt fra VFD’ens udgang. I modsætning til traditionelle strømløse motortests, der ikke kan identificere rotorproblemer eller isoleringsnedbrud i viklingerne. MCA-tests giver en tidlig indikation af begyndende fejl, ikke kun i jordvæggens isoleringssystem, men også i isoleringen omkring de ledere, der bruges til at skabe spolerne i statoren, samt eksisterende eller begyndende fejl i den elektriske del af rotorerne. MCA kan identificere fejl i de tidligste stadier, men kan også hurtigt bekræfte, at motoren er “god”, hvilket hurtigt kan eliminere motoren som årsag til VFD-trippet. Ved at udføre 3-minutters-testen fra VFD’ens udgang indikerer et “godt” resultat ikke kun, at motoren er i orden, men også at alle de tilhørende kabler og alle elektriske komponenter i det testede kredsløb er i god stand. Men hvis resultaterne er dårlige, kræver det blot, at der udføres en ekstra 3-minutters test direkte på motoren. Hvis motorens test er i orden, ligger fejlen i kablerne eller controlleren. Hvis motoren indikerer en udviklingsfejl, er der valgfri MCA-tests til rådighed for at afgøre, om fejlen er i rotorens eller statorens elektriske kredsløb.

DC-tests med lav spænding giver en indikation af forbindelsesproblemer i det kredsløb, der testes, for at bekræfte, at alle eksterne og interne forbindelser er tilstrækkeligt “tætte”. Serien af AC-tests træner viklingens isolering og identificerer de meget små ændringer, der sker i den kemiske sammensætning af viklingens isolering, når isoleringen mellem lederne begynder at blive nedbrudt.

Den valgfrie dynamiske test kræver manuel rotation af motorakslen under testen og udvikler en statorsignatur, som identificerer eventuelle fejl i isoleringen omkring lederne i spolerne, der udgør statorviklingssystemet. Rotorsignaturerne identificerer fejl i rotorens elektriske system som f.eks. statisk eller dynamisk excentricitet, revner, brud eller støbte hulrum i rotorstængerne eller enderingene.

Test af strømførende motorer: Elektrisk signaturanalyse (ESA)

ESA bruger VFD’ens indgangs- og udgangsspænding og -strøm til hurtigt at analysere tilstanden og kvaliteten af den strøm, der leveres til frekvensomformeren, samt den spænding og strøm, der sendes fra frekvensomformeren til motoren. Hver af disse tests tager < 1 minut. Ved at udføre ESA-motortest på drevets indgang og udgang får man en komplet profil for indgangs- og udgangseffekt. Hver test udfører en samtidig dataopsamling af alle tre faser af spænding og strøm for at oprette PQ-tabeller for hver af de tre faser, opsamler, viser og gemmer 50 msek af spændings- og strømkurverne for alle tre faser. Derudover digitaliseres spændings- og strømbølgeformerne i 50 sekunder og bruges til at udføre høj- og lavfrekvente FFT’er på både indgangs- og udgangsspændingen og -strømmene.

Indgangseffekt

Indgangsspændingen til frekvensomformeren giver værdifulde oplysninger om tilstanden af den indgående spænding, der leveres til frekvensomformeren, beregner eventuel spændings- eller strømubalance eller harmonisk indhold i den indgående spænding eller strøm. Indgangsstrømmen giver en indikation af diodernes tilstand i drevets ensrettersektion. Figur 2 viser strømkurven, når alle dioder brænder korrekt, og i figur 3 kan man hurtigt se, at en eller flere af dioderne i ensrettersektionen ikke brænder korrekt.

Figur 2: God diodesektion Figur 3: Defekt diodesektion

Udgangsspænding

Figur 4: Korrekt fungerende IGBT’er

Udgangsspændingen fra frekvensomformeren giver oplysninger om selve frekvensomformerens tilstand samt kvaliteten af den strøm, der leveres til motoren, herunder, men ikke begrænset til, korrekt eller ukorrekt drift af halvlederne i inverterkredsløbene og udvikling af svigt i DC-buskondensatorerne. Figur 4 viser et øjebliksbillede af en fase af frekvensomformerens spændingsoutput, som er spændingen til motoren. Alle udgangsspændingens bølgeformer skal være relativt ensartede og symmetriske. Ikke-symmetriske spændingskurver indikerer svigtende eller defekte IGBT’er. Bemærk krusningerne på den flade del af de positive og negative dele af bølgeformerne i figur 5. Dette er en indikation af defekte kondensatorer på DC-bussen. En defekt $20-kondensator kan ødelægge et helt drev.

Udgangsstrøm

Figur 5: Fejl i DC-buskondensator

Motorens strøm fungerer som en meget følsom transducer for motorsystemet. Eventuelle eksisterende eller udviklende fejl i motoren, den drevne maskine eller selve processen vil få motorstrømmen til at modulere. Disse modulationer i udgangsstrømmen giver en indikation af den elektriske eller mekaniske tilstand eller eventuelle uregelmæssigheder i selve processen. En FFT på de digitaliserede spændings- og strømkurver identificerer hurtigt fejl i motoren, f.eks. revnede eller knækkede rotorstænger, statisk eller dynamisk excentricitet. Tidlig indikation af begyndende fejl i rullelejer, balance og justering af de roterende komponenter i motoren eller den drevne maskine kan også hurtigt identificeres ved hjælp af den samme fejlfrekvens, som længe har været kendt i vibrationsanalyse.

Automatisk analyse

ESA-softwaren kombinerer alle de oplysninger, der indsamles i den 50 sekunder lange dataindsamlingsproces, og sammenligner dem med forudbestemte standarder, retningslinjer og algoritmer for at skabe de grafer, tabeller og displays, der er nødvendige for hurtigt at evaluere tilstanden af hele motorsystemet fra den indkommende strøm til processen. Når evalueringen er afsluttet, udarbejder ESA en komplet og detaljeret rapport, der ikke kun fremhæver udviklingsproblemer i den elektriske del, udviklingsfejl i den drevne maskine eller andet udstyr, der er forbundet med motoren, men også anomalier i processen, der kan få VFD’en til at udløse. Den 8-siders rapport beskriver også målinger, der ligger inden for forudbestemte retningslinjer, og eliminerer dermed det meste af det gættearbejde, der normalt er forbundet med fejlfinding på VFD’er.

Figur 6: PQ-tabel på udgangen af VFD’en

Figur 7: Resultatskærm

Sammenfatning

Ved at indarbejde MCA og ESA i standardprocesser til fejlfinding på VFD’er har analytikeren de mest detaljerede oplysninger til rådighed til hurtigt at afgøre, om problemet er forårsaget af VFD’en eller oplevet af VFD’en. Den 3-minutters MCA-test identificerer ikke kun dårlige motorer, men kan også eliminere motoren som årsag til fejlen og sikre, at en ny motor, der installeres, er fejlfri. ESA bekræfter, at strømmen ind og ud af VFD’en er fejlfri i en simpel test, der tager mindre end 1 minut.