Fejldetektering af pulsbreddemodulerede motordrev ved hjælp af elektrisk signaturanalyse

Industriens brug af motordrev til vekselstrømsmotorer fortsætter med at vokse, og det pulsbreddemodulerede drev (PWM) er blevet den almindelige industristandard til applikationer med lav til medium hestekræfter. Som med de andre komponenter i motorsystemet har PWM-drevet forskellige fejltilstande, og til fejlfinding bruger en elektriker almindeligvis et digitalt multimeter (DMM), et digitalt oscilloskop og en strømkvalitetsanalysator. Disse tre instrumenter gør det muligt for elektrikeren at fejlfinde problemer i forbindelse med indgående strøm og motordrevet, men de har begrænsede muligheder for at finde fejl i selve motoren og motorens drevne belastning. Og da disse instrumenter er separate og kan have begrænsede rapporteringsmuligheder, kan det være svært at teste med henblik på forebyggende vedligeholdelse (PdM) eller tilstandsbaseret vedligeholdelse (CBM).

Det er her, Electrical Signature Analysis (ESA) giver klare fordele i forhold til DMM, oscilloskop og power quality analyzer til pålidelighedstestformål. Ud over at evaluere tilstanden af den indkommende strøm og motordrevet, vil den også evaluere tilstanden af motoren og den drevne belastning for mange almindelige fejltilstande.

Om ESA

ESA er en online testmetode, hvor spændings- og strømkurver opfanges, mens motorsystemet kører, og derefter udføres en spektralanalyse via en Fast Fourier Transform (FFT) via den medfølgende software. Fra denne FFT registreres fejl relateret til indgående strøm, kontrolkredsløbet, selve motoren og den drevne belastning, og de kan derefter analyseres til CBM/PdM-formål. Vores særlige ESA-instrument er håndholdt, bærbart og batteridrevet.

Alle ESA-analysesystemer kræver oplysninger på motorens typeskilt om spænding, kørehastighed, fuldlaststrøm og hestekræfter (eller kW). Derudover kan der indtastes valgfri information såsom antal rotorstænger og statoråbninger, lejedelenumre og information om drevne belastningskomponenter, såsom antal vinger til en ventilator eller antal tænder til en gearkasseapplikation for at få en mere detaljeret og præcis analyse.

Da ESA er nyt for mange mennesker, er der nedenfor et diagram, der illustrerer de generelle fejl, som ESA opdager. Se figur 1.

Denne artikel diskuterer tre almindelige fejl ved et PWM-drev:

1) En åben indgangsdiode i ensretterbroen.

2) Defekte kondensatorer i det mellemliggende DC-kredsløb.

3) Dårlig Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).

Af de tre er svigtende kondensatorer den sværeste at opdage tidligt, da der ikke er nogen umiddelbare tegn på denne tilstand ved at overvåge motorens ydeevne.

Om drevet

Figur 2 illustrerer de grundlæggende blokke i et PWM-motordrev, som omfatter indgående vekselstrøm, fuldbølgediodebroen, der ensretter den indgående vekselspænding, det mellemliggende jævnstrømskredsløb, der indeholder kondensator(er), inverterbroen og motoren.

Når der testes med ESA, laves der spændings- og strømforbindelser til det motorsystem, der testes. Dette gøres normalt i motorens kontrolcenter, og tilslutningerne foretages ved hjælp af medfølgende bærbare spændingssonder og bærbare strømtransformere eller ved hjælp af tidligere installerede specielle tilslutningsbokse. Fordelen ved tilslutningsboksen er, at man kan tage data uden at åbne motorens kontrolpanel for at foretage de nødvendige tilslutninger.

Med PWM-applikationer skal der tages to sæt data, et ved indgangen til PWM-drevet og det andet ved udgangen af PWM-drevet. Hele dataindsamlingsprocessen (efter tilslutningerne er foretaget) tager ca. 4 minutter, og der kræves ingen oplysninger om motorens typeskilt på dette tidspunkt. Disse oplysninger kan indtastes senere, når dataanalysen udføres.

Datafilerne vises derefter ved hjælp af den medfølgende software, og der genereres en Microsoft® Word-rapport. Softwaren giver brugervenlige værktøjer til at arbejde med de forskellige analysespektre. Software-resultater kan ses uden at generere den fulde rapport.

Softwaren rapporterer automatisk følgende:

Effektfaktor, strømubalance, spændingsubalance og RMS-spænding i forhold til typeskiltet, belastning i forhold til typeskiltet, faseforbindelse, rotorsundhed, statorens elektriske og mekaniske sundhed, rotor/stator-luftgab, total harmonisk forvrængning (spænding og strøm), indikationer på fejljustering/ubalance og lejesundhed.

Den rapporterer også spænding og strømspids og Crest-faktor, faseimpedans, effekt (tilsyneladende, reel og reaktiv), kørehastighed og linjefrekvens. For AC-induktionsmotorer og DC-motorer beregner den også motorens effektivitet.

En gennemsnitlig dygtig bruger kan køre en fuld analyse og generere en rapport på mindre end 10 minutter pr. motor.

Tilfælde et

Case nummer et er et motordrev, som blev modtaget på EMA Inc’s serviceværksted i Cortland, New York. Drevet og motoren blev kørt på et dynamometer for at blive testet.

Der blev indsamlet to datasæt. Det første er en kurveoptagelse kun ved indgangen til drevet, og det andet sæt blev taget ved udgangen af drevet. Det andet datasæt omfatter en opsamling af spændings- og strømkurver plus 50 sekunders spændings- og strømkurver.

Figur 6 viser den indkommende strømbølgeform for fase C. Bemærk, at de negative toppe mangler. Det skyldes en åben diode.

ESA’s automatisk genererede rapport identificerer både strømubalance og overdreven harmonisk forvrængning, som er forårsaget af den åbne diode.

Denne første side af rapporten er kun et resumé, og der er yderligere sider med detaljer for hver af de vigtigste emneoverskrifter. En stor strømfaseubalance, som det ses her, vil beskadige PWM-drevets interne komponenter og kan belaste forsyningstransformatoren, der forsyner motordrevet.

Tilfælde to

Sag nummer to blev modtaget af EMA til reparation og involverer aldrende kondensatorer i kondensatorbanken. Problemet er, at når disse kondensatorer begynder at ældes og forringes, vil motorens ydeevne ikke give nogen tydelige indikationer. Når kondensatorerne begynder at svigte, overføres der ekstra strøm til de gode kondensatorer, hvilket skaber for meget varme i kondensatorerne, og den ekstra varme fremskynder svigtet af de resterende kondensatorer. Disse kondensatorer har udluftningskanaler til at bortlede for højt tryk indeni, men det er muligt for disse kondensatorer at eksplodere, hvis de ikke udluftes hurtigt nok. Derudover vil den overdrevne ripplespænding, der leveres til motoren, medføre, at motoren trækker harmonisk strøm. Disse harmoniske strømme vil skabe negativt sekvensmoment, dårlig motorydelse og yderligere skadelig varmeopbygning inde i motoren.

Figur 9 viser spændingen ved frekvensomformerens udgang, og det er for en god frekvensomformer med kondensatorer i god stand.

Tilfælde tre

Sag nummer tre blev modtaget af EMA til reparation. Udgangskurven viser en IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), der ikke tænder. Det skaber både en ubalance i strømmen og en forvrængning af bølgeformen.

Konklusion

Konklusionen er, at DMM, oscilloskop og power quality-instrumenter giver gode muligheder for fejlfinding i PWM-motordrev. De kan dog ikke integreres i et pålidelighedsprogram til test af elmotorer på grund af begrænsninger i dataindsamling og rapportering. Desuden giver de kun få oplysninger om almindelige motor- og belastningsrelaterede problemer.

Elektrisk signaturanalyse giver pålidelighedsteknikeren mulighed for at se hele motorsystemet fra indgående strøm til den drevne belastning. Med PWM-applikationer tager dataindsamlingen mindre end 4 minutter, efter at spændings- og strømforbindelserne er oprettet. Ud fra denne 4 minutters testproces kan en fuld 8-analyse hurtigt identificere problemer som f.eks. defekte ensretterdioder, dårlige DC-buskondensatorer og defekte IGBT’er, før drev- eller motorsvigt har fået motorsystemet til at svigte.

Det er vigtigt at bemærke, at i alle tre tilfælde kan motoren stadig være i drift, afhængigt af belastning og andre driftsfaktorer, men sikkerheden for, at systemet fortsætter med at køre, er kompromitteret. ESA’s evne til at identificere disse fejl tidligt, før der opstår yderligere skader på motoren eller PWM-drevet, vil hjælpe med at minimere dyr nedetid, øge udstyrets pålidelighed og muligvis forhindre katastrofale skader på udstyr eller mulig personskade.

Om forfatterne

Richard Scott er National Sales Manager, og Don Haapapuro, CMRP, er Key Account Manager for ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro er en producent af bærbart testudstyr til motorkredsløbsanalyse (MCA), elektrisk signaturanalyse (ESA) og strømkvalitetsanalyse (PQ), der bruges til forebyggende vedligeholdelsestest, kvalitetskontrol og fejlfinding af elektriske motorer, generatorer, transformatorer, spoler og viklinger. ALLTEST PRO® MCA-instrumenter giver tidlig detektion af elektriske fejl, herunder: viklingsfejl, faseubalance, rotorfejl og jordfejl. ALL-TEST PRO® ESA- og PQ-instrumentet giver automatisk analyse fra indgående strøm, den elektriske motor, gennem den drevne belastning, både elektrisk og mekanisk. Instrumenterne er håndholdte, batteridrevne, nemme at bruge og kan teste stort set alle størrelser og typer af elektriske motorer, generatorer og transformere, selv på fjerntliggende steder. Hjemmesiden er www.alltestpro.com.

Dean Williams er Vice President of Technical Services for EMA, Inc, og han arbejder ud fra servicecentret i Cortland, NY. EMA sælger og servicerer motordrev og tilbyder undervisning i korrekt fejlfinding på motordrev. Hjemmesiden er www.emainc.net.

Microsoft® Word er et registreret varemærke tilhørende Microsoft Corporation.

Copyright © 2008 ALL-TEST Pro, LLC Alle rettigheder forbeholdt