Fordele ved test af DC-motorer ved hjælp af motorkredsløbsanalyse

Elektrisk test af jævnstrømsmotorer (DC) er en udfordring inden for både industri, produktion og reparationscentre. Det centrale spørgsmål har at gøre med muligheden for at sammenligne en spole med den næste, hvis der ikke gives nøjagtige oplysninger. I denne artikel diskuteres spørgsmålet om enkle tests, der kan øge tilliden til test- og analysekonklusioner ved hjælp af motorkredsløbsanalyse (MCA).

Betegnelsen MCA stammer fra en testmetode, der giver information om de grundlæggende komponenter i en AC- eller DC-elmotor. Disse grundlæggende komponenter omfatter:

• Modstand, målt i ohm
• Impedans, målt i ohm
• Induktans, målt i Henries
• Induktionsviklingens fasevinkel, målt i grader
• Isolationsmodstand, målt i Meg-Ohms

Det instrument, der henvises til i denne artikel, giver disse målinger ved at generere et lavspændings, ægte sinusbølge, vekselstrøm (impedans, induktans, fasevinkel), signal ved frekvenser fra 100 til 800 hertz, et lavspændings DC-signal for modstand og 500 eller 1.000 volt DC til isolationsmodstandstesten.

Derudover udføres en særlig test kaldet I/F, hvor den anvendte frekvens fordobles, og et forhold resulterer fra ændringen i viklingsimpedansen. Denne test er indført for at identificere tidlige kortslutninger, der kan findes i viklingen. Ved hjælp af de anvendte data kan tilstanden af en DC-motorvikling evalueres ved hjælp af spolesammenligninger, sammenligninger med kendte aflæsninger eller ved at se tendenser til ændringer i viklingerne over en tidsperiode.

De jævnstrømsmotorer, der vil blive omtalt i denne artikel, er serie-, shunt- og sammensatte jævnstrømsmotorer. Nogle af de grundlæggende tests, der er beskrevet, kan udføres på permanente magneter, DC-servoer, DC-værktøjsmaskiner og andre (selvom børsteløse DC-motorer evalueres på samme måde som AC-motorer). Typerne af DC-elmotorer kan beskrives ud fra deres viklinger og tilslutninger.

Teori om jævnstrømsmotorer

Jævnstrømsmotorer fungerer efter et grundlæggende elektrisk princip: Samspillet mellem to magnetfelter, der er placeret i en vinkel i forhold til hinanden, tiltrækker/afviser hinanden og skaber bevægelse. I en jævnstrømsmotor tilføres strøm til et statorfelt og et anker, som skaber magnetfelter, der elektrisk set er ca. 90 grader fra hinanden. Den resulterende tiltrækning/afstødning af ankeret fra feltet genererer et drejningsmoment, og ankeret drejer.

De grundlæggende komponenter i en DC-elmotor omfatter:

• Ramme – Udgør maskinens ydre struktur. Den bruges til at montere de fleste af motorens andre komponenter.
• Felter – Dette er spoler monteret på feltpolstykker, der genererer et stationært magnetfelt.
• Interpoler – Dette er spoler, der er placeret mellem feltspolerne, som genererer et felt, der bruges til at forhindre overdreven gnistdannelse i børsterne.
• Endshields – også kaldet lejehuse, bruges til at huse børsterne og børsterigningen, og til at huse aksellejerne, der holder ankeret centreret i rammen.
• Børsterigning – Holder og placerer børsterne over ankerets kommutator. Normalt bruges en spændingsanordning til at opretholde et konstant tryk på børsterne.
• Børster – Disse bruges til at levere jævnstrøm til ankeret. Børsterne sidder på kommutatoren.
• Kommutator – Består af mange kobberstænger, der er adskilt af glimmer. Hver stang er forbundet med spoler i ankeret.
• Armatur – Dette er den roterende del af motoren, der indeholder spoler.

I modsætning til de fleste vekselstrømsmotorer kræver jævnstrømsmotorer separat strømforsyning til både felterne og ankeret. Den jævnstrøm, der tilføres statorfelterne, genererer et konstant nordligt og sydligt sæt af felter. Jævnstrøm til ankeret genererer nord- og sydfelter, der er 90 elektriske grader fra det stationære felt.

Når ankeret genererer drejningsmoment og bevæger sig mod den relevante nord- eller sydpol, skifter børsterne position på kommutatoren og aktiverer et andet sæt spoler 90 elektriske grader fra det stationære felt. Dette gør faktisk ankeret til en vekselstrømskomponent, da strømmen vil bevæge sig i én retning, baseret på børstens position, og derefter i en anden retning, når motoren kører.

Børsterne er indstillet i en sådan position, at de er elektrisk “neutrale” (ingen induceret strøm fra statorfelterne) for at reducere gnistdannelse. I de fleste DC-motorforbindelser kan driftshastigheden ændres ved at variere ankerspændingen. En generel fare ved jævnstrømsmotorer er, at hvis feltstrømmen forsvinder, mens ankerstrømmen opretholdes, kan motoren tage fart, og hastigheden stiger, indtil ankeret ødelægger sig selv.

De tre grundlæggende viklingstyper, der kan bruges til at identificere typen af DC-motor, omfatter:

• Serie: Findes normalt i applikationer, der kræver et højt startmoment. De består af et sæt feltviklinger af stor tråd og relativt få vindinger, mærket S1 og S2, som er forbundet i serie med mellemspolerne og ankeret, mærket A1 og A2 (se figur 1). Serieforbundne motorer bruges normalt som trækkraftmotorer og har en meget lav grundmodstand.
• Shunt: Findes normalt i applikationer, der kræver konstant hastighed. De består af et sæt feltviklinger af mindre tråd med mange vindinger, mærket F1 og F2 for enkeltspænding og F1, F2, F3 og F4 for dobbeltspænding, og A1 og A2 for mellemspolerne og ankeret (se figur 2). Shuntforbundne motorer bruges normalt som kran- og værktøjsmotorer og har relativt høj grundmodstand.
• Sammensat: Kombinerer fordelene ved både serie- og shuntviklede motorer. De giver et relativt højt drejningsmoment med en grundlæggende modstandsdygtighed over for en ændring i driftshastigheden. Tilslutningerne kombinerer både serie- og shunttilslutninger (se figur 3). Kompoundmotorer er de mest almindelige og findes ofte i industriel produktion.

Som det kan ses, er der kun få spoler at sammenligne med hinanden i en samlet DC-maskine. Der kan dog udvikles procedurer til viklingstest, som giver en høj grad af sikkerhed for testresultatet.

Almindelige elektriske fejl i DC-motorer

Der findes en række almindelige elektriske fejl på DC-motorer, hvoraf de mest almindelige beskrives her. Disse skyldes problemer, der er specifikke for DC-motorens design som følge af temperatur, friktion og interne forureninger som kul eller grafit.

En af de mest almindelige årsager til viklingsfejl i en DC-motor er forurening af viklingen med kul eller grafitstøv fra børsterne. Det fine pulver gennemtrænger alle de stationære og roterende viklinger og vil skabe en sti mellem ledere eller mellem ledere til jord. Kul bliver ofte fanget, og problemerne forværres yderligere af rengørings- og vedligeholdelsesmetoder, når kullet blæses ud med trykluft, eller armaturet rengøres og bages. I begge tilfælde kan kullet blive tæt pakket i hjørnerne, som regel lige bag kommutatoren. Dette vil ende som en jordfejl eller kortsluttede vindinger lige ved kommutatorforbindelsen.

En anden almindelig fejl, som man ofte ikke tænker over, er kølingen af DC-maskinen. Det kan ske, fordi kølepassagerne er blokerede, fordi ankeret drejes for langsomt uden yderligere køling, eller fordi filtrene er snavsede (den mest almindelige fejl i forbindelse med køling). Temperatur er den største fjende for elektrisk udstyr, især isoleringssystemet, hvis levetid reduceres med halvdelen for hver 10 graders temperaturstigning (accepteret tommelfingerregel). Efterhånden som isoleringen svækkes, bliver den mindre pålidelig, indtil der opstår fejl mellem vindingerne. Ud over at isoleringssystemet nedbrydes, nedbrydes børsterne også hurtigere, hvilket medfører øget slid på kommutatoren og yderligere kulforurening af viklingerne.

En anden fejl, der er relateret til varme, genereres af praksisser, hvor felterne er aktiverede, mens ankeret er i hvile (deaktiveret). Dette er en almindelig driftsform, der kræver en separat blæser til at køle motoren, som normalt har filtre, der skal holdes rene. Denne type fejl resulterer normalt i kortsluttede shuntspoler, hvilket reducerer motorens evne til at producere drejningsmoment og kan ende med den farlige tilstand af ankeroverhastighed, hvis den ikke vedligeholdes korrekt.

Kommutatoren giver også mulighed for fejl samt en indikator for motorens drift og tilstand. En DC-motor, der fungerer korrekt, har en fin glasur af kul på kommutatoren, og stængerne ser ensartede ud. Brændte kommutatorstænger, stribede ruder, meget kul eller overophedede kommutatorer indikerer potentielle problemer, som bør løses.

Test af armatur

DC-armaturer er den mest tidskrævende, men nemmeste komponent at teste. Der er tre grundlæggende metoder, der vil blive introduceret: trend; samlet; og adskilt. I tilfælde af trending bruges alle målinger, men i tilfælde af samlet og adskilt test bruges en stang-til-stang impedansmåling. Impedansen ses, fordi ankeret er en vekselstrømskomponent, og simple modstandsmålinger kan overse nogle fejl, herunder kortslutninger og jord. Trending vil blive gennemgået i en overordnet trending-procedure for DC-motorer senere i denne artikel.

Når man tester et samlet DC-motoranker, er den bedste metode at udføre en såkaldt bar-to-bar-test med motorbørsterne. Hvis der er tale om en jævnstrømsmotor med to børster, skal ingen af børsterne løftes, og hvis der er tale om en jævnstrømsmotor med fire eller flere sæt børster, skal alle undtagen to sæt, der er 90 grader fra hinanden, løftes, hvilket tager dem ud af testkredsløbet. Sørg for, at der er god kontakt på kommutatoren ved at sikre, at mere end 90 % af børsten er i kontakt med kommutatorstængerne, og at kommutatorstængerne er rene. Hvis de ikke er rene, skal du polere armaturet forsigtigt med en godkendt metode, før du tester. Hvis kommutatoren er meget slidt, skal den skilles ad, og kommutatoren skal “drejes og underskæres”, i hvilket tilfælde en adskilt stang-til-stang-test vil være passende. Når den er indstillet, skal du markere placeringen af en stang på kommutatoren og derefter bringe stangen til en position, hvor den er lige under den forreste kant af en af børsterne. I den samlede test vil du sandsynligvis dække mindst halvanden bjælke med penslen. Udfør en impedanstest, noter aflæsningen, og flyt ankeret, så børstens forreste kant er over den næste kommutatorbjælke. Aflæs den næste impedans, og fortsæt, indtil hver stang er blevet testet. Et godt resultat vil vise et konsistent mønster, mens et inkonsistent mønster vil identificere en dårlig armatur.

Demonteret bar-to-bar-test svarer til samlet test, bortset fra at ankeret er ude af rammen, og testeren har fuld adgang til kommutatoren. I dette tilfælde vil testeren bruge en armaturfikstur eller testledninger til at forbinde fra stang til stang. Afstanden mellem hver impedansaflæsning skal være konstant og ca. 90 til 180 grader fra hinanden. Den første bjælke skal markeres, og testen fortsætter, indtil et ben på testfiksturet eller testledningen har været 360 grader rundt om kommutatoren. Markér impedansen for hver bar-to-bar-test, og se efter, om der var et ensartet mønster.

Test af seriemotorer

Serieelektriske motorer er meget udfordrende at fejlfinde, da de ikke giver sæt af felter at sammenligne med. Aflæsninger kan foretages fra S1 til S2 og A1 til A2 og derefter følges over tid eller sammenlignes med andre lignende maskiner.

Når aflæsningerne trendes over tid, skal simple modstandsaflæsninger korrigeres for temperatur, normalt i forhold til ^25oC. Impedans og induktans har normalt begrænset ændring på grund af temperatur, mens fasevinklen og I/F-aflæsningerne forbliver konstante, uanset temperatur. Variationer i I/F og fasevinkel vil indikere kortsluttede vindinger, mens ændringer i impedans og induktans normalt vil indikere snavsede vindinger.

Sammenligning af lignende motorer kræver yderligere oplysninger. Operatøren skal sikre, at motoren er af samme producent og design, samt hastighed, effekt osv. “Model”-motoren skal være ny eller ombygget efter den originale producents specifikationer. Når der udføres sammenlignende målinger, skal testtemperaturen være den samme fra motor til motor, men I/F- og fasevinkelmålingerne kan sammenlignes direkte. Disse aflæsninger bør ikke ændre sig mere end +/- 2 punkter for I/F og +/- 1 grad for fasevinkel. En almindelig fejl, når seriefeltviklinger genopbygges, selvom den er mindre almindelig end shuntspoler, er en forkert udskiftning af trådstørrelsen, hvilket vil påvirke motorens evne til at generere drejningsmoment.

Test af shuntmotorer

Shuntmotorer med dobbelt spænding giver mulighed for at sammenligne to sæt viklinger, mens enkeltspændingsmotorer vil have samme testprocedure som test af seriemotorviklinger, hvor man bruger F1 til F2 i stedet for S1 til S2.

Med dobbelt spænding er shuntviklingerne mærket F1 til F2 og F3 til F4, så analytikeren kan teste og sammenligne disse to sæt viklinger.

Ved test og fejlfinding af aflæsninger over tid skal simple modstandsaflæsninger korrigeres for temperatur, normalt i forhold til ^25oC. Impedans og induktans vil ændre sig mere end for en serieledet motor på grund af kredsløbets højere simple modstand. Fasevinklen og I/F vil forblive konstant, inden for 1 til 2 punkter, uanset temperaturen. Variationer i I/F og fasevinkel vil indikere kortsluttede vindinger, mens ændringer i impedans og induktans normalt vil indikere snavsede vindinger. Sammenligninger mellem F1 til F2 og F3 til F4 bør være mindre end 3% i modstand, induktans og impedans og ikke mere end 1 punkt forskellig i I/F eller fasevinkel.

Sådanne motorer kan testes og sammenlignes på samme måde som serieviklede motorer. Når det er muligt, bør motorerne testes ved samme temperatur som de foregående tests, når der laves trendmålinger. For eksempel inden for få minutter efter nedlukning af udstyr i drift eller før opstart af udstyr, hvilket gør det muligt at udføre testene ved samme temperaturer.

Test af sammensat DC-motor

Test på stedet, trend og fejlfinding er meget enklere med en sammensat motor. Sammensatte motorer med enkelt spænding er normalt mærket A1 til A2, S1 til S2 og F1 til F2, og sammensatte motorer med dobbelt spænding er normalt mærket A1 til A2, S1 til S2, F1 til F2 og F3 til F4. En vigtig tilføjelse til en sammensat viklet motor er, at serieviklingen normalt er viklet oven på shuntviklingen, hvilket giver mulighed for mulige fejl mellem disse to viklinger.

Ved en sammensat motor tages testene normalt fra DC-drevets terminaler. Standard MCA-tests med ALL-TEST involverer lavspændingssignaler med højere frekvens, som ikke skader udstyrets udgangselektronik, hvilket reducerer behovet for at frakoble ledningerne fra drevet under testen. Men hvis analytikeren ønsker at kontrollere isolationsmodstanden mellem serie- og shuntviklingerne, skal ledningerne frakobles drevet. Når du tester fra DC-drevet, skal du teste A1 til S2 og de to feltledninger og derefter udføre en 500 Volt isolationsmodstandstest mellem S2- og F1-ledningerne og sammenligne med tidligere tests eller lignende motorer, i begge tilfælde skal isolationsmodstandsmålingerne forblive over 100 Meg-Ohms.

ALL-TEST-enheden gør det muligt for analysatoren straks at sammenligne de tidligere og nuværende aflæsninger som et hurtigt tjek, så analysatoren hurtigt kan beslutte, om viklingerne skal testes yderligere. Som nævnt i teknikkerne til serie- og shuntmotortest bør I/F- og fasevinkelaflæsningerne ikke ændre sig mere end 1 punkt mellem testene, men over tid vil serie- og feltviklingerne variere dramatisk fra hinanden.

Fejlfinding på sammensatte motorer skal udføres på selve motoren. Frakobl alle motorledninger, og skil dem ad. Test serie- og feltviklingerne som beskrevet i instruktionerne for serie- og shuntviklinger, og udfør derefter en isolationsmodstandstest mellem serie- og shuntviklingerne, isolationsmodstanden skal være større end 100 Meg-Ohm.

Noter til test af MCA DC-motor

Der er flere vigtige punkter, man kan komme frem til ved hjælp af MCA-test på alle typer DC-motorer:

1. Enhver I/F-aflæsning uden for området fra -15 til -50, f.eks. -56, indikerer en viklingsfejl.
2. Hvis testen viser en uendelig modstand mellem ledningerne i det samme kredsløb, indikerer det en åben vikling.
3. En stigning i den simple modstand mellem testene, når den korrigeres for temperatur, indikerer en løs forbindelse, især når impedans- og induktansaflæsningerne ændres. En reduceret simpel modstand, når den er korrigeret for temperatur, kan indikere en kortslutning, normalt ledsaget af ændringer i impedans, induktans, fasevinkel og I/F.
4. Når man tester motorer, bør I/F og fasevinkel ikke ændre sig mere end 2 punkter, og enhver forskel, der er større end dette, bør give anledning til en fuld analyse.
5. Ændringer ved test gennem armaturkredsløbet bør medføre en bar-to-bar-test.

Ved at følge disse enkle instruktioner og bruge en MCA-enhed kan du opdage tidlige fejl, længe før udstyret svigter under drift. Hvis testene udføres som en del af et forebyggende vedligeholdelsesprogram, skal intervallerne mindst være dem, der er vist i tabel 1.

Tabel 1: Testfrekvens for DC-motor

Generelle vedligeholdelsestests er dem, der ikke er trended over tid. Normalt ledsaget af vibrationer, lejesmøring, kommutatorinspektion og børsteinspektion. Prædiktiv vedligeholdelsestest involverer normalt trendaflæsninger over tid for at opdage potentielle fejl og derefter bestemme det bedste tidspunkt at fjerne motoren til korrigerende vedligeholdelse. Når en potentiel fejl er opdaget, bør testfrekvensen øges, indtil det fastslås, at motoren skal fjernes. En komplet ankertest bør udføres enten i forbindelse med en generel eller forudsigelig vedligeholdelsestest på grund af de høje belastninger på kommutatoren og kulforurening.

Konklusion

Generel elektrisk test af elektriske jævnstrømsmotorer er blevet meget lettere med nye teknikker til statisk motorkredsløbsanalyse. For første gang kan tidlige drejefejl opdages i serie-, shunt- og armaturviklinger, før de sætter udstyret ud af drift. Forebyggende vedligeholdelsestests kan udføres fra drevet, mens fejlfindingstests udføres på motoren. Generelt er testene relativt hurtige og kræver mindre end fem minutter pr. motor til forebyggende vedligeholdelsestest, mens der kræves yderligere tid til fejlfinding. Samlet set forbedrer MCA-test DC-motortestning dramatisk i forhold til de traditionelle metoder til kontinuitetstest.

Om forfatteren

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D., har arbejdet over 15 år i branchen for reparation af elmotorer og elmotorer. Jeg startede som svend inden for reparation af elmotorer i den amerikanske flåde og har siden arbejdet med service og evaluering af alle typer roterende udstyr, fra små til store, som chefingeniør for et stort motorværksted i Midtvesten. Dr. Penrose har været direkte involveret i omspoling, træning og fejlfinding på AC-, DC-, sårrotor-, synkron-, værktøjsmaskine- og specialudstyr. Hans videre studier omfatter elektriske motorer og industriel pålidelighed, testmetoder, energieffektivitet og vedligeholdelsens indvirkning på produktionen. Dr. Penrose er tidligere formand for Chicago-sektionen af IEEE, tidligere formand for Dielectrics and Electrical Insulation Society of IEEE Chicago, professionelt medlem af Electrical Manufacturing Coil and Winding Association, certificeret MotorMaster Professional af det amerikanske energiministerium, vibrationsanalytiker, infrarødanalytiker og motorkredsløbsanalytiker.