Motordiagnostik: Den multiteknologiske tilgang

Introduktion

Der har været en vedvarende misforståelse om, at der findes en “magisk kugle” i form af et CBM-instrument (Condition Based Monitoring), som vil give alle de oplysninger, du har brug for til at evaluere dit elmotorsystems sundhedstilstand. Denne misforståelse skyldes ofte de kommercielle præsentationer fra producenterne eller salgsafdelingerne af disse CBM-instrumenter. Det er selve Det er sælgerens opgave at fokusere på det område, hvor netop deres instrument(er) har sin styrke, og præsentere det som “den eneste løsning, du nogensinde får brug for til at løse alle dine problemer”.

I virkeligheden er der ikke ét instrument, der kan give dig alle de oplysninger, du har brug for. Der findes ingen “hellig gral” inden for CBM og pålidelighed. Men gennem en forståelse af elmotorsystemet og CBM-teknologiernes muligheder kan du få et komplet overblik over dit system, dets tilstand og have tillid til, at du kan estimere tiden til fejl, så du kan komme med en god anbefaling til ledelsen.

Formålet med denne artikel er enkelt: Skitsere komponenterne i et elmotorsystem; diskutere fejlmulighederne for hver hovedkomponent; diskutere, hvordan hver af de vigtigste teknologier adresserer hver komponent; diskutere, hvordan teknologierne kan integreres for at få et komplet overblik over systemet; og diskutere bundlinjeeffekten af den multiteknologiske tilgang. De typer CBM-udstyr, der skal undersøges, er standardteknologier, der bruges til periodisk testning.

Det elektriske motorsystem

Det elektriske motorsystem omfatter langt mere end blot den elektriske motor. Faktisk består den af seks forskellige sektioner, der alle har forskellige fejltilstande. Sektionerne er (figur 1):

• Anlæggets strømfordelingssystem, som omfatter ledninger og transformere.
• Startsystemer.
• Den elektriske motor – En trefaset induktionsmotor til formålet med denne artikel.
• Den mekaniske kobling, som kan være direkte, gearkasse, remme eller en anden koblingsmetode. I denne artikel vil vi fokusere på direkte kobling og remme.
• Belastningen refererer til det drevne udstyr som f.eks. en ventilator, pumpe, kompressor eller andet drevet udstyr.
• Processen, såsom pumpning af spildevand, blanding, beluftning osv.

De fleste vil se de enkelte komponenter i systemet, når de foretager fejlfinding, trendanalyser, idriftsættelse eller udfører en anden pålidelighedsbaseret funktion relateret til systemet. Hvilke komponenter er i fokus on afhænger af flere faktorer, som inkluderer:

• Hvilken erfaring og baggrund har de involverede medarbejdere og ledere? For eksempel vil du oftest se et stærkt vibrationsprogram, når vedligeholdelsespersonalet primært er mekanisk, eller et infrarødt program, når personalet primært er elektrisk.
• Oplevede områder med fiasko. Det kan være et alvorligt problem, afhængigt af hvordan det motoriske system opfattes, og det fortjener mere opmærksomhed i det følgende.
• Forståelse af de forskellige CBM-teknologier.
• Træning. Men siden hvornår er træning ikke et problem?

De opfattede områder med fejl udgør et særligt alvorligt problem, når man ser på dit motorsystems historie. Ofte, når optegnelser fremlægges, er det eneste resumé måske noget i retning af “ventilatorfejl, repareret” eller “pumpefejl, repareret”. Slutresultatet er, at den opfattede fejl har at gøre med pumpens eller ventilatorens komponent i motorsystemet. Det bliver især et problem, når man stoler på, at hukommelsen kan give svar på de mest alvorlige problemer, der skal løses i en fabrik, baseret på historien. Hvis man f.eks. vil finde ud af, hvilken del af et anlæg, der har forårsaget flest problemer, kan svaret være “spildevandspumpe 1”. Den umiddelbare opfattelse er, at pumpen har et vedvarende problem, og da en pumpe er et mekanisk system, kan man vælge en mekanisk overvågningsløsning til at følge pumpens tilstand. Hvis der var blevet registreret en grundårsag til hver fejl, kunne man have fundet ud af, at det var motorviklingen, lejerne, kablet, styringen, processen eller en kombination af problemer.

På et møde for nylig, hvor man diskuterede valget af CBM-udstyr, blev deltagerne spurgt om fejlmuligheder fra deres lokationer. Svarene var ventilatorer, kompressorer og pumper. Ved nærmere undersøgelse viste det sig, at ventilatorerne havde de mest almindelige fejl i lejer og motorviklinger, pumpetætninger og motorlejer for pumper og tætninger og motorviklinger for kompressorer. Ved nærmere eftersyn viste det sig, at fejlene i viklingerne havde at gøre med kontrol- og kabelproblemer, ukorrekte reparationer og strømkvalitet. Problemerne med lejerne skyldtes forkert smøring.

Når du skal finde den bedste måde at implementere CBM på dit elmotorsystem, er du nødt til at se det som et system, ikke som en komponent. Resultatet er enkelt: Øget pålidelighed, færre hovedpiner og en forbedret bundlinje.

Testinstrumenter til tilstandsbaseret overvågning

Følgende er nogle af de mere almindelige CBM-teknologier, der bruges, flere detaljer om teknologierne kan findes i “Motorkredsløbsanalyse”1 Detaljer om komponenterne i det testede system og deres kapacitet kan findes i tabel 1-4 i slutningen af denne artikel:

De-Energized Testing:

1 Analyse af motorkredsløb: Teori, anvendelse og EnergianalyseHoward W. Penrose, ph.d., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• DC High Potential Testing – Ved at anvende en spænding på to gange motorens nominelle spænding plus 1.000 volt for AC og yderligere 1,7 gange denne værdi for DC High Potential (normalt med en multiplikator for at reducere belastningen på isoleringssystemet), evalueres isoleringssystemet mellem motorviklingerne og jord (jordvægsisolering). Testen anses i vid udstrækning for at være potentielt destruktiv.
• Sammenligningstest af overspænding: Ved hjælp af spændingsimpulser med værdier, der beregnes på samme måde som ved højpotentialtest, sammenlignes impedansen for hver fase i en motor grafisk. Formålet med testen er at finde kortsluttede vindinger inden for de første par vindinger i hver fase. Testen udføres normalt i produktions- og omspolingsapplikationer, da den bedst udføres uden en rotor i statoren. Denne test betragtes i vid udstrækning som potentielt destruktiv og bruges primært som en go/no-go-test uden nogen egentlig evne til at vise tendenser.
• Isolationstester: Denne test placerer en jævnspænding mellem viklingerne og jord. Lavstrømslækage måles og konverteres til en måling af meg, gig eller tera-Ohm.
• Test af polarisationsindeks: Ved hjælp af en isolationstester ses værdierne fra 10 minutter til 1 minut, og der produceres et forhold. I henhold til IEEE 43-2000 behøver isolationsværdier over 5.000 megohms ikke at blive evalueret ved hjælp af PI. Testen bruges til at opdage alvorlig viklingskontaminering eller overophedede isoleringssystemer.
• Ohm, Milli-Ohm test: Ved hjælp af en Ohm- eller Milli-Ohm-måler måles og sammenlignes værdier mellem viklinger i en elektrisk motor. Disse målinger foretages normalt for at opdage løse forbindelser, ødelagte forbindelser og meget sene viklingsfejl.
• Test af motorkredsløbsanalyse (MCA): Instrumenter, der bruger værdier for modstand, impedans, induktans, fasevinkel, strøm: frekvensrespons og isolationstest, kan bruges til fejlfinding, idriftsættelse og evaluering af kontrol, tilslutning, kabel, stator, rotor, luftgab og isolering til jordsundhed. Ved hjælp af en lavspændingsudgang aflæses målingerne gennem en række broer og evalueres. Ikke-destruktive og trendmæssige aflæsninger, der ofte er måneder forud for elektriske fejl.

2 Potentielt ødelæggende: Ethvert instrument, der potentielt kan ændre udstyrets driftstilstand gennem forkert anvendelse eller efterbehandling af svækkede isoleringsforhold, skal betragtes som potentielt destruktivt.

Test med strøm:

Vibrationsanalyse: Mekaniske vibrationer måles via en transducer, der giver overordnede vibrationsværdier og FFT-analyse. Disse værdier giver indikatorer for mekaniske fejl og graden af fejl, kan følges og vil give information om nogle elektriske og rotorproblemer, der varierer baseret på motorens belastning. Minimumskrav til belastning af elmotorer for at opdage fejl i rotoren. Kræver et praktisk kendskab til det system, der skal testes.

Infrarød analyse giver information om temperaturforskellen mellem objekter. Fejl opdages og udvikles baseret på graden af fejl. Fremragende til at opdage løse forbindelser og andre elektriske fejl med en vis evne til at opdage mekaniske fejl. Aflæsningerne vil variere med belastningen. Kræver et praktisk kendskab til det system, der skal testes.

Ultralydsinstrumenter måler lav- og højfrekvent støj. Vil opdage en række elektriske og mekaniske problemer mod de sene stadier af fejl. Aflæsningerne vil variere med belastningen. Kræver et praktisk kendskab til det system, der skal testes.

Spændings- og strømmålinger vil give begrænset information om motorsystemets tilstand. Aflæsningerne vil variere med belastningen.

Motor Current Signature Analysis (MCSA) bruger elmotoren som en transducer til at detektere elektriske og mekaniske fejl i en stor del af motorsystemet. MCSA bruges normalt som en go/no go-test og har nogle trendfunktioner, men vil normalt kun opdage viklingsfejl og mekaniske problemer i deres sene stadier. Følsom over for belastningsvariationer, og aflæsningerne vil variere baseret på belastningen. Kræver oplysninger fra typeskiltet, og mange systemer kræver antallet af rotorstænger, statoråbninger og manuel indtastning af driftshastighed.

Hovedkomponenter og fejltilstande

Nogle af de største problemer fra de forskellige komponenter i motorsystemet skal gennemgås for at give en forståelse af de typer af fejl, der findes, og de teknologier, der bruges til at opdage dem. Som en oversigt omfatter dette måske ikke alle de former for fejl, som du kan opleve.

Indkommende strøm

Med udgangspunkt i den indgående strøm til belastningen er det første område, der skal adresseres indgående strøm og distributionssystem. Det første problemområde er strømkvalitet og derefter transformere.

Strømkvalitetsproblemer i forbindelse med elektriske motorsystemer omfatter:

• Spændings- og strømharmoniske: Med spænding begrænset til 5% THD (Total Harmonic Distortion) og strøm begrænset til 3% THD. Strømovertoner har det største potentiale for at skade det elektriske motorsystem.
• Over- og underspændingsforhold: Elektriske motorer er designet til ikke at køre mere end +/- 10% af typeskiltets spænding.
• Spændingsubalance: Er forskellen mellem faserne. Forholdet mellem spændings- og strømubalance varierer fra et par gange til mange gange strømubalance i forhold til spændingsubalance baseret på motordesign (kan være så højt som 20 gange).
• Effektfaktor: Jo lavere effektfaktoren er fra enhed, jo mere strøm skal systemet bruge for at udføre arbejdet. Tegn på dårlig effektfaktor omfatter også dæmpning af lys, når tungt udstyr starter.
• Overbelastet system: Baseret på transformatorens, kablernes og motorens kapacitet. Registreres normalt med strømmålinger samt varme.

De primære værktøjer, der bruges til at opdage problemer med indkommende strøm, er elkvalitetsmålere, MCSA og spændings- og strømmålere. At kende tilstanden af din strømkvalitet kan hjælpe med at identificere mange “fantomproblemer”.

Transformatorer er en af de første kritiske komponenter i motorsystemet. Generelt har transformere færre problemer end andre komponenter i systemet. Men hver transformer tager sig normalt af flere systemer både i den elektriske motor og andre systemer.

Almindelige transformatorproblemer omfatter (oliefyldte eller tørre transformatorer):

• Isolering til jordfejl.
• Kortsluttede viklinger.
• Løse forbindelser, og,
• Elektrisk vibration/mekanisk løshed

Testudstyr, der bruges til at overvåge transformatorers tilstand (inden for udvalget af instrumenter i denne artikel), omfatter:

• MCA for jord, løse/brudte forbindelser og kortslutninger
• MCSA til elkvalitet og sene fejlstadier
• Infrarød analyse for løse forbindelser
• Ultralyd for løshed og alvorlige fejl
• Isolationstestere til fejl mellem isolering og jord.

MCC’er, styringer og afbrydere

Motorstyringen eller frakoblingen giver nogle af de primære problemer med elektriske motorsystemer. De mest almindelige for både lav- og mellemspændingssystemer er:

• Løse forbindelser
• Dårlige kontakter, herunder udstenede, beskadigede, brændte eller slidte
• Dårlige startspoler på kontaktoren
• Dårlige effektfaktorkorrektionskondensatorer, som normalt resulterer i en betydelig strømubalance.

Testmetoderne til evaluering af kontrolelementerne omfatter infrarød, ultralyd, volt/ampere-målere, ohm-målere og visuelle inspektioner. MCA, MCSA og infrarød giver de mest nøjagtige systemer til fejldetektering og trending.

Kabler – før og efter betjeningselementerne

Kablingsproblemer overvejes sjældent og giver derfor nogle af de største hovedpiner. Almindelige kabelproblemer omfatter:

• Termisk nedbrydning på grund af overbelastning eller alder
• Forurening, som kan være endnu mere alvorlig i kabler, der passerer under jorden gennem rør.
• Der kan forekomme fasekortslutninger såvel som jord. Disse kan være forårsaget af “trædannelse” eller fysiske skader.
• Åbner på grund af fysisk skade eller andre årsager.
• Fysiske skader er ofte et problem i kombination med andre kabelproblemer.

Test og trending udføres med MCA, infrarød, isoleringstest og MCSA.

Oversigt over motorens forsyningsside

På forsyningssiden til motoren kan problemerne opdeles som følger:

• Dårlig effektfaktor – 39%.
• Dårlige forbindelser – 36%
• Underdimensionerede ledere – 10%
• Spændingsubalance – 7%
• Under- eller overspændingsforhold – 8%.

Det mest almindelige udstyr, der dækker disse områder, omfatter MCA, infrarød og MCSA.

Elektriske motorer

Elektriske motorer omfatter mekaniske og elektriske komponenter. Faktisk er en elmotor en omformer af elektrisk energi til mekanisk drejningsmoment.

Primære mekaniske problemer:

• Lejer – generelt slid, forkert anvendelse, belastning eller forurening.
• Dårlig eller slidt aksel eller lejehus
• Generel mekanisk ubalance og resonans

Vibrationsanalyse er den primære metode til at opdage mekaniske problemer i elmotorer. MCSA vil opdage mekaniske problemer på et sent stadie, ligesom infrarød og ultralyd.

Primære elektriske problemer:

• Kortslutning mellem ledere eller spoler
• Forurening af vikling
• Isolering til jordfejl
• Luftspaltefejl, herunder excentriske rotorer
• Rotorfejl, herunder hulrum i støbningen og knækkede rotorstænger.

MCA vil opdage alle fejlene tidligt i udviklingen. MCSA registrerer statorfejl i de sene stadier og rotorfejl i de tidlige stadier. Vibrationer opdager fejl i det sene stadie, isolering til jord opdager kun jordfejl, som udgør mindre end 1% af fejlene i motorsystemet, overspændingstest opdager kun overfladiske kortslutninger i viklingen, og alle andre test opdager kun fejl i det sene stadie.

Kobling (direkte og med bælte)

Koblingen mellem motor og belastning giver mulighed for problemer på grund af slid og anvendelse.

• Fejljustering af rem eller direkte drev
• Slid på bælte eller indsats
• Problemer med remspænding er mere almindelige, end de fleste tror, og resulterer som regel i lejesvigt.
• Slid på skive

Det mest nøjagtige system til detektering af koblingsfejl er vibrationsanalyse. MCSA og infrarød analyse vil normalt opdage alvorlige eller sene fejl.

Belastning (ventilatorer, pumper, kompressorer, gearkasser osv.)

Belastningen kan have mange typer fejl afhængigt af belastningstypen. De mest almindelige er slidte dele, ødelagte komponenter og lejer.

Testinstrumenter, der kan opdage belastningsproblemer, omfatter MCSA, vibration, infrarød analyse og ultralyd.

Fælles tilgange til multiteknologi

Der er flere almindelige tilgange inden for industrien samt flere nye (se tabel 3). De bedste bruger en kombination af strømførende og strømløse tests. Det er vigtigt at bemærke, at strømførende test normalt er bedst under konstante belastningsforhold og med samme driftsforhold hver gang.

En af de mest almindelige tilgange har været brugen af isolationsmodstand og/eller polarisationsindeks. Disse vil kun identificere fejl mellem isolering og jord i både motor og kabel, hvilket udgør under 1% af de samlede fejl i motorsystemet (~5% af motorfejlene).

Infrarød og vibration bruges normalt i forbindelse med hinanden med stor succes. Men de overser nogle få almindelige problemer eller opdager dem først i de sene stadier af en fejl.

Overspændingstest og højpotentialtest vil kun opdage visse viklingsfejl og fejl mellem isolering og jord, hvilket kan sætte motoren ud af drift, hvis der er forurening eller svagheder i isoleringen.

MCA og MCSA understøtter hinanden og opdager stort set alle problemer i det motoriske system. Denne nøjagtighed kræver MCA-systemer, der bruger modstand, impedans, fasevinkel, I/F og isolation til jord, og MCSA-systemer, der inkluderer spændings- og strømdemodulation.

Den nyeste og mest effektive metode har været vibration, infrarød og MCA og/eller MCSA. Styrken ved denne tilgang er, at der er en kombination af elektriske og mekaniske discipliner involveret i evaluering og fejlfinding. Som fundet i Motor Diagnostic and Motor Health Study, 3 38% af tests af motorsystemer, der kun involverer vibrationer og/eller infrarød, giver et betydeligt afkast. 3 Motordiagnostik og investering. Dette tal steg til 100% i systemer, der brugte en kombination af MCA/MCSA sammen med vibrationer og/eller infrarød.

I et tilfælde gav en kombineret anvendelse af infrarød og vibration en ROI på 30.000 dollars. Da virksomheden tilføjede MCA til deres værktøjskasse, steg ROI til 307.000 dollars, ti gange det oprindelige ved at bruge en kombination af instrumenter.

Muligheder for at ansøge

Der er tre almindelige muligheder for test af elektriske motorsystemer. Disse omfatter:

• Idriftsættelse af komponenter eller det komplette system, når det er nyinstalleret eller repareret. Det kan give en meget hurtig tilbagebetaling for de involverede teknologier, og det vil hjælpe dig med at undgå katastrofer med spædbørnsdødelighed.
• Fejlfinding i systemet ved hjælp af flere teknologier vil hjælpe dig med at identificere problemer meget hurtigere og med større sikkerhed.
• Trending af testresultater for systemets pålidelighed, igen ved hjælp af korrekt anvendelse af flere teknologier. Ved hjælp af tests som MCA, vibration og infrarød kan potentielle fejl følges på lang sigt, så mange fejl opdages måneder i forvejen.

Konklusion

Denne artikel gav et kort overblik over, hvordan flere teknologier arbejder sammen for at give et godt overblik over det elektriske motorsystem. Ved at forstå og anvende denne tilgang vil du opnå et fantastisk afkast af dit vedligeholdelsesprogram.

Om forfatteren

Dr. Howard W. Penrose, ph.d., har en ph.d. i generel ingeniørvidenskab med fokus på procesforbedringer i industrielle systemer, analyse af affaldsstrømme og energi samt udstyrs pålidelighed. Han har 15 års erfaring i elmotor- og servicebranchen, hvor han har ledet PdM- og Root-Cause-Analysis-initiativer på en lang række kommercielle og industrielle lokationer.

Tabel 1: Sammenligning af diagnostisk teknologi til motorsystemer

Tabel 2: Ledelsesmæssige overvejelser

Tabel 3: Fælles tilgange

Tabel 4: Yderligere overvejelser