Sådan tester du en synkronmotor med moderne teknologi

For yderligere at forstå anvendelsen af test og analyse af motorkredsløb på synkrone elmotorer (synkronmaskiner) er det vigtigt at have et kort overblik over, hvordan en synkronmotor fungerer, de mest almindelige fejl, almindelige testmetoder, hvordan ALL-TEST IV PRO™ (
Nu er AT5™
) fungerer med store synkronmotorer, grundlæggende trin til analyse af synkronstatorer og -rotorer samt forventede testresultater (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ er den anbefalede erstatning for ATIV™.
). I denne artikel vil vi diskutere disse forskellige aspekter og henvise til andre materialer for yderligere detaljer.

Om synkrone maskiner

Store synkronmotorer har to grundlæggende funktioner:

• Den første er at forbedre den elektriske effektfaktor i et anlæg. I ethvert anlæg med store induktive belastninger, såsom motorer og transformere, begynder strømmen at halte efter spændingen (dårlig effektfaktor). Når dette bliver alvorligt nok, kræver anlægget betydeligt større mængder strøm for at udføre den samme mængde arbejde. Det kan forårsage spændingsfald og overophedning af elektriske komponenter. En synkronmotor kan bruges på en sådan måde, at den har ringe eller ingen indvirkning på effektfaktoren, eller den kan bruges til at få strømmen til at lede spændingen for at rette op på effektfaktorproblemer.
• Den anden driftsmetode er at absorbere pulserende belastninger, som f.eks. stempelkompressorer. Når en synkronmotor har opnået synkron hastighed, har den spoler, der “låses” i takt med elmotorens roterende magnetfelter fra statoren. Hvis der opstår en momentpuls (f.eks. i toppen af en frem- og tilbagegående kompressors slag), kan motoren komme ud af sync med de roterende felter. Når dette sker, absorberer en særlig vikling på rotoren, kaldet en amortisseurvikling (se synkron konstruktion nedenfor), energien fra momentpulsen og holder rotoren synkroniseret.

Den grundlæggende konstruktion af en synkronmotor er ligetil. Der er tre sæt viklinger, en stator, en rotor, lejer og enten en generator (børsteløs) eller en ‘statisk exciter’ (børstetype).

Viklingerne består af:

• En standard trefaset vikling, meget lig en standard elektrisk induktionsmotor
• Et sæt feltspoler, som er jævnstrømsspoler lavet af rund tråd til små maskiner og rektangulær eller båndtråd til større maskiner.
• En amortisseurvikling, der ligner en induktionsmotors rotor med egernbur

Startmetoderne for både børstetypen og børsteløse synkronmotorer er ens. Startkredsen vil være forskellig for de to. Her følger en beskrivelse af den grundlæggende funktionsmåde efterfulgt af en kort beskrivelse af forskellene:

I startfasen af en synkronmotor fungerer den stort set på samme måde som en almindelig induktionsmotor. Statoren modtager en elektrisk strøm, og der udvikles et roterende magnetfelt (hastigheden = (120 * anvendt frekvens) / antal poler). Dette felt genererer en strøm i amortisseurviklingen, som bruges til at udvikle startmoment ved at generere sit eget magnetfelt, som interagerer med statorens magnetfelt i luftspalten og får rotoren til at følge statorens magnetfelter. Når rotoren begynder at indhente statorfelterne, indsprøjtes der jævnstrøm i rotorens feltspoler, hvilket skaber nord- og sydmagnetiske par (rotorspoler findes altid i par). Disse låses i takt med statormagnetfelterne og følger med samme hastighed som statorfelterne, hvorimod en standardinduktionsmotor altid halter bagefter.

I en børstemaskine kommer jævnstrømskilden til rotorfelterne normalt fra en ‘statisk’ (elektronisk) starter, som omdanner en tilført vekselstrøm til jævnstrøm. I de fleste tilfælde varieres DC-udgangen gennem startcyklussen. Drevet kan også indstilles til at kortslutte maskinens feltspoler for at undgå rotormætning og de deraf følgende ekstremt høje strømme på statoren. Når rotoren begynder at dreje, tilføres der jævnstrøm for at hjælpe motoren med at udvikle drejningsmoment. Jævnspændingen leveres gennem et par slæberinge og børster.

I en børsteløs maskine er der monteret en jævnstrømsgenerator direkte på synkronmotorens aksel. Når synkronmotoren starter, leverer generatoren meget lidt jævnstrøm gennem sin kommutator. Når hastigheden stiger, stiger jævnstrømsspændingen også, hvilket hjælper motoren med at generere drejningsmoment og derefter låse i takt med synkron hastighed. I denne type maskine er generatoren koblet direkte til rotorfelterne.

Der findes også maskiner, der har en generator monteret på rotorens aksel, som forsyner en separat styring. Den bruges til først at kortslutte viklingerne og derefter styre mængden af jævnstrøm, der tilføres rotoren, ligesom børstemaskinen.

De mest almindelige synkronmotorfejl

Store synkronmotorer har tendens til at være velbyggede og robuste. De er ofte overbyggede med materiale for at kunne modstå de store belastninger, de udsættes for. De mest almindelige fejl på industrielle synkronmaskiner er i nævnte rækkefølge:

• Lejer på grund af almindeligt slid og forurening
• Rotorfelter – på grund af de høje temperaturer vil de ofte brænde op indefra og ud.
• Amortisseurviklinger – mest i frem- og tilbagegående belastninger. På grund af den absorberede energi vil viklingsstængerne ofte knække. Især hvis rotorfelterne er begyndt at svigte og er korte, hvilket gør det lettere for rotoren at falde ud af “synk”.
• Statorviklinger – generelt slid og forurening. Statorviklinger i synkronmaskiner har tendens til at være ‘formviklede’ og stærkt isolerede.

Næsten alle de viklingsfejl, der opstår i en synkronmotor, starter mellem ledere i rotor- eller statorspolerne.

Almindelige testmetoder, styrker og svagheder

Følgende er de traditionelle testmetoder til evaluering af en synkronmotors tilstand:

• Test af isolationsmodstand: Ved hjælp af DC-spændinger som specificeret i IEEE 43-2000 placeres et potentiale mellem statorviklingerne og jord. Den måler kun direkte fejl mellem statorviklingerne og statorrammen. Udføres også gennem slæberingene på en børstemaskine.
• Polarisationsindeks: Dette er et 10-minutters til 1-minuts forhold mellem isolationsmodstand. Dette har traditionelt været brugt som en metode til at måle tilstanden af isoleringen mellem statorviklingerne og rammen. Som med test af isolationsmodstand kan dette også udføres gennem glideringene på en maskine af børstetypen. Som det fremgår af IEEE 43-2000, er denne testmetode kun gyldig på isoleringssystemer fra før 1970.
• Test af højt potentiale: Den mest almindelige test på store maskiner er DC-højpotentialtest, som udføres ved en værdi på to gange motorens typeskiltspænding plus 1000 volt, gange kvadratroden af 3. På et eksisterende isoleringssystem reduceres denne værdi ofte til 75% af den potentielle spænding. Denne test belaster isoleringssystemet meget og er potentielt skadelig (i henhold til IEEE Std’s 388 og 389). Denne type test bør ALDRIG anvendes på rotorviklingerne i en synkronmotor.
• Overspændings-sammenligningstest: Evaluerer kun statorens turn-to-turn-tilstand ved at sammenligne bølgeformerne for to viklinger, når en puls med hurtig stigningstid på to gange spændingen plus 1000 volt. Hvis der er problemer, der kan afhjælpes, f.eks. forurenede viklinger, kan denne test beskadige motorviklingerne.
• Test af partielle udladninger: Dette er en ikke-destruktiv testmetode, der måler radiofrekvenser fra udladninger i hulrum i motorviklingernes isoleringssystem. Dette er effektivt til trendovervågning på maskiner, der er over 6,6 kV, og giver kun en kort advarsel fra 4 kV. Den registrerer ikke nogen rotorfejl.

• Analyse af motorstrømssignatur: Er designet til rotortest af induktionsmotorer.
• Test af spændingsfald: Kræver, at motoren skilles ad. En vekselspænding på 115 tilføres rotorviklingerne, og spændingsfaldet måles med et voltmeter over hver spole. Hvis der er en kortslutning, vil spændingsfaldet variere mere end 3%.

Ovenstående liste omfatter ikke udstyr til mekanisk afprøvning af synkronmotorer.

Om ALL-TEST Pro-instrumentet

ALL-TEST IV PRO™ (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ er den anbefalede erstatning for ATIV™)
er et simpelt elektronisk instrument, der fungerer på samme måde som et multimeter, bortset fra at det giver en række aflæsninger, der dækker AC-parametrene i motorkredsløbet. Det er en dataindsamler og tester, som sender et lavspændings DC-signal til simpel modstandstest, på samme måde som et milli-Ohm-meter, og et lavspændings, højfrekvent AC-signal til AC-målinger. Instrumentet måler og beregner derefter testresultater i tekniske enheder for modstand, impedans, induktans, fasevinkel, strøm/frekvensrespons og en isolationsmodstandstest til jord.

De primære forskelle mellem elektronisk test af strømforsyningsudstyr og traditionelle metoder er:

• Et mere komplet billede af motorkredsløbet, herunder påvirkninger fra ændringer i tilstanden af rotorens feltspoleisolering.
• Et instrument til et stort udvalg af udstyrsstørrelser. Testen er kun begrænset til instrumentets simple modstandsområde (0,010 ohm til 999 ohm).
• Ikke-destruktiv – der anvendes ingen skadelig spænding.
• Nemmere datatolkning – Et par enkle regler for datatolkning (se datatolkning nedenfor).
• Håndholdt vs. udstyr, der kan veje fra 40 kg til langt over 100 kg.
• Intern strømkilde til instrumentet.

Når et isoleringssystem ældes, eller hvis isoleringssystemet er forurenet, og det påvirker isoleringens integritet, ændres motorens elektriske kredsløb. Da rotoren er en integreret del af kredsløbet, afspejles ændringer i rotorkredsløbets og isoleringssystemets elektriske integritet også direkte i statorviklingerne. Det giver mulighed for både øjeblikkelig fejlfinding og langsigtet trendanalyse af motoren.

Unik testinformation gør det muligt for ALL-TEST Pro Instruments at se nok parametre i isoleringssystemet til at detektere og isolere:

• Kortsluttede statorviklinger
• Kortsluttede rotorfelter
• Ødelagte amortisseur-viklestænger
• Excentricitet i luftspalte
• Forurening af vikling (rotor og stator)
• Fejl i jordisolation

Grundlæggende trin til analyse af synkronmaskiner med ALL-TEST Pro Instruments

Trinene til test af synkronmaskiner ligner dem, der bruges til at evaluere tilstanden af standardinduktionsmotorer. Men fordi der er feltspoler på motorens rotor, er der et par ekstra trin involveret i fejlsøgningen.

Når du tester en synkronmaskine fra motorens kontrolcenter eller starter:

• Sluk for strømmen til udstyret. Sørg for, at sekundære strømkilder også er strømløse.
• Udfør standard ALL-TEST IV PRO™ (nu AT5™) test på statoren ved at følge menupunkterne på instrumentet.
• Evaluer testresultaterne (se Forventede testresultater)
• Hvis der vises en fejl, skal du begynde fejlsøgningen:
• Juster rotorens position, så meget som muligt, op til 45 grader (enhver bevægelse er nok, hvis rotoren er svær at dreje, men ikke mindre end 5 grader).
• Udfør testene igen, og gennemgå målingerne. Hvis fejlen har forskudt sig eller ændret sig med mere end et ciffer, er fejlen sandsynligvis placeret i rotoren.
• Hvis fejlen forbliver stationær (ikke ændrer sig med rotorens position), skal du frakoble ledningerne ved motorens klemkasse og teste igen. Hvis der stadig vises en fejl, er det højst sandsynligt i statoren, hvis ikke, er det højst sandsynligt i kablet.

Den gennemsnitlige testtid, bortset fra fejlfinding, er ca. 3-5 minutter.

Når man tester en adskilt synkronmaskine, er det vigtigt at huske, at målingerne vil være meget anderledes uden rotoren på plads:

• Udfør ALL-TEST IV PRO™ Auto-test (AT5
  Z/
  
  
  testtilstand) på statoren og evaluere testresultaterne. Dette vil give en øjeblikkelig indikation af eventuelle fejl.
• Til rotortesten:

• Udfør autotesten og sammenlign med en tidligere måling; eller,

• Udfør autotesten og sammenlign med en ‘identisk’ rotor; eller,
• Udfør Auto-testen på tværs af hver feltspole i stedet for en spændingsfaldstest.
• Alle parametre for alle tre skal opfylde evalueringsgrænserne.

På grund af teststilen kan disse resultater følges og sammenlignes mellem lignende maskiner.

Andre anvendelsesområder for test af motorkredsløb omfatter evaluering og accept samt forebyggende vedligeholdelse.

Forventede testresultater

Som nævnt i sidste afsnit af denne artikel svarer testresultaterne til dem, man finder i trefasede induktionsmaskiner. Fejlmønstrene er meget enkle og gælder uanset udstyrets størrelse inden for ALL-TEST Pro-instrumenternes testområde. Følgende er en kort oversigt over testmålingerne og deres resultater til grundlæggende fejlfinding:

• Simple modstandsmålinger: Disse er en indikator for forbindelser med høj modstand, løse forbindelser eller ødelagte ledere i kredsløbet. Denne test er vigtig, især hvis modstandsproblemet er på ét sted, da det, baseret på I2R, vil et resistivt punkt afgive en stor mængde varmeenergi (i watt). For eksempel vil en modstand på 0,5 ohm over et punkt i et kredsløb, der modtager 100 ampere, afgive: (100Ampere2)(0,5 ohm) = 5.000 watt (5kW) energi. Det er omtrent den samme energi, der bruges til at drive en elmotor med 6 hestekræfter.
• Måling af induktans: Dette er en indikator for en spoles magnetiske styrke og andre spolers indflydelse på en spole. Den påvirkes af antallet af vindinger i et kredsløb, spolernes dimensioner og andre spolers induktans. Denne måling er i sig selv kun en god indikator for amortisørviklingens tilstand og rotorens excentricitet. Induktans viser kun en kortsluttet vikling, hvis den er alvorlig.
• Måling af impedans: Dette er målingen af den komplekse modstand i kredsløbet. Den kan, ligesom induktansen, bruges til at kontrollere amortisørens vikling og rotorens tilstand. Men når den bruges sammen med induktans, kan den bruges til hurtigt at opdage overophedede viklinger og viklingskontaminering. Ved at se på forholdet mellem induktans og impedans mellem hver fase: Hvis induktansen og impedansen er relativt parallelle, er enhver induktiv og impedans ubalance i forholdet mellem rotor og stator (rotorposition); Hvis de ikke er parallelle, er det en indikation af et isolationsproblem, såsom isolationsnedbrydning eller viklingskontaminering.
• Fasevinkel og I/F (Strøm/Frekvens): Disse er begge indikatorer for isolationsfejl mellem vindinger i statoren eller rotoren.
• Isolationsmodstand: Evaluerer isoleringen til jord og vil kun indikere, når isoleringen har svigtet.

Anbefalingerne for testgrænser, som beskrevet i “Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers”, er som følger:

Tabel 1: Testgrænser (peak-to-peak-værdier)

*Kan overstige denne værdi, hvis målingerne er parallelle.

Her følger en oversigt over reglerne for fejlfinding:

• Kortsluttede viklinger:

• Kortsluttede viklinger kan evalueres ved at se fasevinklen og I/F-aflæsningerne fra instrumentet på lignende spoler eller mellem faser:
• Fasevinkel (Fi) – Fasevinklen skal være inden for 1 ciffer af den gennemsnitlige aflæsning. For eksempel vil en måling på 77/75/76 være god, fordi den gennemsnitlige måling er 76. En måling på 74/77/77 ville være dårlig.
• Aktuel frekvensrespons (I/F) – Den aktuelle frekvensrespons skal være inden for 2 cifre af den gennemsnitlige aflæsning. For eksempel ville en måling på -44/-45/-46 være god. En måling på -40/-44/-44 ville være dårlig. En måling som -42/-44/-44 bør dog betragtes som mistænkelig.

• Kontaminering af vikling og rotorposition

• Rotorens position i den elektriske motor kan forårsage en naturlig faseubalance. Forurening af viklingen vil også forårsage faseubalancer. Evaluering af DF kan vise, om faseubalancen kommer fra rotoren eller forurening.

• Rotorposition – Ubalancer i rotorpositionen kan evalueres ved at se, om induktans- og impedansværdierne er nogenlunde afbalancerede. Hvis der f.eks. er induktanser på 17/18/19 og impedanser på 24/26/29, så skyldes ubalancen rotorens position. Det kan også være tilfældet, hvis induktanserne er 5/5/5, og impedanserne er 8/9/8.
• Forurening af vikling – Dette kan også findes i overophedede (brændte) viklinger. Disse tilstande er resultatet af ændringer i isoleringen på grund af nedbrydning af isoleringssystemet.

Konklusion

Ved hjælp af et sæt enkle regler og instruktioner er ALL-TEST IV PRO™ (nu AT5™) et fremragende værktøj til fejlfinding og trending af synkronmaskiners tilstand. Testen udføres ved hjælp af enkle, ikke-destruktive testmålinger, der giver et mere komplet billede af motorens stator- og rotorkredsløb end nogen anden test. Testevalueringen er enkel og direkte, uanset udstyrets størrelse eller type.

Bibliografi

• Retningslinje for elektronisk statisk viklingskredsløbsanalyse af roterende maskiner og transformatorerBJM Corp, ALL-TEST Division, 2001.
• Penrose, Howard W. Analyse af motorkredsløb: Teori, anvendelse og energianalyse, SUCCESS by DESIGN, 2001.