Sådan testes 3-fasede vekselstrømsinduktionsmotorer fuldstændigt ved hjælp af strømløs motortestning

Folk udfører ofte motorinduktanstest med metoder, der ikke nøjagtigt vurderer hele billedet. Utilstrækkelig testning kan føre til for tidlig udskiftning af udstyr, dårlige omkostningsanalyser og andre negative resultater. Test af strømløse motorer med ALL-TEST Pro’s egenudviklede MCA™-enheder (Motor Circuit Analysis) kan gøre testen mere præcis, handlingsorienteret og ligetil. Denne artikel viser dig, hvordan du tester en trefaset vekselstrømsmotor, og forklarer, hvorfor MCA™-metoder er mere omfattende.

Hvordan fungerer traditionelle testmetoder?

Før vi gennemgår, hvordan man tester en trefaset motor med moderne testprocedurer, vil vi gennemgå, hvorfor traditionelle testmetoder med isolationsmodstand til jordmålere og multimetre typisk ikke er nok. Disse værktøjer overser specifikke dele af motoren og vil ikke altid hjælpe dig med at se, om en trefaset motor er dårlig.

Isolationsmodstand til jordmålere

Meget tyder på, at kun ca. 17% af de elektriske statorfejl opstår mellem spolerne og motorrammen eller er direkte kortslutning til jord, mens ca. 83% opstår i viklingernes isolering. Da IRG-testen ignorerer viklingens isolering, gælder den kun for en lille procentdel af fejlene. Den vurderer heller ikke grundmursisoleringens generelle tilstand, kun dens svageste punkt. IRG-målere anbefaler, at man bruger et forældet polarisationsindeks til at bestemme GWI’ens evne til at lagre en elektrisk ladning. Disse retningslinjer, der er baseret på ældre isoleringstyper, kan være ugyldige for nyere isoleringssystemer.

Formålet med IRG-målinger er ikke at bestemme isoleringens tilstand, men at verificere, at den trefasede elmotor er sikker at sætte strøm til. Yderligere målinger som f.eks. dissipationsfaktor og kapacitans til jord giver en mere komplet indikation af GWI’ens generelle tilstand.

Multimetre

Multimetre måler modstanden i det elektriske kredsløb mellem specifikke motorledninger. Teoretisk set, hvis isoleringen omkring lederne bryder sammen (som ved en kortslutning), vil den kortsluttede spoles modstand være lavere end de andre spoler, hvilket skaber en ubalance i modstanden mellem faserne.

Problemet med modstand som en indikator for nedbrydning af viklingens isolering ligger i den grundlæggende lov for elektricitet, der siger, at strømmen tager den vej, hvor der er mindst modstand. Før strømmen kan gå uden om en eller flere vindinger i en spole, skal isolationsmodstanden mellem spolerne være lavere end modstanden i lederne i den eller de kortsluttede vindinger. Disse værdier kan være i milliohm og er normalt ikke målbare, før isoleringen mellem viklingerne er helt væk.

Et andet problem med multimetre er, at isolering har en negativ temperaturkoefficient. Når temperaturen stiger, falder modstanden, potentielt til en værdi, der er lav nok til, at strømmen vil kortslutte rundt om spolen. Hvis du foretager målinger, efter at motoren er slukket, er temperaturen i viklingen og isoleringen faldet, hvilket gør det muligt for isoleringens modstand at stige nok til, at strømmen kan følge sin sædvanlige vej og give en afbalanceret måling mellem faserne.

Hvordan nedbrydes isolering?

Vurderingen af en trefaset motors tilstand afhænger af en tidlig indikation af isolationsnedbruddet. For at gøre dette bruger MCA™ lavspændings AC-signaler til at træne viklingens isoleringssystem for at afgøre, hvornår viklingens isolering begynder at undergå de kemiske ændringer, der opstår, når isoleringen begynder at blive nedbrudt.

Alt stof består af molekyler og atomer. Atomer fungerer som LEGO®-klodser og danner molekyler ved hjælp af kemiske bindinger. Disse bindinger forekommer i atomets yderste skal (valens). Isolerende materialer har meget tætbundne valenselektroner. Ledende materialer har løst bundne elektroner i valensskallen. Varme kan ændre isoleringsmaterialets kemiske sammensætning, hvilket får isoleringen omkring lederne til at blive mere ledende og danne stier i isoleringen. Disse baner skaber kortslutninger mellem lederne.

I henhold til
Arrhenius-ligningen
fordobles disse kemiske reaktioner for hver temperaturstigning på 10 grader Celsius. Isolering svigter ikke med det samme. Alle elektriske isoleringsmaterialer er dielektriske og oplever en ændring i den kemiske sammensætning over tid, men disse reaktioner fremskynder nedbrydningen. Varme får reaktionshastigheden til at stige, hvilket tilsvarende accelererer nedbrydningshastigheden.

Når det sker, begynder isoleringen at svigte gradvist:

1. Når isoleringen bliver belastet, bliver den mere ledende, mindre resistiv og mindre kapacitiv. Temperaturen begynder at stige i forkastningszonen, og isoleringen danner karboniseringsstier. I de tidlige stadier flyder der ingen strøm over isoleringen.
2. Modstanden fortsætter med at falde, efterhånden som isoleringen nedbrydes. Selvinduktansen og kapacitansen kan falde, og motoren kan begynde at udløse med mellemrum, men køre igen, når isoleringen er kølet af. Fortsat drift vil gøre det muligt for temperaturerne i fejlzonen at fortsætte med at stige, efterhånden som fejlen forværres.
3. Endelig forringes isoleringen, indtil der løber strøm gennem fejlzonen. Dette fænomen kan forårsage en fuldstændig sprængning af viklingens isolering, så viklingen fordamper. På dette tidspunkt ændres spolens induktans og viklingsmodstand.

Hvad er almindelige rotorfejl?

Nogle (EPRI angiver 10%) store trefasede vekselstrømsinduktionsmotorer svigter på grund af rotorproblemer. Disse kan ikke detekteres med traditionelle motoriske testmetoder eller kræver tidskrævende diagnoser og komplekse testinstrumenter. Her er nogle typiske rotorfejl.

Hulrum i støbningen

Hulrum i støbningen opstår, når der dannes dampbobler i rotorstænger eller enderinge i den elektriske del af egernbur-rotorerne. De øger modstanden i stangen eller stængerne. Rotorstænger skaber parallelle kredsløb. Grundlæggende elektrisk teori siger, at spændingen i hvert ben i parallelle kredsløb er den samme. Et støbehul i en rotorbjælke øger rotorbjælkens modstand, hvilket får strømflowet (gennem bjælken med fejlen) til at falde, og det øger strømflowet gennem de tilstødende bjælker. Det øgede strømflow gennem disse tilstødende rotorstænger forårsager yderligere opvarmning af disse rotorstænger. Den ekstra varme får de berørte stænger til at udvide sig termisk, hvilket får rotoren til at bøje sig og skaber kraftige vibrationer og tidlige og hyppige lejesvigt.

Excentrisk rotor

En excentrisk rotor opstår, når akslens geometriske midterlinje ikke er koncentrisk med rotorkernens geometriske midterlinje. Det punkt på rotoren, der er længst væk fra akslen (high spot), vil være tættere på statoren, mens punktet på den modsatte side af rotoren (low spot) vil være tættest på akslen, men vil være længere væk fra statoren. Excentricitet skaber ulige afstand mellem rotorkernen og statorkernen. Da en excentrisk rotor har et højt punkt og et lavt punkt, ændres den ulige afstand mellem rotor og stator med rotorens position.

Denne type excentricitet kaldes dynamisk excentricitet. Denne tilstand skaber elektrisk ubalancerede kræfter mellem rotor og stator, hvilket fører til hyppige lejesvigt.

Ulige luftspalter

Et ulige luftgab opstår, hvis en koncentrisk rotor ikke er placeret i statorfeltets geometriske midterlinje. Denne omstændighed kan opstå på grund af upræcis, ikke-centrisk bearbejdning af falsene på motorrammen og endeklokkerne. Selv korrekt bearbejdede pasninger kan gøre, at rotorens GCL forskydes i forhold til statorens GCL. Dette problem skaber snævre spillerum og ubalancerede elektriske kræfter mellem stator og rotor på samme måde som en excentrisk rotor, men det snævre spillerum forbliver på et fast sted inde i motoren og ændrer sig ikke med rotorens retning. Denne type excentricitet kaldes statisk excentricitet.

En blød fod mellem motorens fødder og underlaget er en almindelig årsag til statisk excentricitet. Hvis motorens fødder ikke er i samme plan som den base, motoren er monteret på, kan tilspændingen af fastholdelsesboltene på motorrammen få motorrammen til at forvrænge, hvilket også vil forvrænge statorfeltet. Disse forvrængninger skaber de samme forhold, som hvis rotoren ikke var centreret i statorens magnetfelt.

Disse luftspalter kan skabe snævre spillerum og ubalancerede magnetiske kræfter, der kan føre til hyppige lejesvigt og revner eller brud i rotorstængerne.

Revnede eller knækkede rotorstænger

Rotorstænger fungerer som ledere i rotorens elektriske kredsløb. Hvis rotorstængerne er revnede eller knækkede, vil der opstå døde punkter på rotoren, når de berørte stænger er under et af magnetfeltets statorpoler, der roterer omkring statorkernen. Strømmen moduleres gennem rotoren med en frekvens, der er lig med antallet af poler i motoren og frekvensen af den strøm, der flyder gennem rotoren. Brækkede eller revnede rotorstænger forhindrer rotoren i at opnå normal hastighed eller skaber overstrøm, varme og maskinvibrationer. Hvis der ikke rettes op på det, kan rotoren til sidst ødelægge sig selv.

Hvad indebærer analyse af motorkredsløb™?

For at vurdere disse rotorfejl og manglerne ved traditionel testning kan vi bruge mere omfattende Analyse af motorkredsløb™ strategier til at teste en trefaset vekselstrømsmotor.

Isolering af jordvægge

Jordisolering er enhver isolering, der adskiller den elektriske strøm, der leveres til motoren og rammen eller enhver anden udsat del af motoren. Dens formål er at styre strømmens vej og forhindre den i at gå andre steder hen end det tilsigtede sted. Husk, at IRG-målinger bekræfter, at det er sikkert at sætte strøm til en motor, ikke dens tilstand. DF- og CTG-målinger giver mere information om den overordnede GWI-tilstand.

GWI-systemet kan modelleres som et serieparallelt RC-kredsløb. GWI-isoleringen danner en kondensator, da det er et dielektrisk materiale placeret mellem ledende materialer. Kondensatoren lagrer en elektrisk ladning, så noget af den vekselstrøm, der tilføres en kondensator, vender tilbage til kilden, når du fjerner spændingen. Noget flyder dog på tværs af dielektrikummet. Den strøm, der vender tilbage til kilden, er kapacitiv, mens den strøm, der løber over det dielektriske materiale, er resistiv. Når du lægger vekselspænding på kondensatoren, leder den kapacitive strøm spændingen 90 grader, mens den strøm, der løber over dielektrikummet, er resistiv og i fase med vekselspændingen.

Ny, ren isolering har en resistiv strøm, der er 3 til 5% af den kapacitive strøm. Hvis det isolerende materiale nedbrydes, stiger den resistive strøm, eller den kapacitive strøm falder, eller begge dele sker. Under alle omstændigheder påvirker det forholdet mellem den resistive strøm og den kapacitive strøm – DF. En stigende DF indikerer en forringet GWI, hvilket kan skyldes termisk nedbrydning eller forurening.

Nye, rene motorer har også en specifik CTG-værdi. Hvis nutidsværdien af CTG er steget i forhold til baseline, skyldes det normalt forurenet isolering eller vandindtrængning. Termisk nedbrydning af GWI-isolering øger den resistive strøm og reducerer den kapacitive strøm, så CTG-værdien falder. Ved at kombinere disse to AC-målinger med IRG-målinger får man flere oplysninger til at bestemme GWI’ens overordnede tilstand.

Test af statisk statorvikling

Test af statorviklinger kan være statiske eller dynamiske. Statiske tests udføres, når rotoren står stille, og omfatter følgende.

• Modstand i viklingen: For at måle viklingsmodstanden kan du sekventielt tilføre en jævnspænding til to af de tre motorledninger for at vurdere modstanden i de ledere, der er forbundet mellem instrumentledningerne. Ubalancer i forbindelse med viklingsmodstand skyldes normalt løse eller højmodstandsforbindelser.
• Induktans (L): Induktans måler en spoles eller viklings evne til at lagre et magnetfelt. Motorer har både selvinduktans og gensidig induktans. Nedbrydning af en spoles isolering påvirker selvinduktansen, og enhver ændring i rotorens elektriske kredsløb påvirker den gensidige induktans. Induktansubalance kommer ofte fra rotorens position. Rotorpositionen er ikke et problem, men en naturligt forekommende tilstand i forbindelse med induktionsmotorer. AC-induktionsmotorer kan støbes som en transformer med en roterende sekundær. Statorviklingerne fungerer som primærspolen, og rotorstængerne er sekundærspolen. I en statisk tilstand bestemmer antallet af rotorstænger, der er placeret direkte under de spoler, der testes, forholdet mellem primær- og sekundærspolen. Dette etablerer den gensidige induktans mellem rotor og stator. Hvis antallet af rotorstænger under hver fase ikke er det samme på grund af rotorens position, vil det skabe en ubalanceret induktans mellem faserne.
• Impedans (Z): Impedans er den samlede modstand mod strømgennemgang i et vekselstrømskredsløb. Mens modstand kun måler jævnstrømsmodstand, påvirker induktans og kapacitans i kredsløbet impedansen. Disse størrelser ændrer sig, når isoleringen omkring de ledere, der danner spolerne i viklingerne, begynder at ændre sig. Da Z er en skaleringsværdi, kan den overse små ændringer i de tidlige stadier af nedbrydningen af isoleringen.
• Fasevinkel (Fi): Fasevinklen måler tidsforsinkelsen mellem to eller flere hændelser inden for den samme periode. En komplet cyklus er 360 grader. Hvis det tager et sekund at gennemføre en cyklus (cyklussens periode), og den ene begivenhed er et halvt sekund forsinket i forhold til den anden (en halv cyklus eller 180 grader), er Fi 180 grader. Frekvens er det omvendte af tid (1/T), så alle begivenheder med samme periode forekommer med samme frekvens. Hvis cyklusserne ikke starter samtidig, vil den ene være foran eller bagud. Resistive, induktive og kapacitive kredsløb vil variere i, hvordan strøm og spænding fører eller halter efter hinanden. Så når den kemiske sammensætning af isoleringen omkring de ledere, der udgør spolerne, begynder at ændre sig, vil Fi ændre sig før Z, L, R eller C. Fi-målingen er en ledende indikator for isolationsnedbrydning.
• Strømfrekvensrespons (I/F): Induktorer lagrer magnetfelter for at modvirke en ændring i strømmen, mens kondensatorer lagrer elektriske ladninger for at modvirke en ændring i spændingen. Hvis disse egenskaber ændres, ændres også spolens eller viklingens evne til at lagre en ladning eller et magnetfelt. Isolering omgiver lederne i faseviklingernes spoler. Hvis isoleringen omkring alle spolerne er i samme stand, har hver fase samme lagringsevne. Når isoleringen begynder at blive nedbrudt, ændres denne evne, hvilket skaber en ubalance i fasespolernes evne til at lagre et magnetfelt eller en elektrisk ladning. I/F-responsen måler en spoles evne til at lagre et magnetfelt eller en elektrisk ladning. Ubalancer på over 2% af I/F på en spole i forhold til gennemsnittet af alle faser indikerer en fejl under udvikling i viklingen.

MCA™ er en velafprøvet teknologi, der har været brugt med succes i marken i over 35 år. MCA™ har dokumenterede retningslinjer for identifikation af viklings- og rotorfejl under udvikling. For almindelige praktikere kan disse retningslinjer være udfordrende at huske og anvende. Så på opfordring fra nogle brugere udviklede ALL-TEST Pros ingeniører en unik og patenteret løsning. De udviklede en proprietær algoritme, der kombinerer alle MCA™-målinger og definerer viklings- og rotorsystemets tilstand. Det giver en enkelt værdi, testværdien statisk. TVS™ evaluerer ikke isoleringens eller rotorsystemets egnethed, men afspejler tilstanden af motorens viklings- og rotorelektriske systemer. Motorer er ikke selvhelbredende, så enhver ændring i TVS™ indikerer, at motorens tilstand forværres.

Den statiske referenceværdi er normalt den første TVS™, der udføres på en motor, og er specificeret som reference- eller “baseline”-værdien. Dette gør det muligt for instrumentet at sammenligne resultaterne af enhver aktuel “statisk test” med den lagrede RVS for at evaluere motorens tilstand. RVS er en TVS™, der er gemt i instrumentet eller MCA™-softwaren som en reference til sammenligninger. Hvis TVS™ ændrer sig med mere end 3% i forhold til den oprindelige værdi, er det en tidlig advarsel. Over 5% indikerer en alvorlig ændring.

Nye eller ombyggede motorer skal have resultaterne af den første “statiske test” gemt som RVS.

Når en motor installeres første gang i et system, udføres en ny statisk test fra et let tilgængeligt sted som motorens kontrolcenter eller en lokal afbryder, og resultaterne gemmes som en ny RVS. Denne nye RVS indeholder alle elektriske komponenter i motorstyringen og den tilhørende kabling. Ved at udføre eventuelle efterfølgende statiske tests fra dette sted kan man hurtigt vurdere det elektriske kredsløbs tilstand.

Hvis en ny TVS™ adskiller sig fra RVS med mindre end 3%, har motorens og de tilhørende komponenters tilstand ikke ændret sig. En advarsel efter 3 eller 5% indikerer henholdsvis en fejl under udvikling eller en alvorlig ændring. Forandringen er ikke nødvendigvis sket i motoren, men et eller andet sted i systemet. For at isolere fejlen skal der udføres en ny statisk test direkte på motoren. Hvis denne TVS™ fra motoren ligger inden for 3% af RVS for motoren, er fejlen i controlleren eller de tilhørende kabler. Hvis den er større end 3%, ligger fejlen i motorviklingerne eller rotorsystemet.

For at afgøre, om fejlen ligger i statoren eller rotoren, skal du udføre en dynamisk test.

Dynamiske tests

Dynamiske tests finder sted, mens motorakslen roterer jævnt og langsomt manuelt. De skaber en statorsignatur og en rotorsignatur.

• Stator-signatur: Statorsignaturen viser middelværdierne for ændringen i impedans, når rotorstængerne bevæger sig gennem det magnetfelt, der skabes af strømførende spoler. På gode motorer er fordelingen af middelværdier mindre end 1,1% fra andre faser. Hvis den er højere, indikerer det, at der er en fejl under udvikling i isoleringen omkring de ledere, der udgør spolerne i faserne. Hvis værdierne overstiger en ændring på 3%, sker der en alvorlig nedbrydning af isoleringen.
• Rotorsignatur: Rotorsignaturen angiver, hvor meget hver top afviger fra middelværdien. På gode rotorer er disse toppe symmetriske. De skal variere med mindre end 10% fra andre toppe i fasen. Mellem 10% og 15% indikerer en tidlig advarsel, og variation over 15% indikerer en dårlig rotor.

Hvorfor er MCA™ så nyttig?

Desværre har manglende viden om MCA’s™ moderne, feltafprøvede motoriske testmuligheder begrænset metodens udbredelse. Traditionelle tilgange har en begrænset evne til at analysere trefasede vekselstrømsinduktionsmotorer grundigt. Der findes andre tidskrævende metoder, men de fokuserer stadig på GWI, som ikke giver nogen indikation af de mere almindelige problemer med viklingsisolering og rotor.

Der findes dyrere instrumenter, som tager længere tid at teste, men som ikke kan afgøre tilstanden af motorens rotor eller isoleringssystem.

MCA™ løser disse problemer med en brugervenlig og forståelig metode til test af spændingsfri motorer. Den giver detaljerede, gennemprøvede og præcise vurderinger af disse trefasede vekselstrømsmotorer. Vores MCA™-instrumenter, som f.eks.
ALL-TEST PRO 7
™ og
ALL-TEST PRO 34
™, er håndholdte, batteridrevne værktøjer, der tilbyder trinvise instruktioner til udførelse af testene. De giver også en øjeblikkelig vurdering af den motoriske tilstand på skærmen.

Bedre, nemmere og hurtigere motortest med MCA™ kan give fordele som disse.

• Øget nøjagtighed og succes ved fejlfinding: Mange motorer har mindre fejl, som ofte kan repareres, men brugerne kasserer dem på grund af de ekstra testomkostninger. Nogle anlæg udskifter besværlige motorer over en forudbestemt størrelse. Ved nøjagtigt at identificere fejlen kan disse brugere udføre bedre omkostnings-/reparationsanalyser for at reducere antallet af udskiftninger og minimere omkostningerne forbundet med reparationer, nedetid og omdirigeret faglært arbejdskraft.
• Mere pålidelige installationer: Ved at inspicere nye og ombyggede motorer sikrer et anlæg, at de får, hvad de betaler for. Du kan undgå at installere defekte motorer eller spilde motorer, der stadig er i god stand og nemme at reparere.
• Reduceret nedetid: Test af motorer for tegn på nedbrydning kan hjælpe dig med at udskifte mistænkte eller svage motorer under et planlagt driftsstop, i stedet for at lade pludselige fejl stoppe driften og reducere din oppetid.

ALL-TEST Pro’s MCA™-udstyr

Begynd at bruge MCA™ og ALL-TEST Pro’s unikke TVS™ og RVS værdier med vores trefasede motortestprodukter. Vi tilbyder en række testapparater, og vores kyndige team hjælper dig gerne med at finde det rigtige til din virksomhed.
Udforsk vores udstyr online
eller
kontakt os
med eventuelle spørgsmål.