Motorstromsignaturanalyse (MCSA) Anwendungen

Die Motordiagnose-Technologien haben sich in den 1990er Jahren und zu Beginn des neuen Jahrhunderts weiter durchgesetzt. Die Technologien umfassen sowohl die Motorstromkreisanalyse (MCA) als auch die Motorstromsignaturanalyse (MCSA), die sowohl bei stromführenden als auch bei stromlosen Elektromotorsystemen angewendet werden. Die Anwendungsmöglichkeiten scheinen schier endlos zu sein.

Die Systeme, die in diesem Beitrag vorgestellt werden, sind der ALLTEST IV PRO 2000 Motorstromkreisanalysator, der ALL-TEST PRO OL Motorstromsignaturanalysator, die EMCAT Motormanagementsoftware, die Power System Manager Software und die ATPOL MCSA Software. Das ALL-TEST PRO MD-Kit umfasst die Integration all dieser Systeme sowie die MotorMaster Plus-Software des US-Energieministeriums. Der Zweck dieses Papiers ist es, die MCSA-Anwendung des ALL-TEST PRO MD-Systems hervorzuheben, das Folgendes leistet:

  • MCA-Messungen von Widerstand, Impedanz, Induktivität, Phasenwinkel, Strom/Frequenzgang und Isolation gegen Erde (MegOhm).
  • MCSA-Fähigkeiten der Spannungs- und Stromdemodulation, einschließlich FFT-Analyse bis 5 kHz.
  • Automatisierte Analyse- und Trendentwicklungsfunktionen für MCA und MCSA durch Software.
  • Vollständige Datenerfassung und -analyse der Netzqualität, einschließlich der sofortigen Erfassung dreiphasiger Ereignisse.

Die Beispiele in diesem Papier zeigen viele der möglichen Anwendungen, die durch den Einsatz von Motordiagnosetechnologien möglich sind.

 

Rotorstabprüfung

Der Hauptzweck der ursprünglichen Entwicklung der MCSA-Technologie war die Erkennung von Rotorstabfehlern. Rotorstäbe sind mit herkömmlichen Prüfmethoden, einschließlich der Schwingungsanalyse, schwer zu beurteilen. Es wurde festgestellt, dass eine Methode zur Bewertung des Zustands der Rotorstäbe mit Hilfe von Strom verwendet werden kann. Die Grundregel ist einfach: Polpassfrequenz-Seitenbänder um die Netzgrundfrequenz, wenn der Motor unter Last steht, weisen auf Probleme mit dem Rotor hin. Als Standardregel wurde festgelegt, dass Rotorstabprobleme ernst zu nehmen sind, wenn die Seitenbandspitzen bis auf 35 dB an die Spitzen der Netzfrequenz heranreichen.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 1: Frequenzen der Rotorstäbe

Das Beispiel in Abbildung 1 zeigt Seitenbänder bei etwa -40 dB von der Spitzenfrequenz der Leitung. Dies deutet auf mindestens einen gebrochenen Rotorstab in diesem 500 PS, 4160 Volt Motor eines Kompressors hin.

Abbildung 2 ist ein Beispiel für eine von zwei möglichen
Szenarien:

  • Gusshohlräume in einem Aluminiumrotor.
  • Weicher Zahn (oder weiche Zähne) in einer verzahnten Anwendung.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 2: Gusslücke oder “weicher” Zahnradzahn

Mit Hilfe von demodulierten Spannungs- und Strom-FFTs mit höherer Frequenz können Probleme wie dynamische und statische Exzentrizität, lose Rotorstäbe und andere rotorbezogene Fehler erkannt werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 3: Rotorreibung bei Nulllast

Die Daten in Abbildung 3 beziehen sich auf eine 7,5-PS-Tauchpumpe mit 1800 U/min, die trocken und ohne Last getestet wurde. Der Rotor rieb leicht am Statorkern, was als statische und dynamische Exzentrizität mit mehreren Stromspitzen identifiziert wurde (siehe Abbildung).

Prüfung von Induktionsmotoren

Ein- und dreiphasige Motoren können mit einer Kombination aus demodulierter Spannung und Strom bewertet werden. Eine besondere Regel und Stärke einer
Kombination von Spannung und Strom: Zeigen sich die Spitzen in Spannung und Strom, ist der Fehler elektrischer Natur, zeigt sich die Spitze im Strom, aber nicht in der Spannung, ist das Problem mechanischer Natur. Ein weiterer Vorteil der Auswertung von Systemen mit MCSA ist die Erkennung von Stromversorgungs- und Lastfehlern.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 4: Mechanische Störung des Stators

Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, werden im Strom Spitzenwerte erkannt, die jedoch in der Spannungs-FFT nicht angezeigt werden. Dies zeigt an, dass mechanische Fehler vorliegen. Da sie sich auf die Laufgeschwindigkeit und die Anzahl der Statorschlitze beziehen, handelt es sich um einen mechanischen Fehler, der mit den Wicklungen zusammenhängt. Es gibt mehrere andere reine Stromspitzen, die auf lastbedingte Fehler hindeuten, in diesem Fall höchstwahrscheinlich auf ein Getriebeproblem (beachten Sie, dass dies die Hochfrequenzdaten zu Abbildung 2 sind).

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 5: Mechanische Unwucht

Der in Abbildung 5 gezeigte Motor hatte eine mechanische Unwucht. Die Signatur zeigt sich als ein Muster aus doppelter Zeilenfrequenz (LF), vierfacher Zeilenfrequenz und doppelter Zeilenfrequenz. In diesem Fall werden Rotorstäbe mal Laufgeschwindigkeit mit NF-Seitenbändern, dann erscheint das restliche Muster.

DC-Motorprüfung

Gleichstrommotoren werden auf ähnliche Weise wie Vibrationen bewertet. In der Tat sind die Signaturen in Vibration dieselben wie in MCSA. Die Gleichspannung und der Strom werden aus dem Ankerkreislauf entnommen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 6: Fehler im DC-Antrieb

Im Fall von Abbildung 6 deuten mehrere Oberschwingungen der Netzfrequenz plus mehrere Oberschwingungen der Anzahl der Leistungselektroniken (SCRs) mal Netzfrequenz (in diesem Fall 360 Hz) auf einen SCR-Fehler oder einen Wackelkontakt hin. Dies lässt sich bestätigen, wenn man die Spannungs- und Frequenzwelligkeit der Niederfrequenzdaten betrachtet.

Prüfung von Synchrongeneratoren

Auch Synchrongeneratoren lassen sich schnell und einfach mit spannungs- und stromdemoduliertem Strom auswerten. Im folgenden Beispiel wurde ein Generator wegen zu hoher Temperatur ausgelöst. Zur Bewertung des Systems wurden sowohl MCA als auch MCSA verwendet.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 7: MCSA-Daten am Synchrongenerator (niedrige Frequenz)

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 8: Dynamische Exzentrizität des Generators

 

Der getestete Generator zeigte während eines 40-minütigen Testlaufs einen Anstieg der Exzentrizität, Drehfeldfehler und einige elektrische Fehlersignaturen. Diese Informationen wurden mit MCA-Daten gekoppelt, die auf einen Wicklungskurzschluss, einen Kabelkurzschluss und einen erheblichen Abfall des Isolationswiderstands über die kurze Teillaststrecke hinwiesen. Bei dem Generator handelte es sich um einen 475-kW- und 480-Vac-Generator, der drei parallele Kabel pro Phase erforderte. Es gibt eine Reihe von Optionen mit dem ATPOL-System für größere Kabel. Notgedrungen wurde jedoch jeweils eines der drei Kabel jeder Phase verwendet, so dass die Stromwerte etwa 1/3 betrugen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 9: Stromanschluss für die Lichtmaschine

Antriebe mit variabler Frequenz

Antriebe mit variabler Frequenz stellen eine Herausforderung für eine Reihe von MCSA-Systemen dar. Im Falle des ATPOL stellt dies jedoch kein Problem dar. Die Ausgangsspannungs- und -stromsignale können angezeigt werden (Abbildung 10).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 10: VFD-Spannungs- und Stromwellenformen (0,05-Sekunden-Erfassung)

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 11: VFD-Niederfrequenzdaten

Abbildung 11, die Niederfrequenzdaten (<120 Hz) für dasselbe System wie in Abbildung 10, zeigt, dass die Ausgangsnetzfrequenz des Umrichters 43 Hz beträgt und die Betriebsdrehzahl des Motors mit 3600 U/min 2570 U/min beträgt.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 12: VFD-Hochfrequenzdaten

Wie in Abbildung 12 zu sehen ist, weisen starke Spannungs- und Stromspitzen auf Fehler im Motorsystem hin. Ein Teil des zusätzlichen Rauschens ist ausschließlich auf die Spannungs- und Stromwellenformen zurückzuführen, die vom VFD kommen. Die Software platziert jedoch automatisch Cursors zu verschiedenen Fehlern in den Wellenformen.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 13: Spezielle Analyse in Spitzenwerten

Abbildung 13 zeigt die gleichen Daten, jedoch mit den angegebenen Spitzenspannungen und -strömen. Die Ströme mit höherer Frequenz deuten auf Probleme im Zusammenhang mit den Spannungsoberschwingungen hin, die in der unteren Wellenform zu sehen sind. Alle Daten zusammengenommen zeigen ein Problem mit der Eingangsspannung. Bei einem Test mit 46 Hz wurde das Problem deutlicher und wies auf einen möglichen Fehler im Versorgungssystem hin, der oberhalb von 45 Hz auftritt.

Die Lösung würde durch eine Filterung des VFD-Antriebsausgangs erleichtert werden.

Stanzpresse mit Motor und Wirbelstromantrieb

Das gesamte Motorsystem, einschließlich der angetriebenen Last, kann angezeigt werden.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 14: Belastungszyklus der Stanzpresse

Abbildung 14 zeigt den Stromzyklus über 10 Sekunden. Spitze A ist eine von drei Spitzen in diesem Zyklus, die sich auf den Stempel (unten) des Pressenhubs bezieht, während Punkt C mit dem oberen Ende des Hubs zusammenhängt. Punkt B deutet auf eine Art Reibungs- oder Greifproblem hin, als sich das System dem Höhepunkt des Hubes näherte. Die drei unteren Striche zeigen an, dass der Vorgang 18 Mal pro Minute stattfindet.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 15: Motorbedingte Netzfrequenz-Seitenbänder

In Abbildung 15 sind ein hohes Grundrauschen und viele Seitenbänder um die Spitzen-NF-Frequenz zu erkennen. Zusammen mit den Hochfrequenzdaten hilft dies dabei, die Richtung der Last zu bestimmen.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 16: Hochfrequenzdaten der Wirbelstromkupplung

Abbildung 16 zeigt, dass ein Anschluss- und/oder SCR-Fehler in der Versorgungsgleichspannung des Gleichrichters (sechs SCRs) vorliegt. Die Spitzenwerte in den hohen
Frequenzspektrums auch Fehler im Wirbelstromantrieb und in der Stanzmaschine selbst erkennen, höchstwahrscheinlich Lockerungen im System (die zugehörigen Signaturen zeigen erhöhte Geräuschpegel).

MCSA und Energieanwendungen

Zu den automatischen Berichts- und Datenerfassungsfunktionen des ATPOL-Systems gehört auch die Fähigkeit, mit der MotorMaster Plus-Software des US-Energieministeriums zusammenzuarbeiten.

Zusätzliche Funktionen wurden von ALL-TEST Pro, Dreisilker Elektromotoren und Pruftechnik für die Aufnahme in den MotorMaster Plus finanziert, um die Aufnahme von Motordiagnoseinformationen zur Analyse zu ermöglichen. Die Verwendung von MCA und MCSA ermöglicht es dem Benutzer, den Zustand eines Elektromotors zu bewerten und dann eine energiebezogene Entscheidung über die Reparatur oder den Austausch zu treffen, wobei die Rentabilität der Investition bestätigt werden kann.

So wurden beispielsweise bei einem 40-PS-Motor mit 1800 U/min, der mit MCSA getestet wurde, einige mechanische und elektrische Fehler festgestellt. Die Daten wurden in einen MotorMaster Plus-Bericht aufgenommen, und die Betriebsfrequenz wurde mit 91,5 % Effizienz bei 90 % Last ermittelt. Unter der Annahme von Energiekosten von 0,07 $/kWh und einem Bedarf von 14 $/kW und einem Betrieb von 2000 (1 Schicht) pro Jahr wurde ein effizienter Ersatz-Elektromotor mit einer einfachen Amortisation von 0,9 Jahren und einer Rendite von 866 % nach Steuern ermittelt.

Die Daten können auch vom Pump System Assessment Tool (PSAT) des US-Energieministeriums, von AirMaster und anderen Tools verwendet werden.

Motor-Diagnoseleistung – ALL-TEST PRO MD System

Die kombinierte Leistung von MCA und MCSA, die im ALL-TEST PRO MD Kit verfügbar ist, integriert durch das EMCAT Motor Management Software System, ermöglicht die
Benutzer, um Folgendes durchzuführen:

  • Automatisierte Analyse von MCA- und MCSA-Daten.
  • Amortisationsberechnung über die Softwaresysteme Power System Manager und MotorMaster Plus.
  • Inbetriebnahme von elektrischen Maschinen
  • Fehlersuche an elektrischen Maschinen
  • Entwicklung von elektrischen Maschinen
  • Ursachenanalyse von elektrischen Maschinen
  • Vollständige Systemübersicht über den elektrischen und mechanischen Zustand
  • Bewertung von AC/DC-Systemen, Lasten durch Systeme mit “weicher Kopplung” (z. B. Wirbelstromantriebe)
  • Energiestudien und -erhebungen.
  • Unterstützt andere Diagnosetechniken wie Vibration, Infrarot und mehr.

Und das alles über ein einfaches Motordiagnosesystem. Die Daten können mit den tragbaren Datensammlern oder mit der Fernbedienungsfunktion über einen Computer oder Laptop erfasst werden (das System kann über einen Computerbildschirm ferngesteuert werden).

Schlussfolgerung

Der Zweck dieses ALL-TEST Pro-Whitepapers war es, die MCSA-Fähigkeiten des ALL-TEST PRO MD-Motordiagnosesystems vorzustellen.
Die Möglichkeiten gehen, wie gezeigt, weit über die einfache Analyse von Induktionsmotoren hinaus und umfassen:

  • AC-Motoren und Wechselstromgeneratoren
  • Gleichstrommotoren und -generatoren
  • Einphasige und dreiphasige Systeme
  • Wirbelstrom-Antriebe
  • Antriebe mit variabler Frequenz
  • Qualität der eingehenden Energie
  • Angetriebene Last
  • Viel mehr

Die Möglichkeiten gehen weit über das hinaus, was in diesem Papier erwähnt wird.

In weiteren Beiträgen werden Möglichkeiten der Netzqualität, MCA, MCSA und der lastbezogenen Fehlererkennung aufgezeigt.