Prüfung eines Synchronmotors mit moderner Technologie

Um die Anwendung der Motorstromkreisprüfung und -analyse an Synchron-Elektromotoren (Synchronmaschinen) besser zu verstehen, ist es wichtig, einen kurzen Überblick über die Funktionsweise eines Synchronmotors, die häufigsten Fehler, gängige Prüfmethoden und die Funktionsweise des ALL-TEST IV PRO™ (
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) mit großen Synchronmotoren, die grundlegenden Schritte für die Analyse von Synchronstatoren und -rotoren und die erwarteten Prüfergebnisse (
Editor – ALL-TEST PRO 5™ ist der empfohlene Ersatz für das ATIV™
). In diesem Beitrag werden wir diese verschiedenen Aspekte erörtern und für weitere Einzelheiten auf andere Materialien verweisen.

Über Synchronmaschinen

Große Synchronmotoren haben zwei grundlegende Funktionen:

• Der erste ist die Verbesserung des elektrischen Leistungsfaktors in einer Anlage. In jeder Anlage mit großen induktiven Lasten, wie Motoren und Transformatoren, beginnt der Strom der Spannung hinterherzuhinken (schlechter Leistungsfaktor). Wenn dies stark genug ist, benötigt die Anlage deutlich mehr Strom, um die gleiche Arbeit zu verrichten. Dies kann zu einem Spannungsabfall und einer Überhitzung der elektrischen Komponenten führen. Ein Synchronmotor kann so eingesetzt werden, dass er den Leistungsfaktor wenig bis gar nicht beeinflusst, oder er kann so eingesetzt werden, dass der Strom die Spannung antreibt, um Leistungsfaktorprobleme zu korrigieren.
• Die zweite Betriebsart ist die Absorption pulsierender Lasten, wie z. B. bei Kolbenkompressoren. Sobald ein Synchronmotor die Synchrondrehzahl erreicht hat, werden die Spulen im Gleichschritt mit den rotierenden Magnetfeldern des Stators des Elektromotors “eingerastet”. Wenn ein Drehmomentimpuls auftritt (z. B. am Anfang des Hubes eines Hubkolbenverdichters), kann der Motor aus dem Gleichlauf mit den Drehfeldern geraten. In diesem Fall absorbiert eine spezielle Wicklung auf dem Rotor, die so genannte Amortisseur-Wicklung (siehe Synchronaufbau unten), die Energie des Drehmomentimpulses und hält den Rotor synchron.

Der grundsätzliche Aufbau eines Synchronmotors ist denkbar einfach. Es gibt drei Sätze von Wicklungen, einen Stator, einen Rotor, Lager und entweder einen Generator (bürstenlos) oder einen “statischen Erreger” (bürstenartig).

Die Wicklungen bestehen aus:

• Eine Standard-Drehstromwicklung, die einem Standard-Induktions-Elektromotor sehr ähnlich ist
• Eine Reihe von Erregerspulen, d. h. Gleichstromspulen aus Runddraht für kleine Maschinen und Rechteck- oder Banddraht für größere Maschinen
• Eine Amortisatorwicklung, die dem Käfigläufer eines Induktionsmotors ähnlich ist

Die Startmethoden für bürstenbehaftete und bürstenlose Synchronmotoren sind ähnlich. Die Startstrecke wird für beide unterschiedlich sein. Im Folgenden wird die grundlegende Funktionsweise beschrieben, gefolgt von einer kurzen Beschreibung der Unterschiede:

Während der Anlaufphase eines Synchronmotors verhält er sich ähnlich wie ein Standard-Asynchronmotor. Der Stator erhält einen elektrischen Strom und es entsteht ein rotierendes Magnetfeld (die Geschwindigkeit = (120 * angelegte Frequenz) / Anzahl der Pole). Dieses Feld erzeugt einen Strom in der Amortisatorwicklung, der zur Entwicklung des Anfahrdrehmoments verwendet wird, indem er sein eigenes Magnetfeld erzeugt, das mit dem Statormagnetfeld im Luftspalt interagiert und den Rotor dazu bringt, den Statormagnetfeldern zu folgen. Wenn der Rotor beginnt, sich den Statorfeldern anzunähern, wird Gleichstrom in die Rotorfeldspulen eingespeist, wodurch magnetische Nord- und Südpaare entstehen (Rotorspulen sind immer paarweise vorhanden). Diese synchronisieren sich mit den Statormagnetfeldern und folgen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Statorfelder, während ein normaler Induktionsmotor immer hinterherhinkt.

Bei einer Bürstenmaschine stammt die Gleichstromquelle für die Rotorfelder in der Regel von einem “statischen” (elektronischen) Anlasser, der die zugeführte Wechselstromenergie in Gleichstrom umwandelt. In den meisten Fällen wird der Ausgangsgleichstrom während des Einschaltvorgangs variiert. Der Antrieb kann auch so eingestellt werden, dass die Feldspulen der Maschine kurzgeschlossen werden, um eine Sättigung des Rotors und die daraus resultierenden extrem hohen Ströme im Stator zu vermeiden. Sobald sich der Rotor zu drehen beginnt, wird der Motor mit Gleichstrom versorgt, um sein Drehmoment zu erhöhen. Die Gleichspannung wird über ein Paar von Schleifringen und Bürsten zugeführt.

Bei einer bürstenlosen Maschine ist ein Gleichstromgenerator direkt auf der Welle des Synchronmotors installiert. Wenn der Synchronmotor anläuft, liefert der Generator über seinen Kommutator nur sehr wenig Gleichstrom. Mit zunehmender Drehzahl steigt auch die Gleichspannung, so dass der Motor ein Drehmoment erzeugt und dann bei Synchrondrehzahl einrastet. Bei diesem Maschinentyp ist der Generator direkt mit den Läuferfeldern verdrahtet.

Es gibt auch Maschinen, bei denen ein Generator auf der Welle des Rotors montiert ist, der eine separate Steuerung speist. Damit werden zunächst die Wicklungen kurzgeschlossen und dann die dem Rotor zugeführte Gleichstrommenge gesteuert, genau wie bei der Bürstenmaschine.

Die häufigsten Fehler bei Synchronmotoren

Große Synchronmotoren sind in der Regel gut konstruiert und robust. Sie sind oft überdimensioniert, um den hohen Belastungen standzuhalten. Die häufigsten Fehler bei industriellen Synchronmaschinen sind, in dieser Reihenfolge, folgende:

• Lager aufgrund von allgemeinem Verschleiß und Verschmutzung
• Rotorfelder – aufgrund der hohen Temperaturen verbrennen diese oft von innen nach außen
• Amortisseur-Wicklungen – meist bei hin- und hergehenden Lasten. Aufgrund der absorbierten Energiemenge kommt es häufig zu Rissen in den Wickelstäben. Insbesondere, wenn die Rotorfelder anfangen zu versagen und kurz sind, was es dem Rotor erleichtert, aus dem Takt zu geraten.
• Statorwicklungen – allgemeine Abnutzung und Verschmutzung. Die Statorwicklungen von Synchronmaschinen sind in der Regel “formgewickelt” und stark isoliert.

Fast alle Wicklungsfehler, die in einem Synchronmotor auftreten, beginnen zwischen den Leitern der Rotor- oder Statorspulen.

Gemeinsame Testmethoden, Stärken und Schwächen

Im Folgenden werden die traditionellen Prüfverfahren zur Bewertung des Zustands eines Synchronmotors beschrieben:

• Prüfung des Isolationswiderstands: Mit Hilfe von angelegten Gleichspannungen gemäß IEEE 43-2000 wird ein Potenzial zwischen den Statorwicklungen und der Erde angelegt. Dabei werden nur direkte Fehler zwischen den Statorwicklungen und dem Statorgehäuse gemessen. Wird auch durch die Schleifringe auf einer Bürstenmaschine durchgeführt.
• Polarisationsindex: Dies ist ein 10-Minuten-zu-1-Minuten-Verhältnis des Isolationswiderstands. Dies wurde traditionell als Methode zur Messung des Zustands der Isolierung zwischen den Statorwicklungen und dem Rahmen verwendet. Wie bei der Isolationswiderstandsprüfung kann diese auch durch die Schleifringe auf einer Bürstenmaschine durchgeführt werden. Wie in IEEE 43-2000 angegeben, ist diese Prüfmethode nur für Isoliersysteme aus der Zeit vor 1970 wirklich gültig.
• Hochspannungsprüfung: Am häufigsten wird bei großen Maschinen eine Gleichstrom-Hochspannungsprüfung durchgeführt, die mit dem doppelten Wert der Motortypenschildspannung plus 1000 Volt mal der Quadratwurzel aus 3 erfolgt. Bei einem bestehenden Isoliersystem wird dieser Wert häufig auf 75 % der möglichen Spannung reduziert. Diese Prüfung beansprucht das Isolationssystem stark und ist potenziell schädlich (gemäß IEEE-Standards 388 und 389). Diese Art von Test sollte NIEMALS an den Rotorwicklungen eines Synchronmotors durchgeführt werden.
• Überspannungs-Vergleichsprüfung: Bewertet den Zustand des Stators von Windung zu Windung, indem die Wellenformen zweier Wicklungen bei einem schnellen Anstiegsimpuls mit der doppelten Spannung plus 1000 Volt verglichen werden. Wenn es korrigierbare Probleme gibt, wie z. B. verschmutzte Wicklungen, kann dieser Test die Motorwicklungen beschädigen.
• Teilentladungsprüfung: Hierbei handelt es sich um ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, bei dem Hochfrequenzen von Entladungen in Hohlräumen innerhalb des Isolationssystems der Motorwicklungen gemessen werden. Diese Funktion ist für die Überwachung von Maschinen mit einer Spannung von mehr als 6,6 kV geeignet und bietet nur eine kurze Warnung ab 4 kV. Es werden keine Rotorfehler erkannt.

• Motorstromsignatur-Analyse: Wurde für die Rotorprüfung von Induktionsmotoren entwickelt.
• Spannungsabfallprüfung: Erfordert, dass der Motor zerlegt wird. An die Rotorwicklungen wird eine Wechselspannung von 115 Volt angelegt, und der Spannungsabfall wird mit einem Voltmeter über jeder Spule gemessen. Bei einem Kurzschluss schwankt der Spannungsabfall um mehr als 3 %.

In der obigen Liste sind keine Geräte für die mechanische Prüfung von Synchronmotoren aufgeführt.

Über das ALL-TEST Pro Instrument

Der ALL-TEST IV PRO™ (
Herausgeber – ALL-TEST PRO 5™ ist der empfohlene Ersatz für den ATIV™)
ist ein einfaches elektronisches Instrument, das ähnlich wie ein Multimeter funktioniert, mit dem Unterschied, dass es eine Reihe von Messwerten liefert, die die Wechselstromparameter des Motorstromkreises umfassen. Es handelt sich um einen Datensammler und Tester, der ein Niederspannungs-Gleichstromsignal für einfache Widerstandsprüfungen (wie ein Milli-Ohm-Meter) und ein Niederspannungs-Hochfrequenz-Wechselstromsignal für Wechselstrom-Messungen sendet. Das Gerät misst und berechnet dann die Testergebnisse in technischen Einheiten für Widerstand, Impedanz, Induktivität, Phasenwinkel, Strom/Frequenzgang und einen Isolationswiderstandstest gegen Erde.

Die Hauptunterschiede zwischen der elektronischen Prüfung von Stromversorgungsgeräten und den traditionellen Stromversorgungsmethoden sind:

• Ein vollständigeres Bild des Motorstromkreises, einschließlich der Einflüsse von Änderungen des Zustands der Isolierung der Rotorfeldspule.
• Ein Gerät für eine große Bandbreite an Gerätegrößen. Der Test ist nur auf den einfachen Widerstandsbereich des Geräts beschränkt (0,010 Ohm bis 999 Ohm).
• Nicht zerstörerisch – es wird keine schädliche Spannung angelegt.
• Leichtere Datenauswertung – Einige einfache Regeln für die Datenauswertung (siehe Datenauswertung unten).
• Handgehaltene Geräte im Vergleich zu solchen, die von 40 bis weit über 100 Pfund wiegen können.
• Interne Stromquelle für das Gerät.

Wenn ein Isoliersystem altert oder wenn das Isoliersystem verunreinigt ist und die Integrität der Isolierung beeinträchtigt wird, verändert sich der Stromkreis des Motors. Da der Rotor ein integraler Bestandteil des Stromkreises ist, spiegeln sich Veränderungen der elektrischen Integrität des Rotorkreises und des Isolationssystems auch direkt in den Statorwicklungen wider. Dies ermöglicht sowohl eine sofortige Fehlersuche als auch eine langfristige Trendbestimmung des Motors.

Einzigartige Testinformationen ermöglichen es den ALL-TEST Pro Instrumenten, genügend Parameter des Isolationssystems zu sehen, um es zu erkennen und zu isolieren:

• Kurzschluss der Statorwicklungen
• Kurzgeschlossene Rotorfelder
• Gebrochene Amortisatoraufzugsstangen
• Exzentrizität des Luftspalts
• Verschmutzung der Wicklungen (Rotor und Stator)
• Fehler in der Erdisolierung

Grundlegende Schritte für die Analyse von Synchronmaschinen mit ALL-TEST Pro-Geräten

Die Schritte zur Prüfung von Synchronmaschinen ähneln denen zur Bewertung des Zustands von Standard-Asynchronmotoren. Da sich jedoch Feldspulen auf dem Motorrotor befinden, sind bei der Fehlersuche ein paar zusätzliche Schritte erforderlich.

Bei der Prüfung einer Synchronmaschine von der Motorsteuerungszentrale oder vom Anlasser aus:

• Schalten Sie das Gerät stromlos. Stellen Sie sicher, dass auch die sekundären Stromquellen stromlos sind.
• Führen Sie die standardmäßigen ALL-TEST IV PRO™ (jetzt AT5™) Tests am Stator durch und folgen Sie dabei den Menüanweisungen des Geräts.
• Bewerten Sie die Testergebnisse (siehe Erwartete Testergebnisse)
• Wenn ein Fehler angezeigt wird, beginnen Sie mit der Fehlersuche:
• Passen Sie die Position des Rotors so weit wie möglich an, bis zu 45 Grad (wenn der Rotor schwer zu drehen ist, genügt jede Bewegung, aber nicht weniger als 5 Grad)
• Führen Sie die Tests erneut durch und überprüfen Sie die Messwerte. Hat sich der Fehler verschoben oder um mehr als eine Ziffer verändert, liegt der Fehler höchstwahrscheinlich im Rotor.
• Bleibt der Fehler bestehen (ändert sich nicht mit der Rotorposition), trennen Sie die Leitungen am Motorklemmenkasten und führen Sie den Test erneut durch. Wenn immer noch ein Fehler angezeigt wird, liegt er höchstwahrscheinlich im Stator, wenn nicht, liegt er höchstwahrscheinlich im Kabel.

Die durchschnittliche Testdauer beträgt, abgesehen von der Fehlersuche, etwa 3-5 Minuten.

Bei der Prüfung einer zerlegten Synchronmaschine ist zu beachten, dass die Messwerte ohne eingebauten Rotor sehr unterschiedlich sein werden:

• Führen Sie den ALL-TEST IV PRO™ Auto-Test durch (AT5
  Z/
  
  
  Testmodus) auf dem Stator und werten Sie die Testergebnisse aus. Dadurch werden eventuelle Störungen sofort angezeigt.
• Für den Rotortest:

• Führen Sie den Autotest durch und vergleichen Sie ihn mit einem früheren Messwert; oder,

• Führen Sie den Autotest durch und vergleichen Sie ihn mit einem “identischen” Rotor; oder,
• Führen Sie den Autotest an jeder Feldspule durch, anstatt einen Spannungsabfalltest durchzuführen.
• Alle Parameter für alle drei sollten die Bewertungsgrenzen einhalten.

Aufgrund der Art der Prüfung können diese Ergebnisse in einen Trend gesetzt und zwischen ähnlichen Maschinen verglichen werden.

Weitere Anwendungen für die Prüfung von Motorstromkreisen sind die Bewertung und Abnahme sowie die vorausschauende Wartung.

Erwartete Testergebnisse

Wie im letzten Abschnitt dieses Artikels erwähnt, sind die Testergebnisse ähnlich wie bei Drehstrommaschinen. Die Fehlermuster sind sehr einfach und gelten unabhängig von der Größe der Geräte innerhalb des Prüfbereichs der ALL-TEST Pro Instrumente. Nachfolgend finden Sie einen kurzen Überblick über die Testmessungen und ihre Ergebnisse für eine grundlegende Fehlersuche:

• Einfache Widerstandsmessungen: Diese sind ein Indikator für hochohmige Verbindungen, lose Verbindungen oder unterbrochene Leiter im Stromkreis. Dieser Test ist wichtig, vor allem, wenn das Widerstandsproblem an einer Stelle auftritt, da auf der Grundlage von I2R gibt ein Widerstandspunkt eine große Menge an Wärmeenergie (in Watt) ab. Ein 0,5-Ohm-Widerstand an einem Punkt in einem Stromkreis, der 100 Ampere Strom abnimmt, würde beispielsweise folgende Werte ergeben: (100Ampere2)(0,5 Ohm) = 5.000 Watt (5kW) an Energie. Das entspricht in etwa der Energie, die ein Elektromotor mit einer Leistung von 6 PS benötigt.
• Messung der Induktivität: Dies ist ein Indikator für die magnetische Stärke einer Spule und den Einfluss anderer Spulen auf eine Spule. Sie wird von der Anzahl der Windungen in einer Schaltung, den Abmessungen der Spulen und der Induktivität anderer Spulen beeinflusst. Diese Messung ist für sich genommen nur ein guter Indikator für den Zustand der Amortisatorwicklung und der Rotorexzentrizität. Die Induktivität zeigt nur dann einen Kurzschluss an, wenn dieser schwerwiegend ist.
• Impedanzmessung: Hierbei handelt es sich um die Messung des komplexen Widerstands im Stromkreis. Sie kann, ähnlich wie die Induktivität, zur Überprüfung der Amortisatorwicklung und des Rotorzustands verwendet werden. In Verbindung mit der Induktivität kann sie jedoch verwendet werden, um überhitzte Wicklungen und Verunreinigungen der Wicklungen schnell zu erkennen. Durch Betrachtung des Verhältnisses von Induktivität und Impedanz zwischen den einzelnen Phasen: Wenn die Induktivität und die Impedanz relativ parallel sind, liegt eine eventuelle Unausgewogenheit der Induktivität und der Impedanz in der Beziehung zwischen Rotor und Stator (Rotorposition); wenn sie nicht parallel sind, ist dies ein Hinweis auf ein Isolationsproblem, wie z. B. einen Isolationsdurchbruch oder eine Verschmutzung der Wicklung.
• Phasenwinkel und I/F (Strom/Frequenz): Dies sind beides Indikatoren für Isolationsfehler zwischen den Windungen im Stator oder Rotor.
• Isolationswiderstand: Bewertet die Isolierung gegen Erde und zeigt nur an, wenn die Isolierung ausgefallen ist.

Die in der “Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers” (Leitfaden für die Analyse elektronischer statischer Wicklungskreise von rotierenden Maschinen und Transformatoren) genannten Prüfgrenzwerte lauten wie folgt:

Tabelle 1: Prüfgrenzwerte (Spitze-Spitze-Werte)

*Kann diesen Wert überschreiten, wenn die Messungen parallel erfolgen.

Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die Regeln zur Fehlerbehebung:

• Kurzgeschlossene Wicklungen:

• Kurzgeschlossene Wicklungen können durch Betrachtung des Phasenwinkels und der I/F-Messwerte des Geräts an ähnlichen Spulen oder zwischen Phasen beurteilt werden:
• Phasenwinkel (Fi) – Der Phasenwinkel sollte innerhalb einer Ziffer des Durchschnittswerts liegen. Ein Wert von 77/75/76 wäre zum Beispiel gut, weil der Durchschnittswert bei 76 liegt. Ein Wert von 74/77/77 wäre schlecht.
• Aktueller Frequenzgang (I/F) – Der aktuelle Frequenzgang sollte innerhalb von 2 Ziffern des Durchschnittswerts liegen. Zum Beispiel wäre ein Wert von -44/-45/-46 gut. Ein Wert von -40/-44/-44 wäre schlecht. Ein Wert wie -42/-44/-44 sollte jedoch als verdächtig angesehen werden.

• Wicklungsverschmutzung und Rotorposition

• Die Position des Rotors im Elektromotor kann eine natürliche Phasenunwucht verursachen. Eine Verschmutzung der Wicklung führt ebenfalls zu Phasenunsymmetrien. Die Auswertung der Peilung kann zeigen, ob die Phasenunwucht vom Rotor oder von der Verschmutzung herrührt.

• Rotorposition – Unwuchten in der Rotorposition können bewertet werden, indem geprüft wird, ob die Induktivitäts- und Impedanzwerte einigermaßen ausgeglichen sind. Wenn zum Beispiel Induktivitäten von 17/18/19 und Impedanzen von 24/26/29 vorhanden sind, ist die Unwucht auf die Rotorposition zurückzuführen. Dies kann auch der Fall sein, wenn die Induktivitäten 5/5/5 und die Impedanzen 8/9/8 sind.
• Verschmutzung der Wicklungen – Dies kann auch bei überhitzten (verbrannten) Wicklungen vorkommen. Diese Bedingungen sind das Ergebnis von Veränderungen der Isolierung aufgrund des Zusammenbruchs des Isolationssystems.

Schlussfolgerung

Mit Hilfe einer Reihe einfacher Regeln und Anweisungen ist der ALL-TEST IV PRO™ (jetzt AT5™) ein hervorragendes Werkzeug für die Fehlersuche und Überwachung des Zustands von Synchronmaschinen. Die Prüfung wird mit einfachen, zerstörungsfreien Testmessungen durchgeführt, die einen vollständigeren Einblick in den Stator- und Rotorkreis des Motors ermöglichen als jede andere Prüfung. Die Testauswertung ist einfach und direkt, unabhängig von der Größe oder Art des Geräts.

Literaturverzeichnis

• Leitfaden für die elektronische Analyse statischer Wicklungskreise von rotierenden Maschinen und TransformatorenBJM Corp, Abteilung ALL-TEST, 2001.
• Penrose, Howard W. Analyse von Motorstromkreisen: Theorie, Anwendung und EnergieanalyseSUCCESS by DESIGN, 2001.