Verbesserungen in der Technologie der frequenzvariablen Antriebe (VFD) haben zu niedrigeren Kosten, höherer Zuverlässigkeit und vor allem zu einer verstärkten Nutzung geführt. Die meisten modernen VFD-Systeme verfügen über eine interne Diagnosefunktion, die bei Fehlern eine automatische Abschaltung bewirkt. Die Ursache für diese Fehler ist jedoch manchmal schwer zu finden und zu beheben. Die Prüfung von Motoren im stromlosen Zustand (MCA) und unter Spannung kann jedoch wertvolle Erkenntnisse liefern, um viele dieser Probleme schnell und einfach zu identifizieren. Dieser kurze Beitrag zeigt auf, wie diese beiden einfach durchzuführenden Motortestverfahren in die Fehlersuche bei VFDs integriert werden können.

Grundlegende Bedienung

Ein VFD gleichrichtet den eingehenden 3-Phasen-Wechselstrom, um einen Gleichstrombus zu erzeugen. Der DC-Zwischenkreis verwendet Kondensatoren zur Glättung des gleichgerichteten Gleichstroms, der in den Wechselrichterteil eingespeist wird. Im Umrichterbereich steuert der Controller mit Hilfe von Mikroprozessoren Halbleiterschalter, die die Gleichspannung in eine variable 3-Phasen-Wechselspannung und -frequenz für den Motor umwandeln. Durch die Steuerung der Zeitspanne, in der die Halbleiter (SCRs oder IGBTs) zünden, wird die Breite der Gleichstromimpulse moduliert, um eine simulierte dreiphasige Eingangsspannung mit variabler Spannung und Frequenz zu erzeugen. Die Frequenz der Eingangsspannung bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Magnetfeld um den Stator rotiert. Die Geschwindigkeit, bei der das Magnetfeld entsteht, wird als Synchrondrehzahl (SS) bezeichnet.

SS= 120 F/P

Wobei: F= Frequenz der Versorgungsspannung

P = Anzahl der Pole des Motors

Aufgrund der Schaltfunktion des Umrichterkreises können VFDs PQ-Probleme verursachen, indem sie Oberschwingungen in das elektrische System der Anlage einbringen. Darüber hinaus können VFDs auch empfindlich auf eingehende PQ-Probleme reagieren, was zu einer Abschaltung der VFDs führt. Viele VFDs verfügen über eine interne Elektronik, die die Ursache für die Abschaltung anzeigt. Diese allgemeinen Codes ordnen die Ursache des Fehlers einer Überspannung, einem Überstrom, einer Überlast, einer Spannungs- oder Stromunsymmetrie, einer Übertemperatur oder externen Fehlern zu. Diese Informationen sind wichtig, aber die eigentliche Frage ist, was den Fehlerzustand verursacht hat. Wird der Fehlerzustand durch den VFD verursacht oder vom VFD wahrgenommen?

Wenn der Fehler beim VFD auftritt, kann dies an der Stromzufuhr, an den Anschlüssen, an einem der vielen Motoren oder an der angetriebenen Maschine oder am Prozess selbst liegen. Wenn der Fehler durch den VFD verursacht wird. Es könnte die Folge eines Defekts oder einer fehlerhaften elektronischen Komponente sein. Zu den häufigsten Fehlern gehören Dioden im Gleichrichterteil, Kondensatoren im Zwischenkreis oder der Ausfall eines Halbleiters im Wechselrichterteil.

Testen von stromlosen Motoren: Motor-Schaltkreis-Analyse™ (MCA™)

Motor-Schaltkreis-Analyse™ (MCA™)
ist ein Motorprüfverfahren, bei dem eine Reihe von Niederspannungs-Wechsel- und Gleichstromsignalen in die Motorwicklungen eingespeist wird, um das gesamte Motorsystem im stromlosen Zustand gründlich zu prüfen. MCA-Motortests können direkt am Motor oder ferngesteuert über den Ausgang des VFD durchgeführt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen stromlosen Motortests, bei denen Probleme mit dem Rotor oder ein Ausfall der Wicklungsisolierung nicht erkannt werden. MCA-Prüfungen liefern frühzeitige Hinweise auf sich entwickelnde Fehler nicht nur im Isoliersystem der Erdungswand, sondern auch in der Isolierung der Leiter, die zur Herstellung der Spulen im Stator verwendet werden, sowie auf bestehende oder sich entwickelnde Fehler im elektrischen Teil der Rotoren. MCA kann Fehler in den frühesten Stadien identifizieren, aber auch schnell den Motor als “gut” bestätigen, wodurch der Motor als Ursache für die VFD-Auslösung schnell ausgeschlossen werden kann. Bei der Durchführung des 3-Minuten-Tests am Ausgang des VFD zeigt ein “gutes” Ergebnis nicht nur an, dass der Motor in Ordnung ist, sondern auch, dass die gesamte zugehörige Verkabelung und alle elektrischen Komponenten im geprüften Stromkreis in gutem Zustand sind. Wenn die Ergebnisse jedoch schlecht sind, muss einfach ein zusätzlicher 3-Minuten-Test direkt am Motor durchgeführt werden. Wenn der Motor in Ordnung ist, liegt der Fehler bei der Verkabelung oder dem Steuergerät. Zeigt der Motor einen sich entwickelnden Fehler an, sind optionale MCA-Tests verfügbar, um festzustellen, ob der Fehler im Rotor- oder im Statorstromkreis liegt.

Die Niederspannungs-Gleichstromtests liefern Hinweise auf Verbindungsprobleme im zu prüfenden Schaltkreis, um zu bestätigen, dass alle externen und internen Verbindungen ausreichend “dicht” sind. Die Reihe von Wechselstromtests prüft die Wicklungsisolierung und identifiziert die sehr kleinen Veränderungen, die in der chemischen Zusammensetzung der Wicklungsisolierung auftreten, wenn die Isolierung zwischen den Leitern zu zerfallen beginnt.

Die optionale dynamische Prüfung erfordert eine manuelle Drehung der zu prüfenden Motorwelle und entwickelt eine Statorsignatur, die alle sich entwickelnden Fehler in der Isolierung um die Leiter in den Spulen, die das Statorwicklungssystem bilden, identifiziert. Die Rotorsignaturen identifizieren Fehler im elektrischen System des Rotors wie statische oder dynamische Exzentrizität, Risse, Brüche oder Gusslücken in den Rotorstäben oder Endringen.

Prüfung von Motoren unter Spannung: Elektrische Signaturanalyse (ESA)

ESA verwendet die Eingangs- und Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des VFD, um den Zustand und die Qualität der Stromversorgung des Umrichters sowie die vom Umrichter an den Motor abgegebene Spannung und den Strom schnell zu analysieren. Für jeden dieser Tests benötigt < 1 Minute. Durch die Durchführung von ESA-Motortests sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Umrichters erhält man ein vollständiges Profil der Eingangs- und Ausgangsleistung. Jeder Test führt eine gleichzeitige Datenerfassung aller drei Spannungs- und Stromphasen durch, um PQ-Tabellen für jede der drei Phasen zu erstellen, und erfasst, zeigt und speichert 50 ms der Spannungs- und Stromwellenformen für alle drei Phasen. Zusätzlich werden 50 Sekunden lang die Spannungs- und Stromwellenformen digitalisiert und zur Durchführung von Hoch- und Niederfrequenz-FFTs sowohl für die Eingangs- als auch die Ausgangsspannung und -ströme verwendet.

Eingangsleistung

Die Eingangsspannung des Umrichters liefert wertvolle Informationen über den Zustand der Eingangsspannung, die dem Umrichter zugeführt wird, und berechnet etwaige Spannungs- oder Stromunsymmetrien oder Oberschwingungsanteile in der Eingangsspannung oder dem Strom. Der Eingangsstrom gibt Aufschluss über den Zustand der Dioden im Gleichrichterteil des Umrichters. Abbildung 2 zeigt die Stromkurve, wenn alle Dioden ordnungsgemäß gezündet haben. In Abbildung 3 lässt sich schnell feststellen, dass eine oder mehrere Dioden im Gleichrichterteil nicht ordnungsgemäß zünden.

Abbildung 2: Guter Diodenabschnitt Abbildung 3: Defekter Diodenabschnitt

Ausgangsspannung

Abbildung 4: Ordnungsgemäß arbeitende IGBTs

Die Ausgangsspannung des Umrichters gibt Aufschluss über den Zustand des Umrichters selbst sowie über die Qualität der an den Motor gelieferten Leistung, einschließlich, aber nicht beschränkt auf den ordnungsgemäßen oder nicht ordnungsgemäßen Betrieb der Halbleiter in den Umrichterschaltungen und den sich entwickelnden Ausfall der Kondensatoren des Zwischenkreises. Abbildung 4 zeigt eine Momentaufnahme einer Phase des Spannungsausgangs des Umrichters, der die Spannung für den Motor darstellt. Alle Ausgangsspannungswellenformen sollten relativ gleichmäßig und symmetrisch sein. Unsymmetrische Spannungsverläufe weisen auf fehlerhafte oder ausgefallene IGBTs hin. Beachten Sie die Wellen im flachen Teil der positiven und negativen Teile der Wellenformen in Abbildung 5. Dies ist ein Hinweis auf defekte Kondensatoren im Zwischenkreis. Ein defekter 20-Dollar-Kondensator kann ein ganzes Laufwerk zerstören.

Ausgang Strom

Abbildung 5: Ausfall des Zwischenkreiskondensators

Der Motorstrom wirkt wie ein sehr empfindlicher Messwertgeber für das Motorsystem. Bestehende oder entstehende Fehler im Motor, in der angetriebenen Maschine oder im Prozess selbst führen zu einer Modulation des Motorstroms. Diese Modulationen des Ausgangsstroms geben Hinweise auf den elektrischen oder mechanischen Zustand oder auf Anomalien im Prozess selbst. Mit Hilfe einer FFT der digitalisierten Spannungs- und Stromkurven lassen sich Fehler im Motor wie gerissene oder gebrochene Rotorstäbe, statische oder dynamische Exzentrizität schnell erkennen. Frühzeitige Hinweise auf sich abzeichnende Wälzlagerausfälle, den Auswucht- und Ausrichtzustand der rotierenden Bauteile des Motors oder der Arbeitsmaschine lassen sich mit der gleichen Fehlerhäufigkeit, die in der Schwingungsanalyse schon lange bekannt ist, ebenfalls schnell erkennen.

Automatische Analyse

Die ESA-Software kombiniert alle in der 50-Sekunden-Datenerfassung gesammelten Informationen und vergleicht sie mit vorgegebenen Standards, Richtlinien und Algorithmen, um die Grafiken, Tabellen und Anzeigen zu erstellen, die für eine schnelle Bewertung des Zustands des gesamten Motorsystems von der Eingangsleistung bis zum Prozess erforderlich sind. Nach Abschluss der Bewertung erstellt ESA einen vollständigen, detaillierten Bericht, der nicht nur auf sich entwickelnde Probleme im elektrischen Teil, auf sich entwickelnde Fehler in der angetriebenen Maschine oder in anderen an den Motor angeschlossenen Geräten hinweist, sondern auch auf Anomalien im Prozess, die eine Abschaltung des VFD verursachen könnten. Der 8-seitige Bericht enthält auch Angaben zu den Messungen, die innerhalb der vorgegebenen Richtlinien liegen, so dass der größte Teil des Ratespiels, das normalerweise mit der Fehlersuche bei VFDs verbunden ist, entfällt.

Abbildung 6: PQ-Tabelle am Ausgang des VFD

Abbildung 7: Ergebnisbildschirm

Zusammenfassung

Durch die Integration von MCA und ESA in die Standardprozesse zur Fehlersuche bei VFDs verfügt der Analyst über die detailliertesten Informationen, um schnell feststellen zu können, ob das Problem durch den VFD verursacht wird oder durch den VFD verursacht wird. Der 3-Minuten-MCA-Test identifiziert nicht nur defekte Motoren, sondern kann auch den Motor als Fehlerursache ausschließen und sicherstellen, dass ein neuer Motor, der installiert wird, fehlerfrei ist. Die ESA bestätigt mit einem einfachen Test, der weniger als 1 Minute dauert, dass die Ein- und Ausgänge des VFD fehlerfrei sind.