Fehlererkennung bei pulsbreitenmodulierten Motorantrieben durch Analyse der elektrischen Signatur

Der Einsatz von Motorantrieben für Wechselstrommotoren in der Industrie nimmt weiter zu, und der pulsweitenmodulierte Antrieb (PWM) hat sich zum allgemeinen Industriestandard für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Leistung entwickelt. Wie bei den anderen Komponenten des Motorsystems gibt es auch beim PWM-Antrieb verschiedene Fehlermöglichkeiten. Zur Fehlersuche verwendet ein Elektriker in der Regel ein digitales Multimeter (DMM), ein digitales Oszilloskop und einen Netzqualitätsanalysator. Diese drei Instrumente ermöglichen dem Elektriker zwar eine Fehlersuche im Zusammenhang mit der Stromzufuhr und dem Motorantrieb, bieten aber nur begrenzte Möglichkeiten zur Fehlererkennung im Motor selbst und der vom Motor angetriebenen Last. Da es sich bei diesen Instrumenten um separate Geräte handelt, die nur eine begrenzte Möglichkeit zur Berichterstattung bieten, kann die Prüfung für Zwecke der vorausschauenden Instandhaltung (PdM) oder der zustandsorientierten Instandhaltung (CBM) schwierig sein.

Hier bietet die elektrische Signaturanalyse (ESA) deutliche Vorteile gegenüber DMM, Oszilloskop und Netzqualitätsanalysator für Zuverlässigkeitsprüfungen. Darüber hinaus wird nicht nur der Zustand der Einspeisung und des Motorantriebs bewertet, sondern auch der Zustand des Motors und der angetriebenen Last für viele gängige Fehlerarten.

Über ESA

Die ESA ist eine Online-Prüfmethode, bei der Spannungs- und Stromsignale bei laufendem Motor erfasst und anschließend mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) über die mitgelieferte Software eine Spektralanalyse durchgeführt wird. Anhand dieser FFT werden Fehler im Zusammenhang mit der Eingangsleistung, dem Steuerkreis, dem Motor selbst und der angetriebenen Last erkannt und können dann für CBM/PdM-Zwecke ausgewertet werden. Unser spezielles ESA-Instrument ist handgehalten, tragbar und batteriebetrieben.

Alle ESA-Analysesysteme erfordern die Angabe von Spannung, Drehzahl, Volllaststrom und Pferdestärken (oder kW) auf dem Typenschild des Motors. Zusätzlich können optionale Informationen wie die Anzahl der Rotor- und Statorschlitze, die Teilenummern der Lager und Informationen über die angetriebenen Lastkomponenten, wie die Anzahl der Schaufeln für einen Lüfter oder die Anzahl der Zähne für eine Getriebeanwendung, für eine detailliertere und genauere Analyse eingegeben werden.

Da die ESA für viele Menschen neu ist, finden Sie im Folgenden eine Tabelle, die die allgemeinen Fehler, die die ESA erkennt, veranschaulicht. Siehe Abbildung 1.

In diesem Artikel werden drei häufige Fehler bei einem PWM-Antrieb besprochen:

1) Eine offene Eingangsdiode in der Gleichrichterbrücke.

2) Defekte Kondensatoren im DC-Zwischenkreis.

3) Fehlerhafter Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT).

Von den dreien ist der Ausfall von Kondensatoren am schwierigsten frühzeitig zu erkennen, da es keine unmittelbaren Anzeichen für diesen Zustand gibt, wenn die Leistung des Motors überwacht wird.

Über das Laufwerk

Abbildung 2 zeigt die Grundbausteine eines PWM-Motorantriebs: die eingehende Wechselspannung, die Vollwellen-Diodenbrücke, die die eingehende Wechselspannung gleichrichtet, den Gleichstrom-Zwischenkreis, der den/die Kondensator(en) enthält, die Wechselrichterbrücke und den Motor.

Bei der Prüfung mit der ESA werden die Spannungs- und Stromanschlüsse an das zu prüfende Motorsystem angeschlossen. Dies geschieht in der Regel in der Motorsteuerungszentrale, und die Anschlüsse werden mit den mitgelieferten tragbaren Spannungssonden und tragbaren Stromwandlern oder mit zuvor installierten speziellen Anschlusskästen hergestellt. Der Vorteil des Anschlusskastens besteht darin, dass die Daten abgenommen werden können, ohne dass das Motorsteuerungspult geöffnet werden muss, um die erforderlichen Verbindungen herzustellen.

Bei PWM-Anwendungen sollten zwei Datensätze erfasst werden, einer am Eingang des PWM-Antriebs und der andere am Ausgang des PWM-Antriebs. Der gesamte Datenerfassungsprozess (nach dem Herstellen der Verbindungen) dauert etwa 4 Minuten, und zu diesem Zeitpunkt sind keine Angaben zum Motortypenschild erforderlich. Diese Informationen können später bei der Datenanalyse eingegeben werden.

Die Datendateien werden dann mit der mitgelieferten Software angezeigt und ein Microsoft® Word-Bericht wird erstellt. Die Software bietet einfach zu bedienende Werkzeuge für die Arbeit mit den verschiedenen Analysespektren. Die Ergebnisse der Software können eingesehen werden, ohne den vollständigen Bericht zu erstellen.

Die Software meldet automatisch Folgendes:

Leistungsfaktor, Stromunsymmetrie, Spannungsunsymmetrie und RMS-Spannung zum Typenschild, Last zum Typenschild, Phasenverbindung, Rotorzustand, elektrischer und mechanischer Zustand des Stators, Rotor/Stator-Luftspalt, gesamte harmonische Verzerrung (Spannung und Strom), Ausrichtungs-/Unwuchtanzeigen und Lagerzustand.

Außerdem werden Spannungs- und Stromspitzenwert und Scheitelfaktor, Phasenimpedanz, Leistung (Schein-, Wirk- und Blindleistung), Laufgeschwindigkeit und Netzfrequenz angezeigt. Für AC-Asynchronmotoren und DC-Motoren wird auch der Wirkungsgrad des Motors berechnet.

Ein durchschnittlich geschulter Benutzer kann eine vollständige Analyse durchführen und einen Bericht in weniger als 10 Minuten pro Motor erstellen.

Fall eins

Bei Fall Nummer eins handelt es sich um einen Motorantrieb, der in der Serviceeinrichtung von EMA Inc, Cortland, NY, eingegangen ist. Der Antrieb und der Motor wurden zu Testzwecken auf einem Dynamometer betrieben.

Es wurden zwei Datensätze erhoben. Der erste Satz ist eine reine Wellenformerfassung am Eingang des Frequenzumrichters und der zweite Satz wurde am Ausgang des Frequenzumrichters aufgenommen. Der zweite Datensatz umfasst die Erfassung von Spannungs- und Stromwellenformen sowie 50 Sekunden Spannungs- und Stromwellenformen.

Abbildung 6 zeigt die Wellenform des Eingangsstroms für Phase C. Beachten Sie, dass die negativen Spitzen fehlen. Dies wird durch eine offene Diode verursacht.

Der automatisch erstellte ESA-Bericht identifiziert sowohl die Stromunsymmetrie als auch die übermäßige harmonische Verzerrung, die durch die offene Diode verursacht wird.

Diese erste Seite des Berichts ist nur eine Zusammenfassung; auf weiteren Seiten finden Sie Einzelheiten zu den einzelnen Hauptthemen. Eine große Strom-Phasen-Unsymmetrie, wie hier zu sehen, beschädigt die internen Komponenten des PWM-Antriebs und kann den Versorgungstransformator, der den Motorantrieb speist, belasten

Fall zwei

Fall Nummer zwei ging bei der EMA zur Reparatur ein und betrifft gealterte Kondensatoren in der Kondensatorbank. Das Problem ist, dass die Leistung des Motors keine offensichtlichen Anzeichen dafür liefert, dass diese Kondensatoren altern und sich verschlechtern. Sobald die Kondensatoren zu versagen beginnen, wird zusätzlicher Strom durch die guten Kondensatoren geleitet, was zu einer übermäßigen Erwärmung der Kondensatoren führt, und die zusätzliche Wärme beschleunigt den Ausfall der verbleibenden Kondensatoren. Diese Kondensatoren sind mit Entlüftungsöffnungen versehen, um den Überdruck im Inneren abzubauen, aber es ist möglich, dass diese Kondensatoren explodieren, wenn sie nicht schnell genug entlüftet werden. Außerdem führt die übermäßige Brummspannung, die dem Motor zugeführt wird, zu Oberschwingungsströmen, die vom Motor aufgenommen werden. Diese Oberschwingungsströme erzeugen ein negatives Drehmoment, eine schlechte Motorleistung und eine zusätzliche schädliche Wärmeentwicklung im Motor.

Abbildung 9 zeigt die Spannung am Ausgang des Umrichters, und zwar bei einem guten Umrichter mit Kondensatoren in gutem Zustand.

Fall drei

Fall Nummer drei wurde von der EMA zur Reparatur angenommen. Die Ausgangswellenform zeigt einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), der sich nicht einschaltet. Dies führt sowohl zu einer Unausgewogenheit des Stroms als auch zu einer Verzerrung der Wellenform.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DMM, Oszilloskop und Netzqualitätsinstrumente gute Möglichkeiten zur Fehlersuche bei PWM-Motorantrieben bieten. Sie lassen sich jedoch nicht gut in ein Programm zur Prüfung der Zuverlässigkeit von Elektromotoren integrieren, da die Datenerfassung und die Berichterstellung begrenzt sind. Außerdem enthalten sie nur wenige Informationen über gängige Probleme im Zusammenhang mit Motoren und Lasten.

Die elektrische Signaturanalyse ermöglicht es dem Zuverlässigkeitstechniker, das gesamte Motorsystem von der Eingangsleistung bis zur angetriebenen Last zu betrachten. Bei PWM-Anwendungen dauert die Datenerfassung weniger als 4 Minuten, nachdem die Spannungs- und Stromanschlüsse hergestellt wurden. Anhand dieses 4-minütigen Testverfahrens kann eine vollständige 8-Analyse Probleme wie ausgefallene Gleichrichterdioden, schlechte Zwischenkreiskondensatoren und ausgefallene IGBTs schnell identifizieren, bevor ein Antriebs- oder Motorausfall das Motorsystem zum Versagen bringt.

Es ist wichtig zu beachten, dass in allen drei Fällen der Motor je nach Last und anderen Betriebsfaktoren noch in Betrieb sein kann, aber die Sicherheit, dass das System weiterläuft, beeinträchtigt ist. Die Fähigkeit der ESA, diese Fehler frühzeitig zu erkennen, bevor zusätzliche Schäden am Motor oder am PWM-Antrieb auftreten, trägt dazu bei, teure Ausfallzeiten zu minimieren, die Zuverlässigkeit der Anlage zu erhöhen und möglicherweise katastrophale Schäden an der Anlage oder mögliche Verletzungen des Personals zu verhindern.

Über die Autoren

Richard Scott ist der National Sales Manager und Don Haapapuro, CMRP, ist der Key Account Manager für ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro ist ein Hersteller von tragbaren Prüfgeräten für die Motorstromkreisanalyse (MCA), die elektrische Signaturanalyse (ESA) und die Netzqualitätsanalyse (PQ), die für vorausschauende Wartungstests, Qualitätskontrolle und Fehlersuche bei Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren, Spulen und Wicklungen eingesetzt werden. ALLTEST PRO® MCA-Geräte ermöglichen die frühzeitige Erkennung von elektrischen Fehlern wie Wicklungsfehlern, Phasenunsymmetrie, Rotorfehlern und Erdungsfehlern. Das ALL-TEST PRO® ESA- und PQ-Gerät bietet eine automatische Analyse von der Eingangsleistung, dem Elektromotor, über die angetriebene Last, sowohl elektrisch als auch mechanisch. Die Geräte sind tragbar, batteriebetrieben, einfach zu bedienen und können praktisch jede Größe oder Art von Elektromotoren, Generatoren oder Transformatoren prüfen, sogar von einem entfernten Standort aus. Die Website ist www.alltestpro.com.

Dean Williams ist der Vizepräsident für technische Dienstleistungen bei EMA, Inc. und arbeitet vom Servicezentrum in Cortland, NY, aus. EMA verkauft und wartet Motorantriebe und bietet Schulungen zur korrekten Fehlerbehebung bei Motorantrieben an. Die Website ist www.emainc.net.

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