Cara Menguji Motor Sinkron dengan Teknologi Modern

Untuk memahami lebih lanjut aplikasi pengujian dan analisis rangkaian motor pada motor listrik sinkron (mesin sinkron), penting untuk memiliki gambaran singkat tentang pengoperasian motor sinkron, kesalahan yang paling umum, metode pengujian yang umum, cara kerja ALL-TEST IV PRO ™ (
Sekarang AT5™
) bekerja dengan motor sinkron besar, langkah-langkah dasar untuk analisis stator dan rotor sinkron, dan, hasil pengujian yang diharapkan (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ adalah pengganti yang direkomendasikan untuk ATIV™
). Dalam makalah ini, kami akan membahas berbagai aspek ini, dengan merujuk pada materi lain untuk detail tambahan.

Tentang Mesin Sinkron

Motor sinkron besar memiliki dua fungsi dasar:

• Yang pertama adalah meningkatkan faktor daya listrik di pabrik. Pada setiap pabrik dengan beban induktif yang besar, seperti motor dan transformator, arus mulai tertinggal dari tegangan (faktor daya yang buruk). Ketika hal ini menjadi cukup parah, pembangkit listrik membutuhkan jumlah arus yang jauh lebih besar untuk melakukan jumlah pekerjaan yang sama. Hal ini dapat menyebabkan penurunan tegangan dan panas berlebih pada komponen listrik. Motor sinkron dapat digunakan sedemikian rupa sehingga menyebabkan sedikit atau tidak berdampak pada faktor daya, atau dapat digunakan untuk menyebabkan arus menjadi tegangan searah untuk memperbaiki masalah faktor daya.
• Metode operasi kedua adalah untuk menyerap beban yang berdenyut, seperti kompresor bolak-balik. Setelah motor sinkron mencapai kecepatan sinkron, motor ini memiliki kumparan yang ‘mengunci’ sejalan dengan medan magnet motor listrik yang berputar dari stator. Jika terjadi pulsa torsi (seperti di bagian atas langkah kompresor bolak-balik), motor dapat keluar dari sinkronisasi dengan bidang yang berputar. Ketika hal ini terjadi, belitan khusus pada rotor yang disebut belitan amortisseur (lihat konstruksi sinkron di bawah ini) menyerap energi dari pulsa torsi, menjaga rotor tetap sinkron.

Konstruksi dasar motor sinkron sangat mudah. Ada tiga set belitan, stator, rotor, bantalan, dan generator (tanpa sikat) atau ‘exciter statis’ (tipe sikat).

Gulungan terdiri dari:

• Gulungan tiga fase standar, sangat mirip dengan motor listrik induksi standar
• Satu set kumparan medan, yang merupakan kumparan DC yang terbuat dari kawat bundar untuk mesin kecil dan kawat persegi panjang atau pita pada mesin yang lebih besar
• Gulungan amortisseur, yang mirip dengan sangkar tupai rotor motor induksi

Metode penyalaan untuk motor sinkron tipe sikat dan tanpa sikat serupa. Rangkaian awal akan berbeda untuk keduanya. Berikut ini adalah deskripsi mode pengoperasian dasar, diikuti dengan penjelasan singkat mengenai perbedaannya:

Selama fase start motor sinkron, motor ini bertindak sama seperti motor induksi standar. Stator menerima arus listrik dan medan magnet yang berputar dikembangkan (kecepatan = (120 * frekuensi yang diterapkan) / # kutub). Medan ini menghasilkan arus pada belitan amortisseur, yang digunakan untuk mengembangkan torsi awal dengan menghasilkan medan magnetnya sendiri yang berinteraksi dengan medan magnet stator pada celah udara dan menyebabkan rotor mengikuti medan magnet stator. Saat rotor mulai mengejar medan stator, arus DC disuntikkan ke dalam kumparan medan rotor, menciptakan pasangan magnetik utara dan selatan (kumparan rotor selalu ditemukan berpasangan). Ini mengunci langkah dengan medan magnet stator dan mengikuti dengan kecepatan yang sama dengan medan stator, sedangkan motor induksi standar selalu tertinggal.

Pada mesin sikat, sumber DC untuk medan rotor biasanya berasal dari starter ‘statis’ (elektronik), yang mengubah daya AC yang disuplai menjadi DC. Dalam kebanyakan kasus, output DC divariasikan melalui siklus awal. Penggerak juga dapat diatur untuk mengosongkan kumparan medan mesin untuk menghindari kejenuhan rotor dan arus yang sangat tinggi pada stator. Setelah rotor mulai berputar, DC disuplai untuk membantu motor mengembangkan torsi. Tegangan DC disuplai melalui sepasang cincin selip dan sikat.

Pada mesin tanpa sikat, generator DC dipasang langsung pada poros motor sinkron. Saat motor sinkron mulai dihidupkan, generator menyediakan sedikit DC melalui komutatornya. Saat kecepatan meningkat, tegangan DC juga meningkat, membantu motor menghasilkan torsi dan kemudian mengunci langkah pada kecepatan sinkron. Pada mesin jenis ini, generator dihubungkan langsung ke medan rotor.

Ada juga mesin yang memiliki generator yang dipasang pada poros rotor yang memberi makan kontrol terpisah. Ini digunakan untuk pertama-tama memendekkan belitan dan kemudian mengontrol jumlah DC yang diumpankan ke rotor, sama seperti mesin sikat.

Kesalahan Motor Sinkron yang Paling Umum

Motor sinkron yang besar cenderung dibangun dengan baik dan kokoh. Mereka sering kali dibangun dengan material yang berlebihan untuk menahan beban berat yang diterapkan. Kegagalan yang paling umum terjadi pada mesin sinkron industri, secara berurutan, adalah:

• Bantalan karena keausan dan kontaminasi umum
• Bidang rotor – karena suhu yang tinggi, ini akan sering terbakar dari dalam ke luar
• Gulungan amortisseur – sebagian besar pada beban bolak-balik. Karena jumlah energi yang diserap, batang lilitan akan sering retak. Khususnya, jika medan rotor mulai rusak dan pendek, sehingga memudahkan rotor untuk tidak sinkron.
• Gulungan stator – keausan dan kontaminasi secara umum. Gulungan stator pada mesin sinkron cenderung berbentuk ‘form wound’ dan sangat terisolasi.

Hampir semua gangguan belitan yang terjadi pada motor sinkron dimulai di antara konduktor pada kumparan rotor atau stator.

Metode Pengujian Umum, Kekuatan dan Kelemahan

Berikut ini adalah metode pengujian tradisional untuk mengevaluasi kondisi motor sinkron:

• Pengujian ketahanan isolasi: Dengan menggunakan tegangan DC yang diterapkan seperti yang ditentukan oleh IEEE 43-2000, sebuah potensi ditempatkan di antara belitan stator dan ground. Ini hanya mengukur gangguan langsung antara belitan stator dan rangka stator. Juga dilakukan melalui cincin selip pada mesin tipe kuas.
• Indeks Polarisasi: Ini adalah rasio resistensi isolasi 10 menit ke 1 menit. Hal ini secara tradisional telah digunakan sebagai metode untuk mengukur kondisi insulasi antara belitan stator dan rangka. Seperti halnya pengujian resistensi isolasi, hal ini juga dapat dilakukan melalui cincin selip pada mesin tipe kuas. Seperti yang dinyatakan dalam IEEE 43-2000, metode pengujian ini hanya benar-benar valid pada sistem insulasi sebelum tahun 1970.
• Pengujian Potensi Tinggi: Yang paling umum pada mesin besar adalah pengujian potensial tinggi DC yang dilakukan pada nilai dua kali tegangan pelat nama motor ditambah 1000 volt, dikalikan akar kuadrat 3. Pada sistem insulasi yang ada, nilai ini sering kali dikurangi hingga 75% dari tegangan potensial. Pengujian ini sangat menekan sistem isolasi dan berpotensi merusak (sesuai IEEE Std. 388 dan 389). Jenis pengujian ini TIDAK BOLEH diterapkan pada belitan rotor motor sinkron.
• Pengujian Perbandingan Lonjakan: Mengevaluasi kondisi belokan ke belokan stator hanya dengan membandingkan bentuk gelombang dua belitan ketika pulsa waktu naik cepat dua kali tegangan ditambah 1000 volt. Jika ada masalah yang dapat diperbaiki, seperti belitan yang terkontaminasi, pengujian ini dapat merusak belitan motor.
• Pengujian Pelepasan Sebagian: Ini adalah metode pengujian non-destruktif yang mengukur frekuensi radio dari pelepasan muatan dalam rongga di dalam sistem insulasi belitan motor. Hal ini efektif untuk tren pada mesin yang lebih dari 6,6 kV dan hanya memberikan peringatan singkat dari 4 kV. Alat ini tidak mendeteksi kesalahan rotor.

• Analisis Tanda Tangan Arus Motor: Didesain untuk pengujian rotor motor induksi.
• Uji Penurunan Tegangan: Memerlukan pembongkaran motor. Tegangan 115 AC diterapkan pada belitan rotor dan penurunan tegangan diukur dengan voltmeter di setiap kumparan. Jika terjadi korsleting, penurunan tegangan akan bervariasi lebih dari 3%.

Daftar di atas tidak termasuk peralatan untuk pengujian mekanis motor sinkron.

Tentang Instrumen ALL-TEST Pro

ALL-TEST IV PRO™ (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ adalah pengganti yang direkomendasikan untuk ATIV™)
adalah instrumen elektronik sederhana yang bekerja dengan cara yang hampir sama dengan multi-meter, kecuali bahwa instrumen ini menyediakan serangkaian pembacaan yang mencakup parameter AC dari rangkaian motor. Ini adalah pengumpul dan penguji data yang mengirimkan sinyal DC tegangan rendah untuk pengujian resistansi sederhana, dengan cara yang sama seperti mili-Ohm meter, dan sinyal AC frekuensi tinggi tegangan rendah untuk pembacaan AC. Instrumen ini kemudian mengukur dan menghitung hasil pengujian dalam satuan teknik resistensi, impedansi, induktansi, sudut fasa, respons arus/frekuensi, dan uji resistensi isolasi terhadap arde.

Perbedaan utama antara pengujian elektronik peralatan daya versus metode daya tradisional adalah:

• Tampilan yang lebih lengkap dari rangkaian motor, termasuk pengaruh dari perubahan kondisi isolasi kumparan medan rotor.
• Satu instrumen untuk berbagai macam ukuran peralatan. Pengujian ini hanya terbatas pada kisaran resistansi sederhana instrumen (0,010 Ohm hingga 999 Ohm).
• Tidak merusak – tidak ada tegangan berbahaya yang diberikan.
• Interpretasi data yang lebih mudah – Beberapa aturan sederhana untuk interpretasi data (Lihat interpretasi data di bawah).
• Peralatan genggam vs. peralatan yang beratnya bisa mencapai 40 kg hingga lebih dari 100 kg.
• Sumber daya internal untuk instrumen.

Seiring bertambahnya usia sistem insulasi, atau jika sistem insulasi terkontaminasi dan mempengaruhi integritas insulasi, sirkuit listrik motor akan berubah. Karena rotor merupakan bagian integral dari sirkuit, perubahan pada integritas listrik sirkuit rotor dan sistem insulasi secara langsung tercermin melalui belitan stator. Hal ini memungkinkan pemecahan masalah segera dan tren jangka panjang motor.

Informasi pengujian yang unik memungkinkan Instrumen ALL-TEST Pro untuk melihat parameter yang cukup dari sistem insulasi untuk mendeteksi dan mengisolasi:

• Gulungan stator korslet
• Bidang rotor korslet
• Batang berliku amortisseur yang rusak
• Eksentrisitas celah udara
• Kontaminasi belitan (rotor dan stator)
• Kesalahan isolasi tanah

Langkah-langkah Dasar untuk Analisis Mesin Sinkron dengan Instrumen ALL-TEST Pro

Langkah-langkah untuk menguji mesin sinkron serupa dengan langkah-langkah untuk mengevaluasi kondisi motor induksi standar. Namun demikian, karena terdapat kumparan medan pada rotor motor, maka ada beberapa langkah tambahan yang harus dilakukan ketika memecahkan masalah saat terjadi gangguan.

Saat menguji mesin sinkron dari pusat kontrol motor atau starter:

• Matikan energi peralatan. Pastikan bahwa sumber daya sekunder juga dimatikan.
• Lakukan pengujian standar ALL-TEST IV PRO™ (sekarang AT5™) pada stator dengan mengikuti petunjuk menu pada instrumen.
• Mengevaluasi hasil tes (Lihat Hasil Tes yang Diharapkan)
• Jika terindikasi ada masalah, mulailah pemecahan masalah:
• Sesuaikan posisi rotor, sebanyak mungkin, hingga 45 derajat (gerakan apa pun bisa dilakukan jika rotor sulit diputar, tetapi tidak kurang dari 5 derajat)
• Lakukan kembali pengujian dan tinjau kembali pembacaannya. Jika gangguan telah bergeser, atau berubah lebih dari satu digit, maka kemungkinan besar gangguan terletak di rotor.
• Jika gangguan tetap tidak bergerak (tidak berubah dengan posisi rotor), maka lepaskan kabel pada kotak terminal motor dan lakukan pengujian ulang. Jika masih terindikasi adanya gangguan, kemungkinan besar gangguan terjadi pada stator, jika tidak, kemungkinan besar terjadi pada kabel.

Waktu pengujian rata-rata, selain dari pemecahan masalah, kira-kira 3-5 menit.

Ketika menguji mesin sinkron yang dibongkar, penting untuk diingat bahwa pembacaan akan sangat berbeda tanpa rotor pada tempatnya:

• Lakukan tes Otomatis ALL-TEST IV PRO™ (AT5
  Z/
  
  
  mode uji) pada stator dan mengevaluasi hasil pengujian. Hal ini akan memberikan indikasi langsung mengenai kesalahan apa pun.
• Untuk uji rotor:

• Lakukan tes Otomatis dan bandingkan dengan pembacaan sebelumnya; atau,

• Lakukan uji Auto dan bandingkan dengan rotor ‘identik’; atau,
• Lakukan uji Auto di setiap kumparan medan alih-alih uji penurunan tegangan.
• Semua parameter untuk ketiganya harus memenuhi batas evaluasi.

Karena gaya pengujiannya, hasil ini bisa menjadi tren dan dibandingkan di antara mesin yang serupa.

Aplikasi lain untuk pengujian sirkuit motor meliputi evaluasi dan penerimaan, serta pemeliharaan prediktif.

Hasil Tes yang Diharapkan

Seperti yang disebutkan pada bagian terakhir dari makalah ini, hasil pengujian serupa dengan yang ditemukan pada mesin induksi tiga fase. Pola kesalahan sangat mudah dan berlaku terlepas dari ukuran peralatan, dalam rentang pengujian Instrumen ALL-TEST Pro. Berikut ini adalah ikhtisar singkat mengenai pengukuran tes dan hasilnya untuk pemecahan masalah dasar:

• Pengukuran resistansi sederhana: Ini adalah indikator sambungan resistansi tinggi, sambungan longgar, atau konduktor yang rusak dalam sirkuit. Tes ini penting, terutama jika masalah resistensi berada di satu titik karena, berdasarkan I2R, titik resistif akan mengeluarkan banyak energi panas (dalam Watt). Sebagai contoh, resistansi 0,5 Ohm pada sebuah titik di sirkuit yang melihat 100 Ampere akan menghasilkan: (100 Ampere2) (0,5 Ohm) = 5.000 Watt (5kW) senilai energi. Ini adalah energi yang sama dengan yang digunakan untuk memutar motor listrik berkekuatan 6 tenaga kuda.
• Pengukuran induktansi: Ini adalah indikator kekuatan magnetik kumparan dan pengaruh kumparan lain pada satu kumparan. Hal ini dipengaruhi oleh jumlah lilitan dalam rangkaian, dimensi kumparan, dan induktansi kumparan lainnya. Pengukuran ini, dengan sendirinya, hanya merupakan indikator yang baik untuk kondisi belitan amortisseur dan eksentrisitas rotor. Induktansi hanya akan menunjukkan belitan yang korslet jika korsletnya parah.
• Pengukuran impedansi: Ini adalah pengukuran resistensi kompleks dalam rangkaian. Hal ini dapat digunakan, seperti halnya induktansi, untuk memeriksa belitan amortisseur dan kondisi rotor. Namun demikian, apabila digunakan bersama dengan induktansi, alat ini dapat digunakan untuk mendeteksi belitan yang terlalu panas dan kontaminasi belitan dengan cepat. Dengan melihat hubungan induktansi dan impedansi antara masing-masing fase: Jika induktansi dan impedansi relatif paralel, maka ketidakseimbangan induktif dan impedansi ada pada hubungan antara rotor dan stator (posisi rotor); Jika tidak paralel, hal ini merupakan indikasi adanya masalah insulasi seperti kerusakan insulasi atau kontaminasi belitan.
• Sudut fase dan I/F (Arus/Frekuensi): Keduanya merupakan indikator gangguan isolasi di antara belitan pada stator atau rotor.
• Resistensi Isolasi: Mengevaluasi isolasi ke arde dan hanya akan mengindikasikan bila isolasi telah gagal.

Rekomendasi batas pengujian, seperti yang diuraikan dalam “Pedoman untuk Analisis Rangkaian Belitan Statis Elektronik pada Mesin dan Transformator yang Berputar,” adalah sebagai berikut:

Tabel 1: Batas Uji (nilai puncak-ke-puncak)

*Dapat melebihi nilai ini jika pengukuran dilakukan secara paralel.

Berikut ini adalah ikhtisar aturan pemecahan masalah:

• Gulungan Korslet:

• Gulungan korslet dapat dievaluasi dengan melihat sudut fasa dan pembacaan I/F dari instrumen pada kumparan yang sama atau antar fasa:
• Sudut Fase (Fi) – Sudut fase harus berada dalam 1 digit dari pembacaan rata-rata. Sebagai contoh, pembacaan 77/75/76 adalah baik karena pembacaan rata-rata adalah 76. Angka 74/77/77 adalah angka yang buruk.
• Respons Frekuensi Saat Ini (I/F) – Respons frekuensi saat ini harus berada dalam 2 digit dari pembacaan rata-rata. Contohnya, pembacaan -44/-45/-46 akan bagus. Angka -40/-44/-44 akan menjadi buruk. Namun, pembacaan seperti -42/-44/-44 harus dianggap mencurigakan.

• Kontaminasi Belitan dan Posisi Rotor

• Posisi rotor di dalam motor listrik dapat menyebabkan ketidakseimbangan fase alami. Kontaminasi belitan juga akan menyebabkan ketidakseimbangan fase. Evaluasi DF dapat menunjukkan apakah ketidakseimbangan fasa berasal dari rotor atau kontaminasi.

• Posisi Rotor – Ketidakseimbangan posisi rotor dapat dievaluasi dengan melihat apakah nilai induktansi dan impedansi cukup seimbang. Contohnya, jika terdapat induktansi 17/18/19 dan impedansi dengan nilai 24/26/29, maka ketidakseimbangan disebabkan oleh posisi rotor. Hal ini juga dapat terjadi jika induktansi 5/5/5 dan impedansi 8/9/8.
• Kontaminasi Gulungan – Hal ini juga dapat ditemukan pada gulungan yang terlalu panas (terbakar). Kondisi ini adalah hasil dari perubahan pada insulasi karena kerusakan sistem insulasi.

Kesimpulan

Melalui serangkaian aturan dan instruksi sederhana, ALL-TEST IV PRO™ (sekarang AT5™) menyediakan alat yang sangat baik untuk memecahkan masalah dan tren kondisi mesin sinkron. Pengujian dilakukan dengan menggunakan pengukuran uji non-destruktif sederhana yang memungkinkan untuk melihat sirkuit stator dan rotor motor secara lebih lengkap daripada pengujian lainnya. Evaluasi pengujian sederhana dan langsung, terlepas dari ukuran atau jenis peralatan.

Daftar Pustaka

• Pedoman untuk Analisis Rangkaian Belitan Statis Elektronik dari Mesin dan Transformator yang BerputarBJM Corp, Divisi ALL-TEST, 2001.
• Penrose, Howard W. Analisis Rangkaian Motor: Teori, Aplikasi dan Analisis Energi, SUKSES dengan DESAIN, 2001.