モーター診断：マルチテクノロジー・アプローチ

はじめに

電動機システムの健全性を評価するために必要なすべての情報を提供する状態監視（CBM）装置という「魔法の弾丸」が存在するという誤解が根強い。 このような誤解は、多くの場合、これらのCBM機器のメーカーや販売部隊の商業的なプレゼンテーションによってもたらされる。 それはまさに 営業担当者の仕事は、その楽器が得意とする分野に焦点を当て、「お客様のあらゆる問題を解決するために必要な唯一のソリューション」として紹介することです。

現実には、必要な情報をすべて提供してくれる機器はひとつもない。 CBMと信頼性の “聖杯 “はない。 しかし、電動機システムを理解し、CBM技術の能力を理解することで、システムの全体像と健全性を把握し、経営陣に適切な提案をするために故障までの時間を推定する自信を持つことができる。

本稿の目的は単純である：電気モーターシステムの構成要素を概説すること、各主要部品の故障モードを論じること、各主要技術が各構成要素にどのように対処するかを論じること、システムを完全に把握するために各技術をどのように統合できるかを論じること、そして、マルチテクノロジーアプローチの収益への影響を論じること。 見直すべきCBM機器の種類は、定期検査に使用される標準的な既製技術である。

電気モーター・システム

電気モーター・システムには、電気モーター以上のものが含まれる。 実際には、6つの異なるセクションで構成されており、それぞれ異なる故障モードを持っている。 図1）：

• 配線や変圧器を含む施設の配電システム。
• スターティングシステム。
• 電動機-本稿では三相誘導電動機を使用。
• 機械的カップリングは、ダイレクト、ギアボックス、ベルト、またはその他のカップリング方式がある。 本稿では、ダイレクト・カップリングとベルトに焦点を当てる。
• 負荷とは、ファン、ポンプ、コンプレッサーなどの被駆動機器を指す。
• 廃水ポンプ、混合、曝気などのプロセス。

多くの場合、トラブルシューティング、トレンド分析、試運転、その他システムに関連する信頼性に基づく機能を実行する際に、システムの個々のコンポーネントを表示する。 どのようなコンポーネントに重点を置くか によって左右される：

• 関係者やマネージャーの経験や経歴は？ 例えば、メンテナンス・スタッフが主に機械系であれば、強力な振動プログラムを、主に電気系であれば、赤外線プログラムを採用することが多いだろう。
• 失敗と思われる部分。 これは、運動システムのとらえ方によっては深刻な問題となりうる。
• 様々なCBM技術を理解している。
• トレーニング でも、いつからトレーニングが問題にならなくなったんだ？

モーターシステムの履歴を見るとき、故障箇所の認識は特に深刻な問題となる。 多くの場合、記録が作成されても、その要約には “ファンの故障、修理済み “とか “ポンプの故障、修理済み “としか書かれていない。 結局のところ、故障と思われるのは、モーターシステムのポンプまたはファンのコンポーネントに関係しているということだ。 特に、工場で対処すべき最も深刻な問題に対する答えを、歴史に基づいた記憶に頼る場合には、このことがより問題となる。 例えば、工場のどの部分が最も問題を引き起こしているかを調べる場合、答えは “廃水ポンプ1 “かもしれない。 ポンプには一貫した問題があり、ポンプは機械的なシステムであるため、ポンプの健全性の傾向を把握するために機械的な監視ソリューションが選択されるかもしれない。 各故障の根本原因が記録されていれば、モーター巻線、ベアリング、ケーブル、制御、プロセス、あるいはそれらの問題の組み合わせであると判断されたかもしれない。

最近のある会議で、CBM機器の選定について議論しているとき、出席者は各拠点の故障モードを尋ねられた。 答えはファン、コンプレッサー、ポンプだった。 さらに検討したところ、ファンではベアリングとモーター巻線の故障が最も多く、ポンプではポンプシールとモーターベアリング、コンプレッサーではシールとモーター巻線の故障が多いことがわかった。 さらに詳しく見てみると、巻線の欠陥は制御やケーブルの問題、不適切な修理、電力品質に関係していた。 ベアリングの問題は、不適切な潤滑方法に関係していた。

事実上、電気モーター・システムにCBMを導入する最善の方法を決定する際には、コンポーネントではなくシステムという視点を持つ必要がある。 結果は簡単です：信頼性の向上、頭痛の種の減少、そして収益の改善です。

状態監視テスト機器

以下は、使用されている一般的なCBM技術の一部である。技術の詳細については、”モーター回路解析 “を参照されたい。1 テストされたシステムのコンポーネントと能力の詳細は、本稿末尾の表1～4に記載されている：

脱力テスト：

1 モーター回路解析：理論と応用 エネルギー分析ハワード・W・ペンローズ博士、SBD出版、ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• 直流高電位試験 – モータ定格電圧の2倍に交流では1,000ボルトを加えた電圧、直流高電位ではさらにその1.7倍の電圧を印加することにより（通常は絶縁システムへのストレスを軽減するために倍率をかける）、モータ巻線と接地間の絶縁システム（接地壁絶縁）を評価する。 このテストは破壊的な可能性があると広く考えられている。
• サージ比較試験：高電位試験と同様に計算された値のパルス電圧を使用して、モーターの各相のインピーダンスをグラフで比較する。 テストの目的は、各相の最初の数ターン内の短絡ターンを検出することである。 この試験は、ステーターにローターがない状態で実施するのが最適であるため、通常は製造や巻き戻しの用途で実施される。 このテストは、潜在的に破壊的であると広く考えられており、主に、トレンドの真の能力を伴わないGO/NOテストとして使用されている。
• 絶縁テスター：巻線と接地の間に直流電圧を印加します。 低電流リークが測定され、メガ、ギガ、テラ・オームの測定値に変換される。
• 極性指数試験：絶縁テスターを使用し、10分間と1分間の値を見て比率を算出する。 IEEE 43-2000によると、5,000メガオームを超える絶縁値はPIを使用して評価する必要はない。 このテストは、深刻な巻線汚染や絶縁システムの過熱を検出するために使用されます。
• オーム、ミリオーム試験：オームまたはミリオーム計を使用し、電気モーターの巻線間の値を測定して比較する。 これらの測定は通常、接続の緩み、接続の断線、巻線のごく後期の故障を検出するために行われる。
• モーター回路解析（MCA）試験：抵抗、インピーダンス、インダクタンス、位相角、電流：周波数応答、絶縁試験の値を使用する機器を使用して、トラブルシューティング、試運転、制御、接続、ケーブル、ステーター、ローター、エアギャップ、絶縁と接地の健全性を評価することができます。 低電圧出力を使い、一連のブリッジを通して測定値を読み取り、評価する。 非破壊で傾向の読み取れる測定値は、電気的故障の数ヶ月前に出ることが多い。

2 潜在的破壊性：誤用により機器の動作状態を変化させる可能性のある機器、または絶縁状態を弱める仕上げを行う可能性のある機器は、破壊の可能性があると見なされるものとする。

通電テスト：

振動解析：機械的振動をトランスデューサで測定し、総合的な振動値とFFT分析を提供します。 これらの値は、機械的な故障や故障の程度を示す指標となり、傾向分析が可能で、モータの負荷に応じて変化する電気的な問題やローターの問題についての情報を提供する。 ローターの故障を検出するための電気モーターの最小負荷要件。 テスト対象のシステムに関する実務知識が必要。

赤外線分析は、物体間の温度差に関する情報を提供する。 故障は検出され、故障の度合いに基づいて傾向分析される。 緩んだ接続やその他の電気的故障の検出に優れ、機械的故障を検出する能力もある。 リーディングは負荷によって変化する。 テスト対象のシステムに関する実務知識が必要。

超音波測定器は、低周波と高周波のノイズを測定する。 電気的、機械的なさまざまな問題を、故障の後期段階で発見する。 リーディングは負荷によって変化する。 テスト対象のシステムに関する実務知識が必要。

電圧と電流の測定では、モーターシステムの状態に関する限られた情報しか得られません。 リーディングは負荷によって変化する。

モーター電流シグネチャー解析（MCSA）は、電気モーターを変換器として使用し、モーターシステムの大部分を通して電気的・機械的故障を検出します。 通常、GO/NO GOテストとして使用されるMCSAには、ある程度の傾向分析機能があるが、通常、巻線不良や機械的な問題を検出できるのは、その後期に限られる。 負荷変動に敏感で、測定値は負荷に応じて変化する。 銘板情報を必要とし、多くのシステムではローターバー数、ステータースロット数、運転速度の手動入力を必要とする。

主要コンポーネントと故障モード

発見された故障の種類と、それを検出するために使用される技術を理解するために、モーターシステムの様々なコンポーネントから主要な問題のいくつかをレビューする。 概要として、これはあなたが経験する可能性のあるすべての故障モードを網羅しているわけではないかもしれない。

入射電力

負荷への入力電力から始めて、最初に対処しなければならない領域は、次のとおりである。 入電・配電システム。 最初の問題は電力品質であり、次に変圧器である。

電気モーターシステムに関連する電力品質の問題には、以下のようなものがある：

• 電圧と電流の高調波：電圧は5% THD（全高調波歪み）、電流は3% THDに制限。 電流高調波は、電気モーターシステムに最も大きな害を及ぼす可能性がある。
• 電圧の過不足：電気モーターは銘板電圧の±10%以下で動作するように設計されています。
• 電圧アンバランス：位相間の差。 電圧アンバランスと電流アンバランスの関係は、モータの設計に基づき、電圧アンバランスに対して電流アンバランスが数倍から数十倍まで変化します（20倍にもなることがあります）。
• 力率：力率が単一より低ければ低いほど、システムは仕事を行うために多くの電流を使用しなければならない。 力率不良の兆候には、重機が始動する際に照明が暗くなることも含まれる。
• 過負荷システム：変圧器、配線、モーターの能力に基づく。 熱だけでなく、通常は電流測定でも検出される。

入ってくる電力の問題を検出するために使用される主なツールは、電力品質メーター、MCSA、電圧・電流メーターである。 電力品質の状態を知ることで、多くの「幻の」問題を特定することができる。

トランスフォーマーは、モーターシステムの最初の重要なコンポーネントのひとつである。 一般的に、変圧器はシステム内の他の部品に比べて問題が少ない。 しかし、各トランスは通常、電気モーターだけでなく他のシステムも含めて複数のシステムを担当している。

変圧器の一般的な問題には、以下のようなものがある（油入り変圧器または乾式変圧器）：

• 絶縁から接地への故障。
• 巻線がショートしている。
• 接続が緩んでいる、
• 電気的振動／機械的な緩み

変圧器の健全性を監視するために使用される試験機器（本論文の機器選定の範囲内）には、以下のようなものがある：

• 接地、接続の緩み/破損、ショートのMCA
• 電力品質と後期故障のためのMCSA
• 赤外線分析による接続の緩み
• 超音波による緩みと深刻な欠陥の検査
• 対地絶縁障害用の絶縁テスター。

MCC、制御、およびディスコネクト

モーター制御またはディスコネクトは、電気モーターシステムの主要な問題のいくつかを提供します。 低電圧と中電圧のシステムで最も一般的なものは以下の通りである：

• 接続の緩み
• 接触不良（穴あき、損傷、焼け、磨耗を含む
• 接触器のスターターコイル不良
• 力率改善コンデンサの不良。通常、電流のアンバランスが大きくなる。

コントロールを評価する試験方法には、赤外線、超音波、ボルト／アンペアメーター、オームメーター、目視検査などがある。 MCA、MCSA、赤外線は、故障検出とトレンディングのための最も正確なシステムを提供します。

ケーブル – コントロールの前後

ケーブル配線の問題はほとんど考慮されず、その結果、最大の頭痛の種となっている。 一般的なケーブルの問題は以下の通り：

• 過負荷や経年劣化による熱破壊
• 電線管を通して地下を通るケーブルでは、汚染がさらに深刻になる可能性がある。
• グラウンドと同様に相ショートも起こりうる。 これらは「ツリー化」や物理的なダメージによって引き起こされる。
• 物理的な損傷やその他の原因により開く。
• 物理的な損傷は、他のケーブルの問題と組み合わさって問題になることが多い。

MCA、赤外線、絶縁検査、MCSAを使った検査と傾向分析が行われる。

モーター供給側の概要

モーターへの供給側の問題は、以下のように分けられる：

• 力率の悪さ – 39
• 接続不良 – 36
• サイズ不足の導体 – 10
• 電圧アンバランス – 7
• 電圧不足または過電圧状態 – 8%

MCA、赤外線、MCSAなどである。

電気モーター

電気モーターには機械部品と電気部品がある。 実際、電気モーターは電気エネルギーを機械的トルクに変換するものである。

主要な機械的問題：

• ベアリング-一般的な摩耗、誤用、負荷、汚染。
• シャフトまたはベアリング・ハウジングの不良または摩耗
• 一般的な機械的アンバランスと共振

振動解析は、電気モーターの機械的問題を検出するための主要な方法である。 MCSAは、赤外線や超音波と同様に、後期の機械的な問題を検出する。

一次電気系統の問題：

• 導体またはコイル間の巻線ショート
• 巻線汚染
• 絶縁対地障害
• 偏心ローターを含むエアギャップの故障
• 鋳造ボイドやローターバーの破損を含むローターの欠陥。

MCAは開発の初期段階ですべての故障を検出する。 MCSAは後期のステーター故障と初期のローター故障を検出する。 振動は後期の故障を検出し、対地絶縁はモーターシステム故障の1％未満を占める対地故障のみを検出し、サージ試験は浅い巻線短絡のみを検出し、その他の試験はすべて後期の故障のみを検出する。

カップリング（ダイレクトおよびベルト式）

モーターと負荷の間のカップリングは、摩耗やアプリケーションによる問題の機会を提供する。

• ベルトまたはダイレクトドライブのミスアライメント
• ベルトまたはインサートの摩耗
• ベルトの張りの問題は、多くの人が考えている以上に一般的で、たいていはベアリングの故障につながる
• シーブ摩耗

カップリングの故障検出のための最も正確なシステムは振動解析である。 MCSAと赤外線分析により、通常、深刻な故障や後期の故障が検出される。

負荷（ファン、ポンプ、コンプレッサー、ギアボックスなど）

負荷の種類によって、多くの種類の障害が発生する可能性がある。 最も一般的なものは、摩耗した部品、壊れた部品、ベアリングなどである。

負荷の問題を検出できるテスト機器には、MCSA、振動、赤外線分析、超音波などがある。

マルチテクノロジーへの一般的なアプローチ

産業界には、いくつかの一般的なアプローチと、いくつかの新しいアプローチがある（表3参照）。 最適なのは、通電検査と非通電検査の組み合わせである。 通電テストは通常、一定の負荷条件下で行うのが最善であり、毎回同じ運転条件で傾向を把握することが重要である。

最も一般的なアプローチの一つは、絶縁抵抗や分極指数を使用することである。 これらはモーターとケーブルの絶縁対地故障のみを識別し、モーターシステム全体の故障の1%未満（モーター故障の約5%）を占める。

赤外線と振動は通常、併用され、大きな成功を収めている。 しかし、よくある問題をいくつか見逃していたり、故障の末期にしか発見できなかったりする。

サージテストや高電位テストでは、一部の巻線故障や絶縁対地故障しか検出できず、絶縁汚染や弱点が存在する場合はモーターを停止させる可能性がある。

MCAとMCSAは互いにサポートし合い、モーターシステムのほぼすべての問題を検出する。 この精度を得るには、抵抗、インピーダンス、位相角、I/F、対地絶縁を使用するMCAシステムと、電圧と電流の復調を含むMCSAシステムが必要である。

最新かつ最も効果的なアプローチは、振動、赤外線、MCAおよび/またはMCSAである。 このアプローチの長所は、評価とトラブルシューティングに電気的および機械的な分野の組み合わせが含まれることである。 運動器診断と運動器健康調査に見られるように、 3 振動および/または赤外線のみを使用したモーターシステムテストの38%で、大幅な収益改善が見られた。 3 モーター診断と 投資である。 この数字は、MCA/MCSAと振動および/または赤外線を組み合わせたシステムで100%に跳ね上がった。

あるケースでは、赤外線と振動を組み合わせて使用したところ、ROIが3万ドルになった。 同社がMCAをツールボックスに加えたところ、ROIは307,000ドルに増加し、機器を組み合わせて使用することで当初の10倍となった。

応募の機会

電気モーターシステムのテストには、3つの一般的な機会がある。 これらには以下が含まれる：

• 新規に設置または修理されたコンポーネントまたはシステム全体の試運転。 これは、関係する技術に即座に見返りをもたらし、乳幼児の死亡率による災害を回避するのに役立つ。
• 複数のテクノロジーを応用したシステムのトラブルシューティングは、問題をより迅速に、より確信を持って特定するのに役立つ。
• 複数の技術を適切に応用し、システムの信頼性に関する試験結果を傾向分析する。 MCA、振動、赤外線などのテストを使用することで、潜在的な故障を長期にわたって傾向分析し、多くの故障を数ヶ月前に検出することができる。

結論

この論文では、複数の技術がどのように連携し、電気モーター・システムの優れた見解を提供するのか、その概要を説明した。 このアプローチを理解し適用することで、メンテナンス・プログラムから素晴らしい利益を得ることができる。

著者について

ハワード・W・ペンローズ博士は、産業システムのプロセス改善、廃棄物の流れとエネルギー分析、機器の信頼性に焦点を当てた一般工学で博士号を取得。 電動モーターおよびサービス業界で15年の経験を持ち、さまざまな商業施設や産業施設でPdMおよび根本原因分析イニシアチブを主導。

表1：モーターシステム診断技術の比較

表2：経営上の考慮事項

表3：一般的なアプローチ

表4：その他の考慮事項