モーター電流サイン解析（MCSA）の応用例

モーター診断技術は、1990年代から新世紀にかけてさらに普及が進みました。 この技術には、モーター回路解析（MCA）とモーター電流信号解析（MCSA）の両方が含まれ、通電および非通電の電気モーターシステムに適用されます。 アプリケーションはほとんど無限にあるように見えます。

本稿で取り上げるシステムは、モーター回路解析装置ALLTEST IV PRO 2000、モーター電流サイン解析装置ALL-TEST PRO OL、モーター管理ソフトウェアEMCAT、Power System Managerソフトウェア、ATPOL MCSAソフトウェアである。 ALL-TEST PRO MDキットは、米国エネルギー省のソフトウェア「MotorMaster Plus」に加えて、これらすべてのシステムを統合したものです。 本稿の目的は、以下を維持するALL-TEST PRO MDシステムのMCSAアプリケーションを強調することである。

• 抵抗、インピーダンス、インダクタンス、位相角、電流/周波数特性、絶縁対地（MegOhm）試験のMCA測定値。
• 5kHzまでのFFT解析を含む、電圧・電流復調のMCSA機能。
• ソフトウェアによるMCAとMCSAの両方の自動分析・傾向分析機能。
• 瞬時の三相イベントキャプチャを含む、完全な電力品質データロギングと分析。

本稿で紹介した例は、モーターダイアグノシス技術の導入による潜在的なアプリケーションの多くを含んでいます。

ローターバーテスト

MCSA技術開発の原点は、ローターバーの故障を検出することでした。 ローターバーは、振動解析をはじめとする従来の試験方法では評価が難しい。 電流を利用した方法で、ローターバーの状態を評価できると判断したのです。 基本的なルールは単純です。モータに負荷がかかっているとき、基本線周波数付近のポールパス周波数のサイドバンドは、ロータに問題があることを示します。 ローターバーの問題は、サイドバンドのピークがライン周波数のピークの35dB以内に近づくと深刻であると判断されるのが標準的なルールである。

図1：ローターバー周波数

図1の例では、線のピーク周波数から約-40dBのところにサイドバンドがある。 これは、コンプレッサーの500HP、4160ボルトのモーターで、少なくとも1本のローターバーが破断したことを示しています。

図2は、2つの可能性のうちの1つの例である。
シナリオを作成します。

• アルミローターの鋳造ボイド。
• 歯車式アプリケーションの柔らかい歯（または歯）。

図2：鋳造ボイド（軟質歯車）。

より高い周波数で復調された電圧と電流のFFTを使用して、動的および静的な偏心、ローターバーの緩み、その他のローター関連の故障などの問題を検出することができます。

図3：無負荷時のローター摩擦

図3のデータは、7.5馬力、1800RPMの水中ポンプを無負荷でドライテストした場合のものです。 ローターがステーターコアとわずかに擦れており、これが静的・動的偏心として確認され、図のように複数の電流ピークが発生しました。

インダクションモーターのテスト

単相および三相モーターは、復調された電圧と電流の組み合わせで評価することができます。 ある特定のルール、そして強みを
電圧と電流の組み合わせで、電圧と電流にピークがあれば電気的な故障、電流にピークがあり、電圧にピークがなければ機械的な故障となります。 また、MCSAでシステムを評価するメリットとして、電源や負荷に関する障害を検出できることが挙げられます。

図4：ステーターメカニカル故障

図4のように、電流ではピークが確認できるが、電圧のFFTでは表示されないことがわかる。 これは、機械的な故障が存在することを示します。 走行速度やステータースロット数に関係するため、巻線に関係する機械的な故障であることがわかります。 他にも電流のみのピークがいくつかあり、負荷による不具合、この場合はギアボックスの不具合の可能性が高いことを示している（図2に関連する高周波データであることに注意）。

図5：メカニカルアンバランス

図5に示したモーターは、機械的なアンバランスがあった。 このシグネチャーは、2倍のライン周波数（LF）、4倍のライン周波数、そして2倍のライン周波数のパターンとして現れます。 この場合、ローターバーがLFのサイドバンドで走行速度を倍増させた後、残りのパターンが表示されます。

DCモーターテスト

DCモーターは振動と同様の評価となります。 実は、サインは振動でもMCSAと同じなんです。 直流電圧と電流は電機子回路から取り出します。

図6：DCドライブの不具合

図6の場合、ライン周波数の複数の高調波とパワーエレクトロニクス（SCR）の個数×ライン周波数（この場合360Hz）の複数の高調波があり、SCRの故障または接続の緩みを示しています。 これは、低周波データの電圧と周波数のリップルを見ることで確認することができます。

シンクロナスオルタネーターテスト

また、同期式オルタネーターは、電圧と電流を復調した電流を用いて、迅速かつ簡単に評価することができます。 以下の例の場合、オルタネーターが高温でトリップした。 評価にはMCAとMCSAの両方が使われました。

図7：同期式オルタネーター（低周波）のMCSAデータ

図8：オルタネーター動的偏心量

テスト中のオルタネーターは、40分間のテスト運転で偏心の増加、回転磁場故障、いくつかの電気的故障のサインが見られました。 この情報は、巻線のショート、ケーブルのショート、短い部分負荷走行での絶縁抵抗の大幅な低下を示すMCAデータと結びつけられました。 オルタネーターは475kW、480Vacのオルタネーターで、1相につき3本の並列ケーブルが必要でした。 ATPOLシステムには、太いケーブルのためのオプションがいくつも用意されています。 しかし、ピンチの時は各相3本のケーブルを1本ずつ使うので、電流値はだいたい1/3くらいになりました。

図9：オルタネーターの電流接続

可変周波数駆動装置

可変周波数ドライブは、多くのMCSAシステムで課題となっている。 しかし、ATPOLの場合、これは問題ではありません。 出力される電圧と電流の信号を確認することができます（図10）。

図10：VFDの電圧・電流波形（0.05秒キャプチャ）

図11：VFD低周波データ

図10と同じシステムの低周波（<120Hz）データである図11では、ドライブの出力ライン周波数が43Hz、3600回転のモーターの動作速度が2570回転であることがわかります。

図12：VFD高周波データ

図12に示すように、強い電圧と電流のピークは、モーターシステム関連の故障を示す。 追加ノイズの一部は、厳密に言えば、VFDから来る電圧と電流の波形に起因するものです。 しかし、本ソフトウェアは、波形の中に異なる故障に関連するカーソルを自動的に配置することができます。

図13 ピーク値における特別な分析

図13は同じデータですが、ピーク電圧と電流を示したものです。 周波数が高い電流は、電圧高調波に関する問題を示しており、下の波形に示されています。 すべてのデータを総合すると、入力電圧に関連した問題があることがわかります。 46Hzでテストしたところ、問題はより顕著になり、45Hz以上で蔓延する供給システムの欠陥の可能性が指摘されました。

このソリューションは、VFDドライブの出力にフィルタリングを適用することで緩和されます。

モーターと渦流駆動を備えたパンチプレス

駆動負荷を含むモーターシステム全体を見ることができます。

図14：パンチプレスのロードサイクル

図14は、10秒間の電流サイクルを示したものである。 ピークAは、このサイクルの3つのピークのうちの1つで、プレスストロークのパンチ（ボトム）に関係し、ポイントCはストロークのトップに関係する。 B点は、システムがストロークのピークに近づくにつれて、何らかの擦れやつかみの問題が発生したことを示すものである。 下の3つのストロークで、1分間に18回の操作が行われていることを識別することができます。

図15：モーターに関連するライン周波数のサイドバンド

図15は、高い「ノイズフロア」とピークLF周波数周辺の多くのサイドバンドを確認することができます。 これは、高周波データとともに、負荷に向かう方向を指し示すアシストとなります。

図16：渦電流クラッチ高周波データ

図 16 は，整流器（6 個の SCR）からの供給 DC 電圧に接続および/または SCR 故障が存在することを特定するものである。 のピークが高い。
周波数スペクトルは、渦電流駆動装置とパンチプレス自体の故障を特定し、システムの緩みの可能性が高い（関連シグネチャーはノイズフロアの上昇を示す）。

MCSAとエネルギー応用

ATPOLシステムの自動レポートとデータロギング機能は、米国エネルギー省のソフトウェア「MotorMaster Plus」とも連動しています。

MotorMaster Plusには、ALL-TEST Pro、Dreisilker Electric Motors、Pruftechnikの出資により、モーター診断情報を解析のために含めることができる機能が追加されました。 MCAとMCSAの両方を使用することで、ユーザーは電動機の状態を評価し、エネルギーに関連する修理か交換かを投資対効果で確認しながら判断することができます。

例えば、40馬力、1800回転のモーターをMCSAでテストしたところ、機械と電気に関連するいくつかの不具合があることが判明しました。 データはMotorMaster Plusのレポートに組み込まれ、動作周波数は90%負荷で91.5%の効率と判定されました。 エネルギーコストを0.07ドル/kWh、需要を14ドル/kWと仮定し、年間2000回（1シフト）稼働させた場合、単純投資回収年数0.9年、税引き後投資利益率866％のプレミアム効率電気モーターの交換を特定しました。

データは、米国エネルギー省のポンプシステム評価ツール（PSAT）、AirMasterなどでも活用できる。

モーター診断力-ALL-TEST PRO MDシステム

ALL-TEST PRO MDキットで利用できるMCAとMCSAの複合パワーは、EMCATモーターマネジメントソフトウェアシステムを通じて統合され、以下のことを可能にします。
を実行するユーザーです。

• MCAとMCSAの両データを自動で解析。
• ソフトウェアシステム「Power System Manager」「MotorMaster Plus」によるペイバック計算。
• 電気機械の試運転
• 電気機械のトラブルシューティング
• 電気機械の動向
• 電気機械の根本原因分析
• 電気的、機械的な健康状態を示す完全なシステムビュー
• AC/DCシステム、「ソフトカップリング」システム（例：渦電流ドライブ）による負荷の評価
• エネルギーの調査・研究。
• 振動、赤外線など、他の診断技術にも対応。

全てはシンプルなモーター診断システムで。 データ収集は、ハンドヘルドデータコレクターを使用するか、コンピューターやラップトップを使用した「リモート操作」機能（コンピューター画面からシステムを遠隔操作することができます）を使用します。

結論

このALL-TEST Proのホワイトペーパーは、MDモーター診断システムALL-TEST PROのMCSA機能を紹介することを目的としています。
その機能は、誘導電動機の単純な解析にとどまらず、次のようなものがあります。

• ACモーターとオルタネーター
• DCモーターとジェネレーター
• 単相・三相システム
• エディカレントドライブ
• 可変周波数駆動装置
• 入射電力品質
• ドライビングロード
• もっともっと

その能力は、本稿で引用したものをはるかに超えている。

また、電力品質、MCA、MCSA、負荷関連故障検出を利用した機会を特定する追加論文も発表されます。