三相交流誘導電動機の無励磁試験方法について

モーターインダクタンス検査は、全体像を正確に把握できない方法で行われることが多いのです。 不適切なテストは、機器の早期交換やコスト分析の不備など、マイナスの結果につながる可能性があります。 ALL-TEST Pro独自のモーター回路解析（MCA™）装置を使用した無励磁モーターテストは、テストをより正確に、より実用的に、より分かりやすくすることができます。 この記事では、三相交流モーターのテスト方法を紹介し、MCA™メソッドがより包括的である理由を説明します。

従来のテスト方法はどうなっているのか？

三相モーターを最新の試験方法でテストする方法を説明する前に、絶縁抵抗計やマルチメータを使った従来のテスト方法では十分でない理由を説明します。 これらのツールは、モータの特定の部分を見落とし、三相モータの不良を見分けるのに役立つとは限りません。

絶縁抵抗測定器

電気的なステーターの故障のうち、コイルとモーターフレームの間で発生したり、直接地面にショートしたりするものは約17％に過ぎず、約83％は巻線の絶縁体で発生することが分かっています。 IRGテストは巻線の絶縁を無視するため、ごく一部の故障にしか適用されません。 また、地上壁の断熱材の全体的な状態は評価せず、弱点だけを評価します。 IRGメーターは、GWIの電荷を蓄える能力を判断するために、時代遅れの分極指数を使うことを推奨しています。 これらのガイドラインは、古いタイプの断熱材に基づくものであり、新しい断熱システムには無効となる可能性があります。

IRG測定の目的は、絶縁体の状態を知ることではなく、三相電動機の通電が安全であることを確認することです。 散逸係数や対地静電容量などの追加測定により、GWIの全体的な状態をより完全に把握することができます。

マルチメーター

マルチメーターは、特定のモーターのリード線間の電気回路の抵抗値を測定します。 理論的には、導体を包む絶縁体が破壊されると（巻線ショートのように）、ショートしたコイルの抵抗値が他のコイルより低くなり、相間の抵抗アンバランスが生じます。

巻線の絶縁劣化の指標としての抵抗値の問題は、電流が最も抵抗の少ない経路を通るという電気の基本法則にある。 電流がコイルのターンをバイパスする前に、コイル間の絶縁抵抗が、ショートしたターンの導体の抵抗より低くなる必要があります。 これらの値はミリオーム単位で、通常、巻線間の絶縁が完全になくなるまで測定できない。

また、マルチメーターの問題点として、絶縁体の温度係数がマイナスであることが挙げられます。 温度が上がると抵抗値が下がり、電流がコイルの周りを短絡するほど低い値になる可能性があります。 モーターが停止した後に測定すると、巻線と絶縁体の温度が下がり、絶縁体の抵抗が十分に増加し、電流が通常の経路をたどり、相間でバランスのとれた測定値が得られるようになります。

断熱材はどのように分解されるのか？

三相モーターの状態を把握するためには、絶縁破壊の早期発見が重要です。 そのために、MCA™は低電圧のAC信号を使って巻線絶縁システムを運動させ、巻線絶縁が劣化し始めると起こる化学変化を判断します。

すべての物質は分子と原子で構成されています。 原子はレゴ®ブロックのように、化学結合で分子を形成しています。 これらの結合は、原子の最外殻（価数）で発生します。 絶縁材料は、価電子の結合が非常に強固である。 導電性物質は、価電子帯の電子がゆるく結合しています。 熱は絶縁材料の化学構造を変化させ、導体を囲む絶縁体の導電性を高め、絶縁体に経路を形成させることができます。 これらの経路は、導体間に短絡を生じさせます。

によると、この
アーレニウスのほうていしき
この化学反応は、温度が10℃上昇するごとに2倍になります。 断熱材は瞬間的に故障することはありません。 電気絶縁材料はすべて誘電体であり、経時的に化学変化が起こりますが、この反応が劣化を早めるのです。 熱によって反応速度が速くなり、それに伴って劣化速度も速くなる。

そうすると、断熱材が段階的に破壊され始めます。

1. 絶縁体にストレスがかかると、導電性が高まり、抵抗性が低下し、静電容量が低下します。 断層帯で温度が上昇し始め、断熱材が炭化経路を形成する。 初期段階では、絶縁体に電流が流れない。
2. 絶縁体の劣化に伴い、抵抗値は減少し続けます。 自己インダクタンスや静電容量が低下し、モーターが断続的にトリップするようになり、絶縁が冷えると正常に動作するようになるかもしれません。 このまま運転を続けると、断層が悪化して断層帯の温度が上昇し続けることになります。
3. 最終的には、断層帯に電流が流れるまで絶縁が劣化する。 この現象により、巻線の絶縁体が完全に破断し、巻線が気化する可能性があります。 このとき、コイルのインダクタンスと巻線抵抗が変化する。

よくあるローターの故障とは？

大型三相交流誘導電動機の一部（EPRIでは10％）は、ローターの問題で故障します。 これらは、従来のモーターテストでは検出できなかったり、診断に時間がかかったり、複雑な検査機器が必要だったりします。 ここでは、代表的なローターの故障を紹介します。

鋳造ボイド

鋳造ボイドは、リスケージ型ローターの電気部分のローターバーやエンドリングに蒸気バブルが発生することで発生します。 バーやバーの抵抗を増やすのです。 ローターバーは並列回路を作ります。 電気の基本理論では、並列回路の各脚の電圧は同じであるとされています。 ローターバーに鋳巣があると、ローターバーの抵抗が大きくなり、（故障のあるバーを通る）電流の流れが悪くなり、隣接するバーを通る電流の流れが大きくなります。 隣接するローターバーに流れる電流が増加することで、ローターバーがさらに加熱される。 さらに熱が加わることで、影響を受けたバーが熱膨張し、ローターがたわみ、過大な振動やベアリングの早期故障・頻発を引き起こします。

エキセントリックローター

偏芯ローターは、シャフトの幾何学的中心線とローターコアの幾何学的中心線が同心でない場合に発生します。 ローター上でシャフトから最も遠い点（ハイスポット）はステーターに近くなり、ローターの反対側の点（ロースポット）はシャフトに最も近いがステーターからは遠くなる。 偏芯により、ローターコアとステーターコアの間隔が不揃いになります。 偏心ローターにはハイスポットとロースポットがあるため、ローターとステーターの不等間隔はローター位置によって変化します。

このような偏心を動的偏心と呼びます。 この状態は、ローターとステーターの間に電気的にアンバランスな力を発生させ、ベアリングの故障を頻発させることになります。

不等間隔のエアギャップ

同心円状のローターがステーターフィールドの幾何学的中心線上に配置されていない場合、不等間隔のエアギャップが発生します。 このような状況は、モーターフレームとエンドベルのラベットフィットの精度が低く、非同心円に加工されているために発生する可能性があります。 適切に加工されたフィットでも、ローターのGCLがステーターのGCLからオフセットされることがあります。 この問題は、偏心ローターと同様にステーターとローターの間に狭いクリアランスとアンバランスな電気力を生じさせますが、狭いクリアランスはモーター内部の一定の位置に留まり、ローターの向きによって変化することはありません。 このような偏心を静的偏心と呼びます。

モーター足とベースの間の柔らかい足の状態は、静的偏心の原因としてよく知られています。 モーターの足が、モーターを取り付けるベースと同じ平面上にない場合、モーターフレームの押さえボルトを締め付けると、モーターフレームが歪み、ステーターフィールドも歪みます。 これらの歪みは、ローターがステーター磁界の中心から外れているのと同じ状態を作り出しています。

このようなエアギャップがあると、クリアランスが狭くなり、磁力のバランスが崩れて、ベアリングの故障が頻発したり、ローターバーに亀裂や破損が生じたりすることがあります。

ローターバーのひび割れ・破損

ローターバーは、ローター電気回路において導体のような役割を果たします。 ローターバーに亀裂や破損があると、ステーターコアの周りを回転するステーター磁極のいずれかに該当するローターにデッドスポットが発生する。 モータの極数とローターを流れる電流の周波数に等しい周波数で、電流が変調する。 ローターバーの破損や亀裂は、ローターが正常な回転数を得られなかったり、過剰な電流や熱、機械の振動を発生させたりします。 修正せずに放置しておくと、やがてローターが自壊してしまうこともあります。

モーター回路解析™の内容とは？

これらのローターの不具合や従来のテストの欠点を評価するために、より包括的な モーター回路解析三相交流モーターをテストするための ™ 戦略。

グランドウォール断熱

接地絶縁とは、モータに供給される電力とフレームまたはモータのその他の露出部分を分離する絶縁のことである。 電流の通り道を整え、目的地以外の場所に行かないようにするのが目的です。 IRG測定は、モーターの状態ではなく、通電しても安全かどうかを確認するものであることを忘れないでください。 DFとCTGの測定は、GWI全体の状態についてより多くの情報を提供します。

GWIシステムは、直並列RC回路としてモデル化することができます。 GWIの絶縁体は、導電体の間に置かれた誘電体であるため、コンデンサーを形成しています。 コンデンサは電荷を蓄えるので、コンデンサに印加された交流電流の一部は、電圧を取り除くと元に戻る。 しかし、誘電体を横切って流れるものもあります。 電源に戻る電流は容量性で、誘電体を流れる電流は抵抗性である。 コンデンサーに交流電圧をかけると、容量性電流は電圧を90度リードし、誘電体を流れる電流は抵抗性で交流電圧と同位相になります。

新しくてきれいな絶縁体は、抵抗電流が容量電流の3〜5％です。 絶縁材料が劣化すると、抵抗性電流が増加するか、容量性電流が減少するか、あるいはその両方が発生する。 いずれにしても、抵抗性電流と容量性電流の比、つまりDFに影響します。 DFの増加は、熱劣化や汚染に起因するGWIの劣化を示します。

新しくてきれいなモーターは、CTG値も決まっています。 CTGの現在価値がベースラインから上昇した場合、通常、汚染された断熱材や水の浸入によって発生します。 GWI絶縁体の熱劣化により抵抗性電流が増加し、容量性電流が減少するため、CTG値は減少します。 これら2つのAC測定とIRG測定を組み合わせることで、GWIの全体的な状態を判断するためのより多くの情報を得ることができます。

静止固定子巻線試験

固定子巻線試験には、静的なものと動的なものがあります。 静的試験は、ローターが静止しているときに行われ、以下のようなものがあります。

• 巻線抵抗のことです。巻線抵抗の測定は、3本のモーターリードのうち2本に順次直流電圧を印加し、計器リード間に接続された導体の抵抗値を評価することができます。 巻線抵抗に伴うアンバランスは、通常、接続の緩みや高抵抗によるものです。
• インダクタンス（L）。インダクタンスとは、コイルや巻線が磁界を蓄える能力を表す。 モーターには自己インダクタンスと相互インダクタンスがあります。 コイルの絶縁劣化は自己インダクタンスに影響し、ローターの電気回路の変化は相互インダクタンスに影響します。 インダクタンスのアンバランスは、ローターの位置から来ることが多い。 ローターポジションは問題ではなく、誘導電動機に付随する自然発生的な状態です。 ACインダクションモーターは、2次側が回転するトランスとして成形することができます。 ステーター巻線が1次、ローターバーが2次として機能します。 静的な状態では、試験する通電コイルの直下に配置されたローターバーの数によって、一次と二次の間の巻数比が決定されます。 これにより、ローターとステーター間の相互インダクタンスが確立される。 ローター位置の関係で各相の下に配置されるローターバーの数が同じでないと、相間のインダクタンスがアンバランスになる。
• インピーダンス（Z）。 インピーダンスとは、交流回路における電流の流れに対する総反応のことです。 抵抗は直流抵抗のみを測定しますが、回路内のインダクタンスとキャパシタンスはインピーダンスに影響を与えます。 これらの量は、巻線のコイルを形成する導体の周囲にある絶縁体が変化し始めると変化します。 Zはスケーラー値なので、絶縁劣化の初期段階での小さな変化を見逃すことがあります。
• 位相角（Fi）。位相角は、同じ期間内の2つ以上のイベント間の時間遅れを測定します。 1サイクルは360度です。 1周期を終えるのに1秒かかり（周期のこと）、一方の事象が他方に半秒遅れた場合（半周期、180度）、Fiは180度です。 周波数は時間の逆数（1/T）なので、同じ周期の事象はすべて同じ周波数で発生します。 サイクルが同時に始まらなければ、どちらかがリードしたり、遅れたりします。 抵抗性回路、誘導性回路、容量性回路では、電流と電圧がどのようにリードするか、あるいは遅れるかが異なる。 そのため、コイルを構成する導体を取り巻く絶縁体の化学的な構成が変化し始めると、Z、L、R、Cよりも先にFiが変化します。Fi測定は絶縁破壊の先行指標となります。
• 電流の周波数特性 （I/F）。インダクタは電流の変化に対抗して磁界を蓄え、コンデンサは電圧の変化に対抗して電荷を蓄える。 これらの特性が変化すると、コイルや巻線の電荷や磁界を蓄える能力も変化します。 相巻きのコイルの導体を絶縁体で囲む。 すべてのコイルを囲む絶縁体がすべて同じ状態であれば、各相の蓄電能力は同じになります。 絶縁劣化が始まると、この能力が変化し、位相コイルの磁界や電荷を蓄える能力にアンバランスが生じます。 I/F応答は、コイルが磁場や電荷を蓄える能力を測定するものです。 全相の平均値からコイルのI/Fの2%以上のアンバランスは、巻線に発生した故障を示します。

MCA™は、35年以上にわたって現場で成功を収めている技術です。 MCA™は、巻線とローターの故障を特定するためのガイドラインを文書化しています。 このようなガイドラインは、実務家にとって、覚えやすく、適用しやすいものです。 そこで、一部のユーザーからの要望を受け、ALL-TEST Proのエンジニアが独自のソリューションを開発し、特許を取得しました。 彼らは、巻線とローターシステムの状態を定義する、すべてのMCA™測定値を組み合わせた独自のアルゴリズムを開発しました。 テスト値スタティックという単一の値を提供します。 TVS™は絶縁体やローターシステムの適合性を評価するものではありませんが、モーターの巻線とローターの電気系統の状態を反映します。 モーターは自己回復しないので、TVS™に変化があれば、モーターの状態が悪化していることを示します。

基準値スタティックは、一般的にモーターに最初に実施されるTVS™で、基準値または「ベースライン」値として指定されます。 これにより、現在の「静的テスト」の結果を、保存されているRVSと比較し、モーターの状態を評価することができるようになりました。 RVSは、比較の基準として機器またはMCA™ソフトウェアに保存されたTVS™です。 TVS™が元の値から3％以上変化したら、早期警告となります。 5%を超えた場合は、深刻な変化を示します。

新しいモーターやリビルトモーターは、最初の「静的テスト」の結果をRVSとして保存しておく必要があります。

モータをシステムに初めて設置する際、モータコントロールセンターやローカルディスコネクトのようなアクセスしやすい場所から新たに静的試験を行い、その結果を新しいRVSとして保存します。 この新しいRVSは、モーターコントローラーと関連するケーブルにすべての電気部品を組み込んでいます。 その後の静電気試験もその場所で行うことで、電気回路の状態を素早く把握することができます。

新しいTVS™がRVSと3％以下の差であれば、モーターと関連部品の状態は変わっていないことになります。 3％、5％を超えた警告は、それぞれ発達した断層、激しい変化を示します。 必ずしもモーターに変化が起きているわけではなく、システムのどこかに変化が起きているのです。 故障の切り分けには、モーターに直接行う新しい静的テストが必要です。 モーターからのTVS™がモーターのRVSの3％以内であれば、故障はコントローラーまたは関連ケーブルにあります。 3％以上であれば、モーターの巻線かローター系の故障です。

故障がステーターにあるかローターにあるかを判断するには、ダイナミックテストを行う必要があります。

ダイナミックテスト

動的試験は、モーターシャフトを手動でスムーズにゆっくり回転させながら行います。 ステーターシグネチャーとローターシグネチャーを作成するのです。

• ステーターシグネチャー。ステーターシグネチャーは、通電したコイルが作る磁界の中をローターバーが移動する際のインピーダンスの変化量の平均値をプロットしたものです。 良好なモーターでは、平均値の分布が他の位相から1.1％以下である。 それ以上であれば、相内のコイルを構成する導体の絶縁に異常が発生していることを示します。 数値が3％の変化を超えると、絶縁体に激しい劣化が起きていることになります。
• ローターシグネチャー。ローターシグネチャーとは、各ピークが平均値からどの程度ずれているかを示すものです。 良いローターでは、このピークが左右対称になります。 位相の他のピークとの差は10％以下であることが望ましい。 10％以上15％未満は早期警告、15％以上の変動はローター不良を示します。

MCA™はなぜ便利なのか？

残念ながら、MCA™の現代的で現場で実証されたモーターテスト能力に関する知識不足が、この方法の普及を制限しています。 従来のアプローチでは、三相交流誘導電動機の徹底的な解析には限界がありました。 他にも時間のかかる方法がありますが、それらはやはりGWIに焦点を当てたもので、より一般的な巻線の絶縁やローターの問題を示すものではありません。

検査に時間がかかるが、モーターのローターや絶縁システムの状態を判断できない、より高価な測定器も販売されている。

MCA™は、このような課題を克服し、使いやすく分かりやすい無通電モータのテスト方法としています。 これらの三相ACモーターについて、現場で実証された詳細で正確な評価を提供します。 など、当社のMCA™インストゥルメントは
ALL-TEST PRO 7
™ となります。
オールテストプロ34
は、携帯型の電池式ツールで、テストを実行するためのステップバイステップの指示を提供します。 また、モーターの状態を画面上で即座に評価することができます。

MCA™を使ったモーターテストは、より良く、より簡単に、より速く、このようなメリットを提供します。

• トラブルシューティングの精度と成功率が向上します。 多くのモーターは、軽微な故障で修理可能な場合が多いのですが、テストコストがかかるため、ユーザーはそれらを廃棄しています。 工場によっては、決められたサイズ以上のトラブルを抱えたモーターを交換することもあります。 故障を正確に特定することで、これらのユーザーはより良いコスト/修理分析を行い、交換回数を減らし、修理、ダウンタイム、熟練労働者の再配置に関連するコストを最小化することができます。
• より信頼性の高い設置が可能です。 新品のモーターやリビルトモーターを検査することで、工場は支払った対価を確実に受け取ることができます。 故障したモーターを搭載したり、まだ状態が良く修理が容易なモーターを無駄に使用したりすることを避けることができます。
• ダウンタイムの削減モーターに劣化の兆候があるかどうかをテストすることで、突然の故障で操業が停止し、稼働率が低下するのを防ぐ代わりに、疑わしいモーターや弱いモーターを定期的な停電の際に交換することができます。

ALL-TEST ProのMCA™機器

MCA™とALL-TEST ProのユニークなTVS™とRVS値を、三相モーターテスト製品で使い始めてください。 私たちは、さまざまな検査機器を提供しています。私たちの知識豊富なチームが、お客様の業務に最適な検査機器を見つけるお手伝いをさせていただきます。
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