現代の技術で同期モータをテストする方法

同期電動機（シンクロナスマシン）のモーター回路試験と解析の応用をさらに理解するためには、シンクロナスモーターの動作、最も一般的な故障、一般的な試験方法、ALL-TEST IV PRO™(
現在 AT5™
)の大型同期モータへの対応、同期ステータとロータの解析の基本ステップ、そして期待される試験結果(
編集部-ALL-TEST PRO 5™はATIV™の後継機として推奨されます。
). 本稿では、これらの様々な側面について、他の資料も参照しながら、さらに詳しく解説していきます。

シンクロナスマシンについて

大型同期モーターは、基本的に2つの機能を備えています。

• 1つ目は、工場の電気力率を改善することです。 モーターやトランスなどの誘導負荷が大きい工場では、電流が電圧に遅れ始める（力率が悪くなる）。 これがひどくなると、同じ仕事をするのに必要な電流の量が格段に増えてしまうのです。 そのため、電圧降下や電気部品の過熱の原因となることがあります。 同期モータは、力率にほとんど影響を与えないように使用することも、力率の問題を修正するために電流が電圧をリードするように使用することもできます。
• 2つ目の運用方法は、レシプロコンプレッサーのような脈動する負荷を吸収する方法です。 同期モーターが同期速度を達成すると、固定子からの電動モーターの回転磁界と歩調を合わせて「ロック」するコイルを持つ。 トルクパルスが発生した場合（往復圧縮機のストロークの先頭など）、モーターが回転フィールドと同期しないことがあります。 このとき、アモルティスール巻線と呼ばれるローターの特殊巻線（後述の同期構造を参照）がトルクパルスのエネルギーを吸収し、ローターの同期を維持します。

同期モータの基本的な構造は簡単です。 3組の巻線、ステーター、ローター、ベアリング、そして発電機（ブラシレス）または「静止型励磁機」（ブラシ式）がある。

巻線は次のように構成されている：

• 標準的な誘導電動機とよく似た標準的な三相巻線。
• 小型機では丸線、大型機では長方形またはリボン線で作られた直流コイル。
• 誘導電動機のローター・リスケージに似たアモルティサー巻線

ブラシ式同期モーターもブラシレス同期モーターも始動方法は同様です。 スタートサーキットは両者で異なる。 以下、基本的な動作モードについて説明し、その後、相違点について簡単に説明します。

同期モータの始動時は、標準的な誘導モータとほぼ同じ動作をします。 ステーターに電流が流れ、回転磁界が発生します（回転数＝（120×印加周波数）/極数）。 この磁界はアモルティスール巻線に電流を発生させ、自身の磁界がエアギャップ内のステーター磁界と相互作用してローターをステーター磁界に追従させることにより、始動トルクを発生させるために使用します。 ローターがステーター界に追いつき始めると、ローター界磁コイルに直流電流が注入され、南北の磁気ペアが作られます（ローターコイルは常にペアになっています）。 これらは固定子磁界と歩調を合わせ、固定子磁界と同じ速度で追従するが、標準的な誘導モーターは常に遅れている。

ブラシ機では、ロータフィールドの直流電源は通常、供給される交流電力を直流に変換する「スタティック」（電子）スタータから供給されます。 多くの場合、出力DCは始動サイクルを通じて変化させる。 また、ローターの飽和とそれに伴うステーターへの超高電流を避けるため、機械のフィールドコイルをショートさせるようにドライブを設定することもある。 ローターが回り始めると、直流が供給され、モーターのトルク発生をアシストします。 直流電圧は、一対のスリップリングとブラシを通して供給されます。

ブラシレス機では、同期モータの軸に直流発電機を直接取り付けています。 同期電動機が始動すると、発電機は整流子を通してごくわずかな直流を供給します。 速度が上がると直流電圧も上昇し、モーターがトルクを発生し、同期速度でステップ・イン・ロックするのを助ける。 このタイプの機械では、発電機はローター・フィールドに直接配線されている。

また、ローターの軸に発電機を取り付け、別のコントロールに給電する機械もある。 これは、ブラシ機と同じように、まず巻線をショートさせ、次にローターに供給する直流量を制御するために使用します。

最も一般的なシンクロナスモーターの故障

大型の同期モーターは、頑丈に作られている傾向がある。 厳しい負荷に耐えるために、材料を過剰に使用することが多い。 産業用同期機でよくある故障を順番に説明します。

• 一般的な摩耗や汚れによるベアリング
• ローターフィールド – 高温のため、内側から燃え上がることが多い。
• アモルティスール巻線 – 主に往復負荷に使用される。 吸収するエネルギーが大きいので、巻き上げ棒はよく割れます。 特に、ローター・フィールドが故障し始めて短くなっている場合は、ローターが「同期」から外れやすくなる。
• ステータ巻線-一般的な摩耗と汚れ。 同期機の固定子巻線は「フォームワインド」と呼ばれ、厳重に絶縁される傾向があります。

同期電動機で発生する巻線故障のほとんどは、ローターコイルまたはステーターコイルの導体間で発生します。

一般的なテスト方法、長所と短所

同期電動機の状態を評価するための従来の試験方法を以下に示します。

• 絶縁抵抗試験。IEEE 43-2000で規定された直流電圧を印加し、ステーター巻線とグランドとの間に電位をかける。 ステーター巻線とステーターフレームの間の直接故障のみを測定します。 また、ブラシタイプの機械でスリップリングを通して行うこともある。
• 分極指数：絶縁抵抗の10分間と1分間の比。 これは従来、固定子巻線とフレーム間の絶縁状態を測定する方法として用いられてきた。 絶縁抵抗試験と同様、ブラシ式試験機のスリップリングを通して行うこともできる。 IEEE 43-2000に記載されているように、この試験方法は1970年以前の絶縁システムに対してのみ真に有効である。
• 高電位試験。大型機で最も一般的なのは直流高電位試験で、モータ銘板電圧の2倍に1000ボルトを加えた値に3の平方根を掛けた値で実施される。 既存の絶縁システムにおいては、この値を電位電圧の75%まで下げることが多い。 この試験は、絶縁システムに大きなストレスを与え、損傷を与える可能性があります（IEEE規格の388と389による）。 このタイプのテストは、同期モータのロータ巻線には決して適用しないでください。
• サージコンパリゾン試験。電圧の2倍＋1000ボルトの高速立ち上がり時間パルスを与えたときの2つの巻線の波形を比較することで、ステータのみの回転状態を評価する。 巻線が汚染されているなど、修正可能な問題がある場合、このテストではモーターの巻線が損傷する可能性があります。
• 部分放電試験：モーター巻線の絶縁システム内の空隙に発生する放電からの高周波を測定する非破壊試験方法。 これは、6.6 kVを超えるマシンのトレンディングに効果的で、4 kVからは短時間の警告にとどまる。 ローターの故障は検知しない。

• モーター電流シグネチャー解析。誘導電動機のローターテスト用に設計されています。
• 電圧降下試験。モーターを分解して行う必要があります。 ローター巻線に115の交流電圧を印加し、各コイル間の電圧降下を電圧計で測定する。 ショートしている場合、電圧降下は3％以上変化します。

上記のリストには、同期モータの機械試験用機器は含まれていない。

楽器「ALL-TEST Pro」について

ALL-TEST IV PRO™ (
編集部- ALL-TEST PRO 5™は、ATIV™の後継機として推奨しています)
は、モーター回路のACパラメータをカバーする一連の読み取り値を提供することを除いて、マルチメーターとほぼ同じ方法で動作するシンプルな電子機器です。 これはデータコレクタとテスタで、単純な抵抗テストのためにミリオーム・メータと同じ方法で低電圧DC信号を送信し、AC読み取り用の低電圧、高周波AC信号を送信します。 そして、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、対地絶縁抵抗試験などの試験結果を工学単位で測定・計算します。

電力機器の電子テストが従来の電力方式と異なる主な点は、以下の通りです。

• ローター・フィールド・コイルの絶縁状態の変化による影響も含めて、モーター回路をより完全に把握することができる。
• 1台で幅広い機器サイズに対応。 テストは、測定器の単純な抵抗範囲（0.010オーム～999オーム）にのみ制限されます。
• 非破壊 – 有害な電圧を印加することはありません。
• より簡単なデータ解釈 – データ解釈のためのいくつかの簡単なルール（下記のデータ解釈参照）。
• ハンドヘルド機と、40ポンドから100ポンドを超えるような機器との比較。
• 本機の内部電源です。

絶縁システムが古くなったり、絶縁システムが汚染されて絶縁の完全性に影響が出たりすると、モーターの電気回路が変化する。 ローターは回路と一体であるため、ローター回路と絶縁システムの電気的完全性の変化は、ステーター巻線にも直接反映されます。 これにより、モータの即時トラブルシューティングと長期的なトレンドの両方が可能になります。

独自のテスト情報により、ALL-TEST Pro Instrumentsは、絶縁システムの十分なパラメータを表示し、検出と分離を行うことができます。

• ステータ巻線がショートしている
• ローターフィールドの短絡
• アモルティスの巻き上げ棒の破損
• エアギャップ偏心
• 巻線汚れ（ローター、ステーター）
• グラウンドの絶縁不良

ALL-TEST Proによる同期機解析の基本手順

同期機の試験方法は、標準的な誘導電動機の状態を評価する方法と同様です。 しかし、モーターのローターには界磁コイルがあるため、故障のトラブルシューティングを行う際には、いくつかの追加の手順が必要になります。

モーターコントロールセンターまたはスターターから同期機をテストする場合。

• 機器の通電を解除する。 二次電源も確実に非通電にする。
• 測定器のメニューに従って、ステーターの標準的なALL-TEST IV PRO™（現AT5™）テストを実行します。
• テスト結果を評価する（「期待されるテスト結果」参照）
• 故障が表示されている場合は、トラブルシューティングを開始してください。
• ローターの位置を、できるだけ45度まで調整する（ローターが回りにくい場合はどのような動きでも良いが、5度以下はNG）。
• テストを再実行し、読み取った結果を確認する。 故障がずれたり、1桁以上変化している場合は、ローターに故障がある可能性が高いです。
• 故障が静止している（ローター位置で変化しない）場合は、モーター端子箱でリード線を外し、再試験してください。 それでも故障が指摘される場合はステーター、指摘されない場合はケーブルの可能性が高いです。

トラブルシューティング以外の平均的なテスト時間は、約3～5分です。

分解した同期機をテストする場合、ローターがあるのとないのとでは、測定値が大きく異なることを忘れてはならない。

• ALL-TEST IV PRO™オートテストを実施する（AT5
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  テストモード)をステータに適用し、テスト結果を評価します。 これにより、故障があればすぐに表示されます。
• ローターテスト用。

• オートテストを行い、過去の読み取り値と比較する、または。

• Autoテストを実施し、「同一」ローターと比較する、または。
• 電圧降下試験の代わりに、各フィールドコイルに渡ってオート試験を実施する。
• 3つともすべてのパラメータが評価限界に達している必要があります。

このようなテストスタイルのため、これらの結果を傾向分析し、同機種間で比較することが可能です。

その他、モーター回路テストの用途としては、評価・検収、予知保全などがあります。

期待されるテスト結果

本論文の最後のセクションで述べたように、試験結果は三相誘導機で見られたものと同様である。 故障パターンは非常にわかりやすく、機器の大きさに関係なく、ALL-TEST Pro Instrumentsのテスト範囲内で適用されます。 以下、基本的なトラブルシューティングのためのテスト測定とその結果について簡単に説明します。

• 簡単な抵抗測定：回路内の高抵抗接続、接続の緩み、導線の断線などの指標となる。 このテストは、特に抵抗の問題が一箇所にある場合、Iに基づき、重要である。2R、抵抗性のあるスポットは、大きな熱エネルギー（ワット）を出すことになります。 例えば、100Aの電流が流れている回路に0.5オームの抵抗があると、次のような電流が流れます。2)(0.5オーム)＝5,000ワット(5kW)相当のエネルギーになります。 これは、6馬力分の電気モーターを回すのに使うエネルギーとほぼ同じです。
• インダクタンス測定：コイルの磁力や、あるコイルに対する他のコイルの影響を示す指標。 回路の巻数、コイルの寸法、他のコイルのインダクタンスに影響される。 この測定値だけでは、アモルティスの巻線の状態やローターの偏心を知るための指標にしかなりません。 インダクタンスは、ひどい場合のみ巻線が短絡していることを示します。
• インピーダンス測定：回路の複素抵抗の測定。 インダクタンスと同様に、アモルティスの巻線とローターの状態を確認するために使用することができます。 しかし、インダクタンスと併用することで、巻線の過熱や巻線の汚れを素早く検出することができます。 各相のインダクタンスとインピーダンスの関係を見ることによって。インダクタンスとインピーダンスが比較的平行であれば、インダクタンスとインピーダンスのアンバランスはローターとステーターの関係（ローター位置）にあり、平行でなければ、絶縁破壊や巻線汚れなどの絶縁問題の兆候である。
• 位相角とI/F（電流/周波数）：これらはいずれも、ステータまたはロータのターン間の絶縁不良を示す指標である。
• 絶縁抵抗。接地に対する絶縁を評価し、絶縁が破壊された場合にのみ表示されます。

回転機械および変圧器の電子静電巻線回路解析ガイドライン」に概説されている試験限界の推奨は以下の通りである：

表1：試験限界値（ピーク・トゥ・ピーク値）

*測定が平行であれば、この値を超えることがあります。

以下は、トラブルシューティングのルールの概要です。

• 巻線がショートしている。

• 巻線の短絡は、類似のコイルまたは相間における測定器の位相角とI/Fの読み取り値を見ることで評価することができます。
• 位相角（Fi）-位相角は、平均読み取り値の1桁以内である必要があります。 例えば、77/75/76という数値は、平均値が76なので良いということになります。 74/77/77という数値はまずいでしょう。
• 電流周波数特性（I/F）-電流周波数特性は、平均読み取り値の2桁以内であること。 例えば、-44/-45/-46のような数値が良いと思います。 40/-44/-44という数値はまずいでしょう。 ただし、-42/-44/-44のような読み方は疑わしいと考えるべきでしょう。

• 巻線汚れとローターポジション

• 電気モーター内のローターの位置によって、自然な位相のアンバランスが生じることがあります。 また、巻線の汚れは位相のアンバランスの原因となります。 DFを評価することで、位相アンバランスがローターに起因するものなのか、コンタミネーションに起因するものなのかを知ることができる。

• ローターポジション – ローターポジションのアンバランスは、インダクタンスとインピーダンスの値がかなりバランスしているかどうかを見ることで評価することができます。 例えば、17/18/19のインダクタンスと24/26/29の値のインピーダンスがあれば、アンバランスはローター位置によるものです。 また、インダクタンスが5/5/5、インピーダンスが8/9/8の場合も同様です。
• 巻線の汚染 – これは、過熱した（焼けた）巻線にも見られます。 これらの状態は、断熱システムの破壊による断熱材の変化の結果である。

結論

ALL-TEST IV PRO™（現AT5™）は、シンプルなルールと手順で、同期機のトラブルシューティングやコンディションの傾向を把握するための優れたツールです。 このテストは、シンプルで非破壊的なテスト測定を用いて行われ、他のどのテストよりもモータのステータとロータ回路を完全に把握することができます。 機器の大きさや種類に関係なく、シンプルかつダイレクトにテスト評価が可能です。

ビブリオグラフィー

• 回転機械・変圧器の電子静電巻線回路解析ガイドライン株式会社BJM ALL-TEST事業部, 2001.
• ペンローズ，ハワードW． モーター回路解析。理論、応用、エネルギー解析SUCCESS by DESIGN, 2001.