電気信号解析によるパルス幅変調モータ駆動の故障検出

産業界におけるACモーター用モーター・ドライブの使用は増加の一途をたどっており、パルス幅変調ドライブ（PWM）は低～中馬力アプリケーションの一般的な業界標準となっています。 モーターシステム内の他のコンポーネントと同様に、PWMドライブにもさまざまな故障モードがあり、トラブルシューティングの目的で電気技術者は一般的にデジタルマルチメーター（DMM）、デジタルオシロスコープ、パワークオリティアナライザーを使用します。 これら3つの計器は、電気技術者が入力電力とモーター駆動に関連する問題のトラブルシューティングを行うことを可能にしますが、モーター自身とモーターの駆動負荷内の故障検出には限られた機能しか提供しません。 さらに、これらの計測器は別個のものであり、レポート機能も限られているため、予知保全（PdM）や状態基準保全（CBM）を目的としたテストは困難な場合があります。

信頼性試験において、DMM、オシロスコープ、パワー・クオリティ・アナライザよりも電気的特性解析（ESA）の方が明らかに優れているのはこの点です。 さらに、入力電力とモーター駆動の状態を評価するだけでなく、多くの一般的な故障モードについてモーターと被駆動負荷の状態も評価する。

ESAについて

ESAは、モーターシステムの運転中に電圧と電流の波形を取り込み、高速フーリエ変換（FFT）により、付属のソフトウェアでスペクトル分析を行うオンライン試験方法です。 このFFTから、入力電力、制御回路、モーター本体、および駆動負荷に関連する故障が検出され、CBM/PdMの目的でトレンド分析が可能です。 私たちのESA装置は、ハンドヘルド、ポータブル、バッテリー駆動である。

すべてのESA分析システムは、電圧、運転速度、全負荷電流、馬力（またはkW）のモーター銘板情報を必要とします。 さらに、ローターバーやステータースロット数、ベアリング部品番号、ファンのブレード数やギアボックスアプリケーションの歯数などの被駆動負荷部品の情報などのオプション情報を入力することで、より詳細で正確な解析を行うことができます。

ESAは多くの人にとって新しいものであるため、以下にESAが検出する一般的な故障を図示する。 図1を参照。

この記事では、PWMドライブによくある3つの不具合について説明します：

1) 整流ブリッジの入力ダイオードが開いている。

2) 中間直流回路のコンデンサの故障。

3) 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）の不良。

この3つのうち、コンデンサの故障はモータの性能を監視してもすぐに兆候が現れないため、早期発見が最も難しい。

ドライブについて

図2はPWMモーター・ドライブの基本ブロックを示しており、これには入力交流電源、入力交流電圧を整流する全波ダイオード・ブリッジ、コンデンサを含む中間直流回路、インバータ・ブリッジ、モーターが含まれる。

ESAを使用した試験では、試験対象のモーターシステムに電圧と電流を接続します。 接続は通常、モーター・コントロール・センターで行われ、備え付けの携帯用電圧プローブと携帯用変流器、またはあらかじめ設置された特別な接続ボックスを使って行われる。 接続ボックスの利点は、必要な接続を行うためにモーター制御盤を開けることなくデータを取得できることである。

PWMアプリケーションでは、PWMドライブへの入力とPWMドライブの出力の2つのデータを取る必要がある。 データ収集プロセス全体（接続が行われた後）にかかる時間は約4分で、この時点ではモーターの銘板情報は必要ありません。 この情報は、後でデータ分析を行う際に入力することができる。

データファイルは、付属のソフトウェアを使用して表示され、Microsoft® Wordのレポートが作成されます。 このソフトウェアには、さまざまな分析スペクトルを扱うための使いやすいツールが用意されている。 ソフトウェアの調査結果は、完全なレポートを作成しなくても見ることができる。

このソフトウェアは自動的に以下のことを報告する：

力率、電流アンバランス、電圧アンバランスと銘板に対する実効電圧、銘板に対する負荷、位相接続、ローターの健全性、ステーターの電気的および機械的健全性、ローター/ステーターのエアギャップ、全高調波歪み（電圧と電流）、不整列/アンバランス表示、ベアリングの健全性。

また、電圧と電流のピークとクレストファクター、位相インピーダンス、電力（皮相電力、実質電力、無効電力）、運転速度、ライン周波数も報告します。 AC誘導モーターとDCモーターについては、モーター効率も計算します。

平均的な熟練ユーザーであれば、モーター1台あたり10分もかからずに完全な分析を実行し、レポートを作成することができる。

ケース・ワン

ケース1は、EMA社（ニューヨーク州コートランド）のサービス施設で受け取ったモータードライブです。 ドライブとモーターはダイナモメーターでテストされた。

2つのデータが収集された。 1つ目は、ドライブの入力で波形のみをキャプチャしたもので、2つ目はドライブの出力でキャプチャしたものである。 2つ目のデータセットには、電圧波形と電流波形のキャプチャと、50秒間の電圧波形と電流波形が含まれる。

図6はC相の入力電流波形である。負のピークが欠けていることに注意。 これはダイオードが開いていることが原因である。

ESAが自動的に生成するレポートでは、電流のアンバランスと、オープンダイオードに起因する過大な高調波歪みの両方が特定されます。

この報告書の最初のページは要約のみで、各主題の詳細が記載された追加ページがある。 ここで見られるような大きな電流位相アンバランスは、PWMドライブの内部コンポーネントを損傷し、モーター・ドライブに給電する電源トランスにストレスを与える可能性があります。

ケース2

件目はEMAが修理を依頼したもので、コンデンサーバンクのコンデンサーの老朽化が原因である。 問題は、これらのコンデンサーが老朽化し、劣化し始めると、モーターの性能は明らかな兆候を示さなくなることだ。 ひとたびコンデンサが故障し始めると、良好なコンデンサによってさらなる電流が流され、コンデンサに過度の熱が発生し、その熱が残りのコンデンサの故障を加速させる。 これらのコンデンサーには、内部の過度の圧力を逃がすための通気口があるが、通気口が十分でない場合、爆発する可能性がある。 さらに、モーターに供給される過剰なリップル電圧は、モーターが高調波電流を引き込む原因となる。 これらの高調波電流は負のシーケンストルクを発生させ、モーター性能を低下させ、さらにモーター内部に有害な熱を蓄積させます。

図9はドライブ出力の電圧を示しており、これはコンデンサーが良好な状態の良好なドライブの場合である。

ケース3

ケース番号3はEMAが修理のために受け取った。 出力波形はIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）がオンしていないことを示している。 これにより、電流のアンバランスと波形の歪みの両方が生じる。

結論

結論として、DMM、オシロスコープ、および電源品質測定器は、PWMモーター・ドライブに対して優れたトラブルシューティング能力を提供する。 しかし、データ収集とレポート作成に限界があるため、電気モーターの信頼性試験プログラムにうまく組み込むことができない。 さらに、一般的なモーターや負荷に関連する問題については、ほとんど情報を提供していない。

電気的特性解析により、信頼性技術者は、入力電力から駆動負荷までのモータシステム全体を見ることができます。 PWMアプリケーションでは、電圧と電流の接続が完了してからデータ収集にかかる時間は4分未満です。 この4分間のテスト・プロセスから、ドライブやモーターの故障がモーター・システムの故障を引き起こす前に、整流ダイオードの故障、DCバス・コンデンサの不良、IGBTの故障などの問題を素早く特定することができます。

重要なのは、この3つのケースすべてにおいて、負荷やその他の運転要因によってはモーターはまだ作動しているかもしれないが、システムが作動し続ける確実性は損なわれているということである。 モーターやPWMドライブに新たな損傷が発生する前に、ESAがこれらの故障を早期に特定することで、高価なダウンタイムを最小限に抑え、機器の信頼性を向上させ、機器の致命的な損傷や作業員の負傷を防ぐことができます。

著者について

リチャード・スコットはナショナル・セールス・マネージャー、ドン・ハアパプロ（CMRP）はALL-TEST Pro, LLCのキーアカウント・マネージャーです。 ALL-TEST Pro社は、電動機、発電機、変圧器、コイル、巻線の予知保全試験、品質管理、トラブルシューティングに使用されるモータ回路解析（MCA）、電気信号解析（ESA）、電力品質解析（PQ）用のポータブル試験装置メーカーです。 オールテスト・プロ® MCA装置は、巻線故障、位相アンバランス、ローター故障、地絡故障などの電気故障を早期に検出します。 ALL-TEST PRO® ESAおよびPQ装置は、入力電力、電気モーターから電気的および機械的な被駆動負荷までの自動分析を提供します。 ハンドヘルド、バッテリー駆動で使いやすく、離れた場所からでも、事実上どんなサイズやタイプの電気モーター、発電機、変圧器でもテストできます。 ウェブサイトはwww.alltestpro.com。

ディーン・ウィリアムズはEMA社の技術サービス担当副社長で、ニューヨーク州コートランドのサービスセンターで働いている。 EMAはモーター・ドライブの販売とサービスを行い、さらにモーター・ドライブのトラブルシューティングを適切に行うためのトレーニングを提供しています。 ウェブサイトはwww.emainc.net。

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