모터 진단: 다중 기술 접근 ​​방식

소개

전기 모터 시스템의 상태를 평가하는 데 필요한 모든 정보를 제공하는 상태 기반 모니터링(CBM) 도구의 형태로 ‘마법의 탄환’이 있다는 오해가 계속 이어지고 있습니다. 이러한 오해는 종종 이러한 CBM 장비의 제조업체 또는 영업 인력의 상업적 프레젠테이션에 의해 발생합니다. 그것은 바로 특정 악기의 강점 영역에 집중하고 ‘모든 문제를 해결하는 데 필요한 유일한 솔루션’으로 제시하는 영업 사원의 역할입니다.

실제로 필요한 모든 정보를 제공하는 도구는 없습니다. CBM 및 신뢰성의 ‘성배’ 없음. 그러나 전기 모터 시스템과 CBM 기술의 기능에 대한 이해를 통해 시스템과 상태를 완벽하게 파악할 수 있으며 경영진에게 좋은 권장 사항을 제시하기 위해 고장까지 걸리는 시간을 예측할 수 있다는 확신을 가질 수 있습니다.

이 백서의 목적은 간단합니다. 전기 모터 시스템의 구성 요소를 설명합니다. 각 주요 구성 요소의 고장 모드에 대해 논의하십시오. 각각의 주요 기술이 각 구성 요소를 다루는 방법에 대해 논의하십시오. 시스템의 전체 보기를 위해 기술을 통합할 수 있는 방법에 대해 논의합니다. 다중 기술 접근 ​​방식의 최종 영향에 대해 논의합니다. 검토할 CBM 장비 유형은 주기적인 테스트에 사용되는 표준 기성 기술입니다.

전기 모터 시스템

전기 모터 시스템은 전기 모터보다 훨씬 더 많은 것을 포함합니다. 사실, 6개의 개별 섹션으로 구성되어 있으며 모두 서로 다른 고장 모드를 가지고 있습니다. 섹션은 다음과 같습니다(그림 1).

• 배선 및 변압기를 포함하는 설비 배전 시스템.
• 시작 시스템.
• 전기 모터 – 이 백서의 목적을 위한 3상 유도 모터.
• 직접 연결, 기어박스, 벨트 또는 기타 연결 방법이 될 수 있는 기계적 연결. 이 백서의 목적을 위해 직접 연결 및 벨트에 중점을 둘 것입니다.
• 부하는 팬, 펌프, 압축기 또는 기타 구동 장비와 같은 구동 장비를 말합니다.
• 폐수 펌핑, 혼합, 통기 등과 같은 공정

대부분은 문제 해결, 트렌딩, 시운전 또는 시스템과 관련된 다른 신뢰성 기반 기능을 수행할 때 시스템의 개별 구성 요소를 볼 것입니다. 어떤 구성 요소가 집중되어 있습니까? on은 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다.

• 관련된 직원 및 관리자의 경험과 배경은 무엇입니까? 예를 들어, 유지보수 직원이 주로 기계일 때는 강한 진동 프로그램을, 주로 전기일 때는 적외선 프로그램을 가장 자주 보게 됩니다.
• 인지된 실패 영역. 이것은 운동 시스템이 인식되는 방식에 따라 심각한 문제가 될 수 있으며 따라야 할 더 많은 주의가 필요합니다.
• 다양한 CBM 기술에 대한 이해
• 훈련. 그러나 언제부터 훈련이 문제가 되지 않았습니까?

감지된 고장 영역은 운동 시스템의 이력을 볼 때 특히 심각한 문제를 제공합니다. 종종 레코드가 생성될 때 유일한 요약에는 “팬 고장, 수리됨” 또는 “펌프 고장, 수리됨”과 같은 내용이 표시될 수 있습니다. 최종 결과는 감지된 고장이 모터 시스템의 펌프 또는 팬 구성 요소와 관련이 있다는 것입니다. 특히 이력을 기반으로 플랜트에서 해결해야 할 가장 심각한 문제에 대한 답을 제공하기 위해 메모리에 의존할 때 더 큰 문제가 됩니다. 예를 들어, 플랜트의 어떤 부분이 가장 많은 문제를 일으키는지 확인하려고 할 때 대답은 “폐수 펌프 1″일 수 있습니다. 즉각적인 인식은 펌프에 일관된 문제가 있고 펌프가 기계 시스템이므로 펌프의 상태 경향을 파악하기 위해 기계 모니터링 솔루션을 선택할 수 있다는 것입니다. 각 고장에 대한 근본 원인이 기록되었다면 모터 권선, 베어링, 케이블, 컨트롤, 프로세스 또는 문제의 조합으로 결정되었을 수 있습니다.

최근 회의에서 CBM 장비 선택에 대해 논의하는 동안 참석자들은 각자의 위치에서 발생하는 고장 모드에 대해 질문을 받았습니다. 대답은 팬, 압축기 및 펌프였습니다. 추가로 논의했을 때, 팬은 베어링 및 모터 권선 결함이 가장 흔한 것으로 밝혀졌으며, 펌프용 펌프 씰 및 모터 베어링, 압축기용 씰 및 모터 권선이 있습니다. 자세히 보면 권선 결함은 제어 및 케이블 문제, 부적절한 수리 및 전력 품질과 관련이 있습니다. 베어링 문제는 부적절한 윤활 관행과 관련이 있었습니다.

실제로 전기 모터 시스템에서 CBM을 구현하는 최선의 방법을 결정할 때 구성 요소가 아닌 시스템 관점을 취해야 합니다. 결과는 간단합니다. 향상된 안정성; 적은 두통; 그리고 개선된 수익.

조건 기반 모니터링 테스트 장비

다음은 사용 중인 보다 일반적인 CBM 기술 중 일부이며, 기술에 대한 자세한 내용은 “모터 회로 분석”에서 확인할 수 있습니다 . 이 종이:

전원이 꺼진 테스트:

1 모터 회로 분석: 이론, 응용 및 에너지 분석 , Howard W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• DC 고전위 테스트 – 모터 정격 전압의 두 배에 AC의 경우 1,000볼트를 더하고 DC 고전위의 경우 그 값의 1.7배를 추가로 적용하여(일반적으로 절연 시스템의 스트레스를 줄이기 위한 승수 사용), 절연 시스템 사이의 절연 시스템 모터 권선 및 접지(지상벽 절연)가 평가됩니다. 테스트는 잠재적으로 파괴적인 것으로 널리 간주됩니다.
• 서지 비교 테스트: 고전위 테스트와 동일하게 계산된 값에서 전압 펄스를 사용하여 모터의 각 상의 임피던스를 그래픽으로 비교합니다. 이 테스트의 목적은 각 위상의 처음 몇 턴 내에서 단락된 턴을 감지하는 것입니다. 이 테스트는 고정자에 회전자가 없는 상태에서 가장 잘 수행되기 때문에 일반적으로 제조 및 되감기 애플리케이션에서 수행됩니다. 이 테스트는 잠재적으로 파괴적인 것으로 널리 간주되며 추세에 대한 진정한 능력이 없는 진행/비진행 테스트로 주로 사용됩니다.
• 절연 테스터: 이 테스트는 권선과 접지 사이에 DC 전압을 배치합니다. 낮은 전류 누설이 측정되고 메가, 기가 또는 테라옴 측정으로 변환됩니다.
• Polarization Index 테스트: 절연 테스터를 사용하여 10분에서 1분의 값을 보고 비율을 생성합니다. IEEE 43-2000에 따르면 5,000메그옴 이상의 절연 값은 PI를 사용하여 평가할 필요가 없습니다. 이 테스트는 심각한 권선 오염 또는 과열된 절연 시스템을 감지하는 데 사용됩니다.
• 옴, 밀리옴 테스트: 옴 또는 밀리옴 미터를 사용하여 값을 측정하고 전기 모터 권선 사이에서 비교합니다. 이러한 측정은 일반적으로 느슨한 연결, 끊어진 연결 및 매우 늦은 단계 권선 결함을 감지하기 위해 수행됩니다.
• 모터 회로 분석(MCA) 테스트: 저항, 임피던스, 인덕턴스, 위상각, 전류:주파수 응답 및 절연 테스트 값을 사용하는 기기는 문제 해결, 시운전 및 제어, 연결, 케이블, 고정자, 회전자, 에어 갭을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 그리고 지상 건강에 절연. 저전압 출력을 사용하여 일련의 브리지를 통해 판독값을 읽고 평가합니다. 전기 고장이 발생하기 몇 달 전에 비파괴적이고 경향이 있는 판독값이 제공되는 경우가 많습니다.

2 잠재적으로 파괴적: 오적용을 통해 잠재적으로 장비의 작동 조건을 변경하거나 약화된 절연 조건을 종료할 수 있는 모든 기기는 잠재적으로 파괴적인 것으로 간주됩니다.

통전 테스트:

진동 분석: 기계적 진동은 전체 진동 값과 FFT 분석을 제공하는 변환기를 통해 측정됩니다. 이러한 값은 기계적 결함 및 결함 정도의 지표를 제공하고 추세를 파악할 수 있으며 모터 부하에 따라 달라지는 일부 전기 및 회전자 문제에 대한 정보를 제공합니다. 로터의 결함을 감지하기 위한 전기 모터의 최소 부하 요구 사항. 테스트 중인 시스템에 대한 작업 지식이 필요합니다.

적외선 분석은 물체 간의 온도 차이에 대한 정보를 제공합니다. 결함 정도에 따라 결함이 감지되고 추세가 나타납니다. 기계적 결함을 감지하는 일부 기능으로 느슨한 연결 및 기타 전기적 결함을 감지하는 데 탁월합니다. 판독값은 부하에 따라 달라집니다. 테스트 중인 시스템에 대한 작업 지식이 필요합니다.

초음파 기기는 저주파 및 고주파 노이즈를 측정합니다. 결함의 후기 단계에 대한 다양한 전기적 및 기계적 문제를 감지합니다. 판독값은 부하에 따라 달라집니다. 테스트 중인 시스템에 대한 작업 지식이 필요합니다.

전압 및 전류 측정은 모터 시스템의 상태에 대한 제한된 정보를 제공합니다. 판독값은 부하에 따라 달라집니다.

모터 전류 시그니처 분석(MCSA)은 전기 모터를 트랜스듀서로 사용하여 모터 시스템의 상당 부분을 통해 전기적 및 기계적 결함을 감지합니다. 일반적으로 go/no go 테스트로 사용되는 MCSA에는 몇 가지 추세 분석 기능이 있지만 일반적으로 후반 단계에서 권선 결함 및 기계적 문제만 감지합니다. 부하 변동에 민감하며 판독값은 부하에 따라 달라집니다. 명판 정보가 필요하고 많은 시스템에는 회전자 바, 고정자 슬롯 및 작동 속도의 수동 입력이 필요합니다.

주요 구성 요소 및 고장 모드

모터 시스템의 다양한 구성 요소에서 발생하는 주요 문제 중 일부는 발견된 오류 유형과 이를 감지하는 데 사용되는 기술에 대한 이해를 제공하기 위해 검토되어야 합니다. 개요로서 이것은 사용자가 경험할 수 있는 모든 실패 모드를 포함하지 않을 수 있습니다.

들어오는 힘

들어오는 전력에서 부하로 시작하여 가장 먼저 해결해야 할 영역은 들어오는 전력 및 분배 시스템. 문제의 첫 번째 영역은 전력 품질 다음 변압기입니다.

전기 모터 시스템과 관련된 전원 품질 문제는 다음과 같습니다.

• 전압 및 전류 고조파: 전압은 5% THD(Total Harmonic Distortion)로 제한되고 전류는 3% THD로 제한됩니다. 전류 고조파는 전기 모터 시스템에 가장 큰 피해를 줄 수 있습니다.
• 과전압 및 저전압 조건: 전기 모터는 명판 전압의 +/- 10% 이하에서 작동하도록 설계되었습니다.
• 전압 불균형: 위상 간의 차이입니다. 전압과 전류 불균형의 관계는 모터 설계에 따라 전압 불균형과 관련하여 몇 배에서 몇 배까지 다양합니다(최대 20배).
• 역률: 1에서 역률이 낮을수록 시스템이 작업을 수행하는 데 더 많은 전류를 사용해야 합니다. 열악한 역률의 징후에는 중장비가 시작될 때 조명이 어두워지는 것도 포함됩니다.
• 과부하 시스템: 변압기, 케이블 연결 및 모터의 기능을 기반으로 합니다. 일반적으로 전류 측정과 열로 감지됩니다.

들어오는 전력의 문제를 감지하는 데 사용되는 기본 도구는 전력 품질 미터, MCSA 및 전압 및 전류 미터입니다. 전력 품질의 상태를 알면 많은 ‘팬텀’ 문제를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

변압기는 모터 시스템의 첫 번째 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 일반적으로 변압기는 시스템의 다른 구성 요소보다 문제가 적습니다. 그러나 각 변압기는 일반적으로 전기 모터와 다른 시스템 모두에서 여러 시스템을 관리합니다.

일반적인 변압기 문제는 다음과 같습니다(오일 충전 또는 건식 변압기).

• 지락에 대한 절연.
• 단락 된 권선.
• 느슨한 연결 및,
• 전기적 진동/기계적 풀림

변압기의 상태를 모니터링하는 데 사용되는 테스트 장비(이 백서에서 선택한 기기 내)는 다음과 같습니다.

• 접지, 느슨한/깨진 연결 및 단락용 MCA
• 전력 품질 및 후기 오류를 위한 MCSA
• 느슨한 연결에 대한 적외선 분석
• 풀림 및 심각한 결함에 대한 초음파
• 접지 결함에 대한 절연을 위한 절연 테스터.

MCC, 제어 및 연결 해제

모터 제어 또는 분리는 전기 모터 시스템의 일부 주요 문제를 제공합니다. 저전압 및 고압 시스템 모두에 가장 일반적인 것은 다음과 같습니다.

• 느슨한 연결
• 흠집, 손상, 타거나 마모된 접촉 불량
• 접촉기의 스타터 코일 불량
• 일반적으로 상당한 전류 불균형을 초래하는 잘못된 역률 보정 커패시터.

컨트롤을 평가하는 테스트 방법에는 적외선, 초음파, 볼트/암페어 미터, 옴 미터 및 육안 검사가 포함됩니다. MCA, MCSA 및 적외선은 결함 감지 및 경향 분석을 위한 가장 정확한 시스템을 제공합니다.

케이블 – 컨트롤 전후

케이블링 문제는 거의 고려되지 않으며 결과적으로 가장 큰 골칫거리 중 일부를 제공합니다. 일반적인 케이블 문제는 다음과 같습니다.

• 과부하 또는 노화로 인한 열분해
• 도관을 통해 지하를 통과하는 케이블에서 훨씬 더 심각할 수 있는 오염
• 접지뿐만 아니라 위상 단락도 발생할 수 있습니다. 이는 ‘트리잉’ 또는 물리적 손상으로 인해 발생할 수 있습니다.
• 물리적 손상 또는 기타 원인으로 인해 열립니다.
• 물리적 손상은 종종 다른 케이블 문제와 결합하여 문제가 됩니다.

테스트 및 트렌딩은 MCA, 적외선, 절연 테스트 및 MCSA로 수행됩니다.

모터 공급측 요약

모터에 대한 공급 측면에서 문제는 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 열악한 역률 – 39%
• 연결 불량 – 36%
• 소형 컨덕터 – 10%
• 전압 불균형 – 7%
• 저전압 또는 과전압 조건 – 8%

이러한 영역을 다루는 가장 일반적인 장비에는 MCA, 적외선 및 MCSA가 있습니다.

전동기

전기 모터에는 기계 및 전기 부품이 포함됩니다. 실제로 전기 모터는 전기 에너지를 기계적 토크로 변환하는 변환기입니다.

주요 기계적 문제:

• 베어링 – 일반적인 마모, 오용, 적재 또는 오염.
• 불량하거나 마모된 샤프트 또는 베어링 하우징
• 일반적인 기계적 불균형 및 공진

진동 분석은 전기 모터의 기계적 문제를 감지하기 위한 기본 방법입니다. MCSA는 적외선 및 초음파와 마찬가지로 후기 단계의 기계적 문제를 감지합니다.

주요 전기 문제:

• 도체 또는 코일 사이의 권선 단락
• 권선 오염
• 지락 절연
• 편심 로터를 포함한 에어 갭 결함
• 캐스팅 보이드 및 부러진 로터 바를 포함한 로터 결함.

MCA는 개발 초기에 모든 결함을 감지합니다. MCSA는 후기 고정자 결함과 초기 회전자 결함을 감지합니다. 진동은 후기 단계 결함을 감지하고, 접지 절연은 모터 시스템 결함의 1% 미만을 구성하는 접지 결함만 감지하고, 서지 테스트는 얕은 권선 단락만 감지하며, 다른 모든 테스트는 후기 단계 결함만 감지합니다.

커플링(직접 및 벨트식)

모터와 부하 사이의 결합은 마모 및 애플리케이션으로 인한 문제의 기회를 제공합니다.

• 벨트 또는 다이렉트 드라이브 오정렬
• 벨트 또는 인서트 마모
• 벨트 장력 문제는 대부분이 생각하는 것보다 더 일반적이며 일반적으로 베어링 고장으로 이어집니다.
• 쉬브웨어

커플링 결함 감지를 위한 가장 정확한 시스템은 진동 분석입니다. MCSA 및 적외선 분석은 일반적으로 심각하거나 후기 단계의 결함을 감지합니다.

부하(팬, 펌프, 압축기, 기어박스 등)

부하에는 부하 유형에 따라 다양한 유형의 결함이 있을 수 있습니다. 가장 흔한 것은 마모된 부품, 파손된 부품 및 베어링입니다.

부하 문제를 감지할 수 있는 테스트 장비에는 MCSA, 진동, 적외선 분석 및 초음파가 포함됩니다.

다중 기술에 대한 일반적인 접근 방식

업계에는 몇 가지 일반적인 접근 방식과 몇 가지 새로운 접근 방식이 있습니다(표 3 참조). 통전 및 비통전 테스트의 조합을 가장 잘 사용합니다. 통전 테스트는 일반적으로 일정한 부하 조건에서 가장 좋고 매번 동일한 작동 조건에서 추세가 나타난다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

가장 일반적인 접근 방식 중 하나는 절연 저항 및/또는 분극 지수를 사용하는 것입니다. 이는 전체 모터 시스템 결함의 1% 미만(모터 결함의 ~5%)을 나타내는 모터와 케이블 모두의 접지 결함에 대한 절연만 식별합니다.

적외선과 진동은 일반적으로 서로 함께 사용되어 큰 성공을 거두었습니다. 그러나 그들은 몇 가지 일반적인 문제를 놓치거나 오류의 후반 단계에서만 감지합니다.

서지 테스트와 고전위 테스트는 일부 권선 결함과 접지 결함에 대한 절연만 감지하며, 절연 오염이나 약점이 있는 경우 모터를 작동하지 않게 할 가능성이 있습니다.

MCA와 MCSA는 서로를 지원하고 운동 시스템의 거의 모든 문제를 감지합니다. 이 정확도를 위해서는 저항, 임피던스, 위상각, I/F 및 접지 절연을 사용하는 MCA 시스템과 전압 및 전류 복조를 포함하는 MCSA 시스템이 필요합니다.

가장 새롭고 가장 효과적인 접근 방식은 진동, 적외선 및 MCA 및/또는 MCSA였습니다. 이 접근 방식의 강점은 평가 및 문제 해결과 관련된 전기 및 기계 분야의 조합이 있다는 것입니다. 모터 진단 및 모터 건강 연구에서 발견된 바와 같이, 3 진동 및/또는 적외선만을 포함하는 운동 시스템 테스트의 38%는 3 모터 진단 및 투자. 이 수치는 진동 및/또는 적외선과 함께 MCA/MCSA의 조합을 사용하는 시스템에서 100%로 뛰어 올랐습니다.

어떤 경우에는 적외선과 진동을 결합하여 30,000달러의 ROI를 달성했습니다. 회사가 도구 상자에 MCA를 추가했을 때 ROI는 도구 조합을 사용하여 원래의 10배인 $307,000로 증가했습니다.

지원 기회

전기 모터 시스템 테스트에는 세 가지 일반적인 기회가 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 구성 요소 또는 전체 시스템을 새로 설치하거나 수리할 때 시운전합니다. 이것은 관련된 기술에 대해 매우 즉각적인 회수를 제공할 수 있으며 영아 사망 재해를 피하는 데 도움이 될 것입니다.
• 여러 기술을 적용하여 시스템 문제를 해결하면 훨씬 더 빠르고 확실하게 문제를 식별하는 데 도움이 됩니다.
• 여러 기술의 적절한 적용을 다시 사용하여 시스템 안정성에 대한 테스트 결과의 경향. MCA, 진동 및 적외선과 같은 테스트를 사용하여 잠재적인 결함을 장기간에 걸쳐 추세를 파악하여 몇 달 전에 많은 결함을 감지할 수 있습니다.

결론

이 백서에서는 여러 기술이 함께 작동하여 전기 모터 시스템에 대한 좋은 시각을 제공하는 방법에 대한 간략한 개요를 제공했습니다. 이 접근 방식을 이해하고 적용하면 유지 관리 프로그램에서 환상적인 수익을 얻을 수 있습니다.

저자 소개

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D. 박사 학위를 받았습니다. 산업 시스템 프로세스 개선, 폐기물 스트림 및 에너지 분석 및 장비 신뢰성에 중점을 둔 일반 공학에서. 그는 전기 모터 및 서비스 산업 분야에서 15년 동안 다양한 상업 및 산업 분야에서 PdM 및 근본 원인 분석 이니셔티브를 주도했습니다.

표 1: 모터 시스템 진단 기술 비교

표 2: 관리 고려 사항

표 3: 일반적인 접근 방식

표 4: 추가 고려 사항