모터 회로 분석을 사용한 DC 모터 테스트 이점

직류(DC) 전기 모터의 전기 테스트는 산업, 제조 및 수리 센터 모두에서 어려운 과제입니다. 중요한 문제는 정확한 정보가 제공되지 않는 경우 하나의 코일을 다음 코일과 비교하는 기능과 관련이 있습니다. 이 기사에서는 모터 회로 분석(MCA)을 사용하여 테스트 및 분석 결론의 신뢰도를 높이기 위한 간단한 테스트 문제에 대해 논의합니다.

MCA 라는 용어는 AC 또는 DC 전기 모터의 기본 구성 요소에 대한 정보를 제공하는 테스트 방법에서 파생됩니다. 이러한 기본 구성 요소에는 다음이 포함됩니다:

• 저항, 옴 단위로 측정
• 임피던스, 옴 단위로 측정
• 인덕턴스, 헨리 단위로 측정
• 유도 권선 위상각(도 단위로 측정)
• 절연 저항, 메그옴 단위 측정

이 기사에서 언급할 기기는 저전압, 실제 사인파, 교류(임피던스, 인덕턴스, 위상각), 100~800Hz 주파수의 신호, 저항 및 절연 저항 테스트를 위한 500 또는 1,000V DC.

또한 I/F라는 특수 테스트를 통해 인가 주파수를 두 배로 늘리고 권선 임피던스의 변화에 따른 비율을 측정합니다. 이 테스트는 권선에 존재할 수 있는 초기 권선 단락을 식별하기 위해 도입되었습니다. 적용된 데이터를 사용하여 DC 모터 권선의 상태는 코일 비교, 알려진 판독값과의 비교 또는 일정 기간 동안 권선에 대한 추세 변화를 통해 평가할 수 있습니다.

이 문서에 포함될 DC 전기 모터는 직렬, 션트 및 복합 DC 모터입니다. 설명된 기본 테스트 중 일부는 영구 자석, DC 서보, DC 공작 기계 등에 대해 수행할 수 있습니다(브러시리스 DC 모터는 AC 모터와 유사한 방식으로 평가됨). DC 전기 모터의 유형은 권선과 연결로 설명할 수 있습니다.

DC 모터 이론

직류 전기 모터는 전기의 기본 원리에 따라 작동합니다. 서로 비스듬히 배치된 두 자기장 사이의 상호 작용이 끌어당기거나 밀어내어 움직임을 유발합니다. DC 전기 모터의 경우 전기적으로 서로 약 90도인 자기장을 생성하는 고정자 필드와 전기자에 전원이 공급됩니다. 필드에서 전기자의 결과적인 인력/반발은 토크를 생성하고 전기자는 회전합니다.

DC 전기 모터의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 프레임 – 기계의 외부 구조를 구성합니다. 모터의 대부분의 다른 구성 요소를 장착하는 데 사용됩니다.
• 필드 – 고정된 자기장을 생성하는 필드 폴 조각에 장착된 코일입니다.
• 인터폴 – 브러시의 과도한 스파크 발생을 방지하는 데 사용되는 필드를 생성하는 필드 코일 사이에 배치되는 코일입니다.
• 엔드쉴드 – 베어링 하우징이라고도 하며 브러시와 브러시 리깅을 수용하고 샤프트 베어링을 수용하여 프레임의 중앙에 전기자를 고정하는 데 사용됩니다.
• 브러시 리깅 – 전기자 정류자 위에 브러시를 고정하고 배치합니다. 일반적으로 브러시에 일정한 압력을 유지하기 위해 장력 장치가 사용됩니다.
• 브러시 – 전기자에 DC를 공급하는 데 사용됩니다. 브러시는 정류자를 타고 있습니다.
• 정류자 – 운모로 분리된 많은 구리 막대로 구성됩니다. 각 막대는 전기자의 코일에 연결됩니다.
• 전기자 – 코일이 포함된 모터의 회전 부분입니다.

대부분의 AC 모터와 달리 DC 모터는 필드와 전기자 모두에 별도의 전원을 공급해야 합니다. 고정자 필드에 제공되는 DC는 일정한 북쪽 및 남쪽 필드 세트를 생성합니다. 전기자에 제공된 DC는 고정 필드에서 전기적으로 90도인 북쪽 및 남쪽 필드를 생성합니다.

전기자가 토크를 생성하고 적절한 북극 또는 남극으로 이동하면 브러시가 정류자에서 위치를 변경하여 정지 필드에서 90도 전기적으로 다른 코일 세트에 전원을 공급합니다. 전류가 브러시 위치에 따라 한 방향으로 이동한 다음 모터가 작동함에 따라 다른 방향으로 이동하기 때문에 실제로 전기자는 교류 구성 요소가 됩니다.

브러시는 스파크를 줄이기 위해 전기적으로 “중성”(고정자 필드에서 유도 전류 없음) 위치에 설정됩니다. 대부분의 DC 모터 연결에서 전기자 전압을 변경하면 작동 속도가 변경될 수 있습니다. DC 모터에 내재된 일반적인 위험 중 하나는 전기자 전류가 유지되는 동안 필드 전류가 손실되면 모터가 이륙하고 전기자가 자체 파괴될 때까지 속도가 증가할 수 있다는 것입니다.

DC 모터 유형을 식별하는 데 사용할 수 있는 세 가지 기본 권선 유형은 다음과 같습니다.

• 시리즈: 일반적으로 높은 시동 토크가 필요한 응용 분야에서 발견됩니다. 그것들은 A1과 A2로 표시된 보극과 전기자에 직렬로 연결된 S1과 S2로 표시된 상대적으로 적은 권선과 큰 전선의 계자 권선 세트로 구성됩니다(그림 1 참조). 직렬 연결된 모터는 일반적으로 트랙션 모터로 사용되며 기본 저항이 매우 낮습니다.
• 분로 : 일반적으로 일정한 속도가 필요한 응용 분야에서 발견됩니다. 단일 전압의 경우 F1 및 F2, 이중 전압의 경우 F1, F2, A3 및 M4로 표시되고 인터폴 및 전기자의 경우 A1 및 A2로 표시된 많은 턴이 있는 작은 와이어의 필드 권선 세트로 구성됩니다(그림 2 참조). 션트 연결 모터는 일반적으로 크레인 및 공작 기계 모터로 사용되며 기본 저항이 상대적으로 높습니다.
• 복합 : 직렬 및 션트 권선 모터의 이점을 결합합니다. 작동 속도의 변화에 ​​대한 기본 저항으로 상대적으로 높은 토크를 제공합니다. 연결은 직렬 연결과 션트 연결을 모두 결합합니다(그림 3 참조). 복합 모터가 가장 일반적이며 산업 제조에서 흔히 볼 수 있습니다.

알 수 있듯이 조립된 DC 기계에는 서로 비교할 코일이 거의 없습니다. 그러나 높은 수준의 테스트 결과 신뢰도를 제공하는 와인딩 테스트를 위한 절차를 개발할 수 있습니다.

공통 DC 모터 전기 결함

여기에는 가장 일반적인 DC 모터 전기 결함이 많이 있습니다. 이는 온도, 마찰, 탄소 또는 흑연과 같은 내부 오염 물질로 인해 발생하는 DC 모터 설계의 특정 문제로 인해 발생합니다.

DC 모터에서 권선 결함의 가장 일반적인 원인 중 하나는 브러시에서 발생하는 탄소 또는 흑연(카본) 먼지로 인한 권선 오염입니다. 미세 분말은 모든 고정 및 회전 권선에 스며들어 도체 사이 또는 도체와 접지 사이에 경로를 생성합니다. 압축 공기로 카본을 날리거나 전기자를 청소하고 구울 때 카본이 갇히는 경우가 많으며, 청소 및 유지보수 관행을 통해 문제가 더욱 악화될 수 있습니다. 두 경우 모두 탄소는 일반적으로 정류자 바로 뒤에 있는 모서리에 빽빽하게 채워질 수 있습니다. 이는 정류자 연결에서 접지 오류 또는 단락 우회전으로 종료됩니다.

종종 고려되지 않는 또 다른 일반적인 결함은 DC 기계의 냉각입니다. 이것은 냉각 통로가 막혔거나, 전기자가 추가 냉각 없이 너무 느리게 회전했거나, 오염된 필터(가장 일반적인 냉각 관련 결함)로 인해 발생할 수 있습니다. 온도는 전기 장비, 특히 절연 시스템의 가장 큰 적이며, 온도가 섭씨 10도 증가할 때마다 수명이 절반으로 줄어듭니다(허용된 경험 법칙). 절연이 약해짐에 따라 권선 사이에 권선 결함이 발생할 때까지 신뢰성이 감소합니다. 절연 시스템의 열화 외에도 브러시도 더 빨리 열화되어 정류자의 마모가 증가하고 권선의 추가 탄소 오염이 발생합니다.

열과 관련된 또 다른 결함은 전기자가 휴지 상태(비통전)로 에너지가 공급되는 필드가 있는 관행에서 생성됩니다. 이것은 일반적으로 깨끗하게 유지되어야 하는 필터가 있는 모터에 냉각을 제공하기 위해 별도의 송풍기가 필요한 일반적인 작동 모드입니다. 이러한 유형의 결함은 일반적으로 션트 코일이 단락되어 모터의 토크 생성 능력이 저하되며, 제대로 유지 관리하지 않으면 전기자 과속이라는 위험한 상태로 끝날 수 있습니다.

정류자는 모터 작동 및 상태에 대한 표시기뿐만 아니라 결함에 대한 기회도 제공합니다. 제대로 작동하는 DC 모터는 바가 균일하게 보이는 정류자에 미세한 탄소 유약을 갖게 됩니다. 타버린 정류자 막대, 줄무늬 글레이징, 무거운 탄소 또는 과열된 정류자 조건은 해결해야 할 잠재적인 문제를 나타냅니다.

전기자 테스트

DC 아마추어는 가장 시간이 많이 걸리지만 테스트하기 가장 쉬운 구성 요소입니다. 도입될 세 가지 기본 방법이 있습니다. 조립; 그리고, 분해. 추세의 경우 모든 측정값이 사용되지만 조립 및 분해 테스트의 경우 막대 대 막대 임피던스 측정값이 사용됩니다. 전기자는 AC 구성 요소이고 간단한 저항 측정은 단락 및 접지를 포함한 일부 결함을 놓칠 수 있기 때문에 임피던스가 표시됩니다. 추세는 이 문서 뒷부분의 DC 모터에 대한 전체 추세 절차에서 검토됩니다.

조립된 DC 모터 전기자를 테스트할 때 가장 좋은 방법은 모터 브러시를 사용하여 일반적으로 바-투-바 테스트로 알려진 것을 수행하는 것입니다. 브러시가 2개 있는 DC 모터의 경우 브러시를 올릴 필요가 없고, 브러시가 4개 이상인 DC 모터의 경우 2개를 제외하고 모두 서로 90도 올려야 합니다. , 테스트 회로에서 제거합니다. 브러시의 90% 이상이 정류자 막대와 접촉하고 정류자 막대가 깨끗한지 확인하여 정류자에서 양호한 접촉이 유지되는지 확인하십시오. 깨끗하지 않은 경우 테스트하기 전에 승인된 방법을 사용하여 뼈대를 부드럽게 연마하십시오. 정류자가 심하게 마모된 경우 정류자를 분해하여 “회전 및 언더컷”해야 하며, 이 경우 분해된 바 투 바 테스트가 적절할 수 있습니다. 일단 설정되면 정류자에 막대 하나의 위치를 ​​표시한 다음 브러시 중 하나의 앞 가장자리 바로 아래에 있는 위치로 막대를 가져옵니다. 조립된 테스트에서 브러시로 막대 1.5개 이상을 덮게 될 것입니다. 임피던스 테스트를 수행하고 판독값을 표시한 다음 브러시의 앞 가장자리가 다음 정류자 막대 위에 오도록 전기자를 이동합니다. 다음 임피던스 판독값을 취하고 각 막대가 테스트될 때까지 계속합니다. 좋은 결과는 일관된 패턴을 나타내는 반면, 일관성 없는 패턴은 불량 전기자를 식별합니다.

분해된 바 대 바 테스트는 전기자가 프레임 밖에 있고 테스터가 정류자에 완전히 접근할 수 있다는 점을 제외하면 조립된 테스트와 유사합니다. 이 경우 테스터는 막대에서 막대로 연결하기 위해 전기자 고정 장치 또는 테스트 리드를 사용합니다. 각 임피던스 판독값 사이의 간격은 일정해야 하며 서로 약 90~180도여야 합니다. 첫 번째 막대를 표시하고 테스트 픽스처 또는 테스트 리드의 한쪽 다리가 정류자 주위를 360도 회전할 때까지 테스트를 계속합니다. 각 bar-to-bar 테스트에 대한 임피던스를 표시한 다음 일관된 패턴이 있는지 확인하십시오.

시리즈 모터 테스트

직렬 전기 모터는 비교할 필드 세트를 제공하지 않기 때문에 문제 해결이 매우 어렵습니다. 판독값은 S1에서 S2로, A1에서 A2로 가져온 다음 시간 경과에 따라 추세를 나타내거나 다른 유사한 기계와 비교할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 판독값의 경향을 분석할 때 간단한 저항 판독값은 일반적으로 ^25oC 를 기준으로 온도에 대해 수정해야 합니다. 임피던스 및 인덕턴스는 일반적으로 온도로 인해 변경이 제한되는 반면 위상각 및 I/F 판독값은 온도에 관계없이 일정하게 유지됩니다. I/F 및 위상각의 변화는 턴이 단락되었음을 나타내는 반면 임피던스 및 인덕턴스의 변화는 일반적으로 더러운 권선을 나타냅니다.

유사한 모터를 비교하려면 추가 정보가 필요합니다. 작업자는 모터가 동일한 제조업체 및 설계, 속도, 출력 등인지 확인해야 합니다. “모델” 모터는 새 것이거나 원래 제조업체의 사양에 맞게 재건된 제품이어야 합니다. 비교 판독을 수행할 때 테스트 온도는 모터마다 비슷해야 하지만, I/F 및 위상각 판독값은 직접 비교할 수 있습니다. 이러한 판독값은 I/F의 경우 +/- 2포인트 이상, 위상각의 경우 +/-1도 이상 변경되지 않아야 합니다. 션트 코일보다는 흔하지 않지만 직렬 필드 권선을 재구성할 때 흔히 발생하는 오류는 전선 크기를 잘못 교체하여 모터의 토크 생성 능력에 영향을 미치는 것입니다.

션트 모터 테스트

이중 전압 션트 모터는 두 세트의 권선을 비교할 수 있는 기능을 제공하는 반면 단일 전압 모터는 S1에서 S2가 아닌 F1에서 F2를 사용하여 직렬 모터 권선을 테스트하는 것과 동일한 테스트 절차를 갖습니다.

이중 전압을 사용하면 션트 권선에 F1~F2 및 F3~F4 레이블이 지정되어 분석가가 이 두 세트의 권선을 테스트하고 비교할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 판독값을 테스트하고 문제를 해결할 때 간단한 저항 판독값은 일반적으로 ^25oC 를 기준으로 온도에 대해 수정해야 합니다. 임피던스 및 인덕턴스는 회로의 단순 저항이 더 높기 때문에 직렬 권선 모터보다 더 많이 변경됩니다. 위상각과 I/F는 온도에 관계없이 1~2포인트 내에서 일정하게 유지됩니다. I/F 및 위상각의 변화는 턴이 단락되었음을 나타내는 반면 임피던스 및 인덕턴스의 변화는 일반적으로 더러운 권선을 나타냅니다. F1과 F2, F3과 F4의 비교는 저항, 인덕턴스, 임피던스에서 3% 미만이어야 하며 I/F 또는 위상각에서 1포인트 이상 차이가 나지 않아야 합니다.

라이크 모터는 직렬 권선 모터와 동일하게 테스트하고 비교할 수 있습니다. 가능한 경우 모터는 이전 테스트와 동일한 온도에서 추세 판독값을 테스트해야 합니다. 예를 들어, 작동 장비를 종료한 후 몇 분 이내에 또는 장비를 시작하기 전에 동일한 온도에서 테스트를 수행할 수 있습니다.

복합 DC 모터 테스트

컴파운드 모터를 사용하면 인플레이스 테스트, 트렌딩 및 문제 해결이 훨씬 간단해집니다. 단일 전압 컴파운드 모터는 일반적으로 A1에서 A2, S1에서 S2, F1에서 F2로, 이중 전압 컴파운드 모터는 일반적으로 A1에서 A2, S1에서 S2, F1에서 F2, F3에서 F4로 레이블이 지정됩니다. 복합 권선 모터에 대한 주요 추가 사항은 직렬 권선이 일반적으로 분권 권선 위에 감겨 있어 이 두 권선 사이에 결함이 발생할 수 있다는 것입니다.

복합 모터의 트렌딩에서 테스트는 일반적으로 DC 드라이브 단자에서 수행됩니다. ALL-TEST를 사용하는 표준 MCA 테스트에는 장비의 출력 전자 장치에 해를 끼치지 않는 저전압, 고주파 신호가 포함되어 테스트 중에 드라이브에서 리드를 분리할 필요가 없습니다. 그러나 분석가가 직렬 권선과 션트 권선 사이의 절연 저항을 확인하려는 경우 드라이브에서 리드를 분리해야 합니다. DC 드라이브에서 트렌딩할 때 A1에서 S2로 테스트하고 2개의 필드 리드는 S2와 F1 리드 사이에서 500볼트 절연 저항 테스트를 수행하고 이전 테스트 또는 유사한 모터와 비교합니다. 두 경우 모두 절연 저항 판독값이 100 이상으로 유지되어야 합니다. 메가옴.

ALL-TEST 장치를 사용하면 분석기가 빠른 확인으로 과거와 현재 판독값을 즉시 비교하여 분석기가 권선을 추가로 테스트하기로 빠른 결정을 내릴 수 있습니다. 직렬 및 션트 모터 테스트 기술에서 언급했듯이 I/F 및 위상각 판독값은 테스트 간에 1포인트 이상 변경되지 않아야 합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 직렬 및 계자 권선은 서로 크게 달라집니다.

복합 모터 문제 해결은 모터 자체에서 수행해야 합니다. 모든 모터 리드를 분리하고 분리하십시오. 직렬 및 분로 권선 지침에 설명된 대로 직렬 권선과 계자 권선을 테스트한 다음 직렬 권선과 분로 권선 사이에 절연 저항 테스트를 수행합니다. 절연 저항은 100메가옴보다 커야 합니다.

MCA DC 모터 테스트 노트

모든 유형의 DC 모터에서 MCA 테스트를 사용하여 몇 가지 핵심 사항을 만들 수 있습니다.

1. 예를 들어 -56과 같이 -15에서 -50 범위를 벗어나는 모든 I/F 판독값은 권선 오류를 나타냅니다.
2. 테스트에서 동일한 회로의 리드 사이에 무한 저항이 표시되면 열린 권선을 나타냅니다.
3. 테스트 사이의 간단한 저항 증가는 온도에 대해 보정될 때 특히 임피던스 및 인덕턴스 판독값이 변경될 때 연결이 느슨함을 나타냅니다. 온도에 대해 보정할 때 감소된 단순 저항은 일반적으로 임피던스, 인덕턴스, 위상각 및 I/F의 변화를 수반하는 단락을 나타낼 수 있습니다.
4. 모터와 같이 테스트할 때 I/F 및 위상각은 2포인트 이상 변경되지 않아야 하며, 이보다 큰 차이는 전체 분석을 요구합니다.
5. 전기자 회로를 통해 테스트할 때 변경 사항이 있으면 막대 간 테스트가 표시됩니다.

이러한 간단한 지침에 따라 MCA 장치를 사용하면 장비가 작동 중에 고장나기 오래 전에 초기 결함을 포착할 수 있습니다. 예측 유지 관리 프로그램의 일부로 테스트를 수행하는 경우 간격은 최소한 표 1에 표시된 간격이어야 합니다.

표 1: DC 모터 테스트 주파수

일반 유지보수 테스트는 시간이 지남에 따라 추세가 표시되지 않는 테스트입니다. 일반적으로 진동, 베어링 그리스, 정류자 검사 및 브러시 검사가 수반됩니다. 예측 유지보수 테스트에는 일반적으로 시간 경과에 따른 판독값 추세를 분석하여 잠재적 결함을 감지한 다음 시정 유지보수를 위해 모터를 제거할 최적의 시기를 결정하는 작업이 포함됩니다. 잠재적 결함이 감지되면 모터를 제거해야 한다고 판단될 때까지 테스트 빈도를 높여야 합니다. 정류자 및 탄소 오염의 높은 응력으로 인해 일반 또는 예측 유지 보수 테스트와 함께 전체 전기자 테스트를 수행해야 합니다.

결론

정적 모터 회로 분석과 함께 사용할 수 있는 새로운 기술을 사용하면 직류 전기 모터의 일반 전기 테스트가 훨씬 쉬워집니다. 처음으로 장비 작동을 중단하기 전에 직렬, 분로 및 전기자 권선에서 초기 회전 결함을 감지할 수 있습니다. 예측 유지보수 테스트는 모터에서 수행되는 문제 해결 테스트와 함께 드라이브에서 수행할 수 있습니다. 일반적으로 테스트는 상대적으로 빠르며 예측 유지보수 테스트에 모터당 5분 미만이 소요되며 문제 해결에 추가 시간이 필요합니다. 전반적으로 MCA 테스트는 기존의 연속성 테스트 방법에 비해 DC 모터 테스트를 크게 향상시킵니다.

저자 소개

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D. 전기 모터 및 전기 모터 수리 산업에서 15년 이상을 가지고 있습니다. 미 해군에서 전기 모터 수리 기술자로 시작하여 중서부 대형 모터 수리점의 수석 엔지니어로서 모든 유형의 소형에서 대형 회전 장비에 대한 현장 서비스 및 평가에 이르기까지. Penrose 박사는 되감기, 교육 및 AC, DC, 권선 회전자, 동기식, 공작 기계 및 특수 장비 문제 해결에 직접 관여했습니다. 그의 추가 연구에는 전기 모터 및 산업 신뢰성, 테스트 방법, 에너지 효율성 및 유지 관리가 생산에 미치는 영향이 포함됩니다. 펜로즈 박사는 IEEE 시카고 섹션의 전 회장, IEEE 시카고의 유전체 및 전기 절연 협회 전 회장, 전기 제조 코일 및 권선 협회의 전문 회원, 미국 에너지부 공인 MotorMaster Professional, Vibration 분석가, 적외선 분석가 및 모터 회로 분석가.