최신 기술로 동기식 모터를 테스트하는 방법

동기식 전기 모터(동기식 기계)에 대한 모터 회로 테스트 및 분석의 적용을 더 잘 이해하려면 동기식 모터의 작동, 가장 일반적인 결함, 일반적인 테스트 방법, ALL-TEST IV PRO™ (
이제 AT5™
)는 대형 동기 모터와 함께 작동하며, 동기 고정자 및 로터 분석을 위한 기본 단계 및 예상 테스트 결과(
편집자- ALL-TEST PRO 5™는 ATIV™의 대체품으로 권장됩니다.
). 이 백서에서는 이러한 다양한 측면에 대해 논의하고 추가 세부 정보는 다른 자료를 참조합니다.

동기식 기계 정보

대형 동기 모터에는 두 가지 기본 기능이 있습니다.

• 첫 번째는 플랜트의 전기 역률을 개선하는 것입니다. 모터 및 변압기와 같이 유도성 부하가 큰 플랜트에서는 전류가 전압보다 뒤쳐지기 시작합니다(역률 저하). 이것이 충분히 심각해지면 플랜트는 동일한 양의 작업을 수행하기 위해 훨씬 더 많은 양의 전류를 필요로 합니다. 이로 인해 전기 부품의 전압 강하 및 과열이 발생할 수 있습니다. 동기식 모터는 역률에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는 방식으로 사용하거나 역률 문제를 해결하기 위해 전류를 전압으로 유도하는 데 사용할 수 있습니다.
• 두 번째 작동 방법은 왕복 압축기와 같은 맥동 부하를 흡수하는 것입니다. 동기 모터가 동기 속도에 도달하면 고정자에서 전기 모터의 회전 자기장에 맞춰 ‘고정’되는 코일이 있습니다. 토크 펄스가 발생하면(예: 왕복 압축기 행정의 상단에서) 모터가 회전 필드와 동기화되지 않을 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 아모티서 권선(아래 동기 구조 참조)이라고 하는 회전자의 특수 권선이 토크 펄스에서 에너지를 흡수하여 회전자를 동기화 상태로 유지합니다.

동기 모터의 기본 구조는 간단합니다. 고정자, 회전자, 베어링, 발전기(브러시리스) 또는 ‘정적 여자기'(브러시 유형)의 세 세트의 권선이 있습니다.

와인딩은 다음과 같이 구성됩니다:

• 표준 유도 전동기와 매우 유사한 표준 3상 와인딩
• 소형 기계의 경우 원형 와이어로, 대형 기계의 경우 직사각형 또는 리본 와이어로 만들어진 DC 코일인 필드 코일 세트입니다.
• 인덕션 모터 로터 다람쥐 케이지와 유사한 아모르티세르 와인딩

브러시형 동기 모터와 브러시리스 동기 모터의 시작 방법은 비슷합니다. 시작 회로는 둘 다 다릅니다. 다음은 기본 작동 모드에 대한 설명과 차이점에 대한 간략한 설명입니다.

동기 모터의 시작 단계에서는 표준 유도 모터와 거의 동일하게 작동합니다. 고정자는 전류를 받고 회전 자기장이 발생합니다(속도 = (120 * 적용 주파수) / 극 수). 이 필드는 에어 갭의 고정자 자기장과 상호 작용하고 회전자가 고정자 자기장을 따르도록 하는 자체 자기장을 생성하여 시작 토크를 개발하는 데 사용되는 아모티서 권선에 전류를 생성합니다. 회전자가 고정자 필드를 따라잡기 시작하면 DC 전류가 회전자 필드 코일에 주입되어 북쪽 및 남쪽 자기 쌍을 생성합니다(회전자 코일은 항상 쌍으로 발견됨). 표준 유도 모터는 항상 뒤처지는 반면, 고정자 자기장에 맞춰 고정자 자기장과 같은 속도로 따라갑니다.

브러시 기계에서 로터 필드의 DC 소스는 일반적으로 공급된 AC 전원을 DC로 변환하는 ‘정적'(전자) 스타터에서 나옵니다. 대부분의 경우 출력 DC는 시작 주기를 통해 변경됩니다. 드라이브는 또한 회전자 포화 및 결과적으로 고정자에 매우 높은 전류가 발생하는 것을 방지하기 위해 기계의 계자 코일을 단락시키도록 설정할 수 있습니다. 로터가 회전하기 시작하면 DC가 공급되어 모터가 토크를 개발하는 데 도움이 됩니다. DC 전압은 한 쌍의 슬립 링과 브러시를 통해 공급됩니다.

브러시리스 기계에서 DC 발전기는 동기 모터의 샤프트에 직접 설치됩니다. 동기식 모터가 시작되면 발전기는 정류자를 통해 매우 적은 양의 DC를 제공합니다. 속도가 증가함에 따라 DC 전압도 증가하여 모터가 토크를 생성하고 동기 속도에 맞춰 스텝을 고정하는 데 도움이 됩니다. 이 유형의 기계에서 발전기는 로터 필드에 직접 배선됩니다.

별도의 컨트롤을 제공하는 로터의 샤프트에 발전기가 장착된 기계도 있습니다. 이것은 먼저 권선을 단락시킨 다음 브러시 기계와 마찬가지로 로터에 공급되는 DC의 양을 제어하는 ​​데 사용됩니다.

가장 일반적인 동기 모터 결함

대형 동기식 모터는 잘 만들어지고 튼튼한 경향이 있습니다. 가해지는 심한 하중을 견디기 위해 재료를 과도하게 사용하는 경우가 많습니다. 산업용 동기 기계의 가장 일반적인 고장은 순서대로 다음과 같습니다.

• 일반적인 마모 및 오염으로 인한 베어링
• 로터 필드 – 고온으로 인해 내부에서 외부로 연소되는 경우가 많습니다.
• Amortisseur 권선 – 대부분 왕복 부하에서. 흡수된 에너지의 양으로 인해 와인딩 바가 자주 깨집니다. 특히 로터 필드가 고장 나기 시작하고 짧아지면 로터가 ‘동기화’에서 쉽게 벗어날 수 있습니다.
• 고정자 권선 – 일반적인 마모 및 오염. 동기식 기계의 고정자 권선은 ‘형상 권선’이며 심하게 절연되는 경향이 있습니다.

동기식 모터에서 발생하는 거의 모든 권선 결함은 회전자 또는 고정자 코일의 도체 사이에서 시작됩니다.

일반적인 테스트 방법, 강점 및 약점

다음은 동기 모터의 상태를 평가하기 위한 전통적인 테스트 방법입니다.

• 절연 저항 테스트: IEEE 43-2000에 지정된 인가 DC 전압을 사용하여 고정자 권선과 접지 사이에 전위를 배치합니다. 이것은 고정자 권선과 고정자 프레임 사이의 직접 결함만 측정합니다. 브러시형 기계의 슬립 링을 통해서도 수행됩니다.
• 편광 지수: 절연 저항의 10분의 1 비율입니다. 이것은 전통적으로 고정자 권선과 프레임 사이의 절연 상태를 측정하는 방법으로 사용되어 왔습니다. 절연 저항 테스트와 마찬가지로 브러시형 기계의 슬립 링을 통해서도 수행할 수 있습니다. IEEE 43-2000에 명시된 바와 같이 이 테스트 방법은 1970년 이전 절연 시스템에서만 유효합니다.
• 높은 전위 테스트: 대형 기계에서 가장 일반적인 DC 높은 전위 테스트는 모터 명판 전압의 두 배에 1000볼트를 더하고 제곱근 3을 곱한 값에서 수행됩니다. 기존 절연 시스템에서 이 값은 종종 전위 전압의 75%로 감소합니다. 이 테스트는 절연 시스템에 높은 스트레스를 주며 잠재적으로 손상을 줄 수 있습니다(IEEE Std’s 388 및 389에 따름). 이러한 유형의 테스트는 동기 모터의 회전자 권선에 적용해서는 안 됩니다.
• 서지 비교 테스트: 전압의 두 배에 1000볼트를 더한 빠른 상승 시간 펄스가 있을 때 두 권선의 파형을 비교하는 것만으로 고정자의 턴-투-턴 조건을 평가합니다. 오염된 권선과 같이 수정 가능한 문제가 있는 경우 이 테스트는 모터 권선을 손상시킬 수 있습니다.
• 부분 방전 테스트: 모터 권선의 절연 시스템 내 공극에서 방전되는 무선 주파수를 측정하는 비파괴 테스트 방법입니다. 이는 6.6kV 이상의 기계에서 추세를 파악하는 데 효과적이며 4kV부터는 짧은 경고만 제공합니다. 로터 결함을 감지하지 못합니다.

• 모터 전류 시그니처 분석: 유도 모터의 회전자 테스트용으로 설계되었습니다.
• 전압 강하 테스트: 모터를 분해해야 합니다. 115 AC 전압이 회전자 권선에 적용되고 전압 강하가 각 코일 양단의 전압계로 측정됩니다. 단락이 있으면 전압 강하가 3% 이상 변동합니다.

위의 목록에는 동기 모터의 기계적 테스트를 위한 장비는 포함되어 있지 않습니다.

ALL-TEST Pro 기기 정보

ALL-TEST IV PRO™( Editor- ALL-TEST PRO 5™는 ATIV™의 권장 대체품임) 모터 회로의 AC 매개변수를 포함하는 일련의 판독값을 제공한다는 점을 제외하면 멀티 미터와 거의 동일한 방식으로 작동하는 단순한 전자 기기입니다. 밀리옴 미터와 같은 방식으로 간단한 저항 테스트를 위한 저전압 DC 신호와 AC 판독을 위한 저전압 고주파 AC 신호를 전송하는 데이터 수집기 및 테스터입니다. 그런 다음 기기는 저항, 임피던스, 인덕턴스, 위상각, 전류/주파수 응답 및 접지에 대한 절연 저항 테스트의 엔지니어링 단위로 테스트 결과를 측정하고 계산합니다.

전력 장비의 전자 테스트와 기존 전력 방식의 주요 차이점은 다음과 같습니다.

• 회전자 계자 코일 절연 상태의 변화로 인한 영향을 포함하여 모터 회로에 대한 보다 완전한 보기.
• 다양한 장비 크기를 위한 하나의 장비. 테스트는 기기의 단순 저항 범위(0.010 Ohm ~ 999 Ohms)로만 제한됩니다.
• 비파괴 – 유해한 전압이 가해지지 않습니다.
• 더 쉬운 데이터 해석 – 데이터 해석을 위한 몇 가지 간단한 규칙(아래 데이터 해석 참조).
• 40파운드에서 100파운드가 훨씬 넘는 핸드헬드 대 장비.
• 기기의 내부 전원.

절연 시스템이 노후화되거나 절연 시스템이 오염되어 절연의 무결성에 영향을 미치는 경우 모터의 전기 회로가 변경됩니다. 회전자는 회로의 필수적인 부분이기 때문에 회전자 회로 및 절연 시스템의 전기적 무결성에 대한 변경 사항은 고정자 권선을 통해서도 직접 반영됩니다. 이를 통해 모터의 즉각적인 문제 해결과 장기적인 추세를 모두 파악할 수 있습니다.

고유한 테스트 정보를 통해 ALL-TEST Pro Instruments는 절연 시스템의 충분한 매개변수를 보고 다음을 감지하고 격리할 수 있습니다.

• 단락된 고정자 권선
• 단락된 로터 필드
• 깨진 아모티서 와인딩 바
• 에어 갭 편심
• 권선 오염(회전자 및 고정자)
• 접지 절연 결함

ALL-TEST Pro 기기를 사용한 동기식 기계 분석을 위한 기본 단계

동기 기계를 테스트하는 단계는 표준 유도 전동기의 상태를 평가하는 단계와 유사합니다. 그러나 모터 회전자에 계자 코일이 있기 때문에 결함을 해결할 때 몇 가지 추가 단계가 필요합니다.

모터 제어 센터 또는 스타터에서 동기식 기계를 테스트할 때:

• 장비의 전원을 차단하십시오. 보조 전원의 전원도 차단되었는지 확인하십시오.
• 기기의 메뉴 프롬프트에 따라 고정자에서 표준 ALL-TEST IV PRO™(현재 AT5™) 테스트를 수행합니다.
• 테스트 결과 평가(예상 테스트 결과 참조)
• 오류가 표시되면 문제 해결을 시작하십시오.
• 로터의 위치를 ​​가능한 한 최대 45도까지 조정합니다(로터가 회전하기 어려운 경우 모든 움직임이 가능하지만 5도 이상)
• 테스트를 다시 수행하고 판독값을 검토합니다. 결함이 이동했거나 한 자릿수 이상 변경된 경우 결함이 로터에 있을 가능성이 큽니다.
• 오류가 고정된 상태로 유지되면(로터 위치에 따라 변경되지 않음) 모터 단자함에서 리드를 분리하고 다시 테스트하십시오. 오류가 계속 표시되면 고정자에 있을 가능성이 높고 그렇지 않으면 케이블에 있을 가능성이 큽니다.

문제 해결을 제외한 평균 테스트 시간은 약 3-5분입니다.

분해된 동기 기계를 테스트할 때 로터가 제자리에 있지 않으면 판독값이 매우 달라진다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

• ALL-TEST IV PRO™ 자동 테스트 수행(AT5 Z/  테스트 모드) 고정자에서 테스트 결과를 평가합니다. 이렇게 하면 모든 오류를 즉시 알 수 있습니다.
• 로터 테스트:

• 자동 테스트를 수행하고 과거 판독값과 비교합니다. 또는,

• 자동 테스트를 수행하고 ‘동일한’ 로터와 비교합니다. 또는,
• 전압 강하 테스트 대신 각 필드 코일에서 자동 테스트를 수행합니다.
• 세 가지 모두에 대한 모든 매개변수는 평가 한계를 충족해야 합니다.

테스트 스타일로 인해 이러한 결과는 비슷한 기계 간에 추세를 분석하고 비교할 수 있습니다.

모터 회로 테스트의 다른 응용 프로그램에는 평가 및 승인, 예측 유지 관리가 포함됩니다.

예상 테스트 결과

이 백서의 마지막 섹션에서 언급했듯이 테스트 결과는 3상 인덕션 기계에서 발견되는 것과 유사합니다. 오류 패턴은 매우 간단하며 ALL-TEST Pro Instruments의 테스트 범위 내에서 장비 크기에 관계없이 적용됩니다. 다음은 기본 문제 해결을 위한 테스트 측정 및 결과에 대한 간략한 개요입니다.

• 간단한 저항 측정: 이는 회로의 높은 저항 연결, 느슨한 연결 또는 끊어진 도체를 나타내는 지표입니다. 이 테스트는 특히 저항 문제가 다음과 같은 한 지점에 있는 경우 중요합니다.2R, 저항 지점은 많은 양의 열 에너지(와트 단위)를 발산합니다. 예를 들어, 100Amps를 보고 있는 회로의 한 지점에서 0.5옴 저항은 다음을 발산합니다: (100Amps2)(0.5옴) = 5,000와트(5kW)의 에너지입니다. 이것은 6마력 상당의 전기 모터를 돌리는 데 사용되는 것과 같은 에너지입니다.
• 인덕턴스 측정: 코일의 자기 강도와 한 코일에 대한 다른 코일의 영향을 나타내는 지표입니다. 회로의 턴 수, 코일의 크기, 다른 코일의 인덕턴스에 의해 영향을 받습니다. 이 측정 자체는 자동변속기 권선 및 회전자 편심의 상태를 나타내는 좋은 지표일 뿐입니다. 인덕턴스는 심한 경우에만 단락된 권선을 표시합니다.
• 임피던스 측정: 회로의 복잡한 저항을 측정하는 것입니다. 이것은 인덕턴스와 마찬가지로 자동변속기 권선 및 회전자 상태를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 인덕턴스와 함께 사용하면 권선 과열 및 권선 오염을 신속하게 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 각 위상 사이의 인덕턴스와 임피던스의 관계를 보면: 인덕턴스와 임피던스가 상대적으로 평행한 경우 회전자와 고정자(회전자 위치) 사이의 관계에 유도성 및 임피던스 불균형이 있습니다. 병렬이 아닌 경우 절연 파괴 또는 권선 오염과 같은 절연 문제를 나타냅니다.
• 위상각 및 I/F(전류/주파수): 이 두 가지 모두 고정자 또는 회전자 회전 사이의 절연 결함을 나타내는 지표입니다.
• 절연 저항: 접지에 대한 절연을 평가하고 절연이 실패한 경우에만 표시합니다.

“회전 기계 및 변압기의 전자 정적 권선 회로 분석 지침”에 요약된 테스트 제한 권장 사항은 다음과 같습니다:

표 1: 테스트 한계(첨두치 값)

*측정이 평행인 경우 이 값을 초과할 수 있습니다.

다음은 문제 해결 규칙에 대한 개요입니다.

• 단락 권선:

• 단락된 권선은 유사한 코일 또는 위상 간 계측기의 위상 각도 및 I/F 판독값을 확인하여 평가할 수 있습니다.
• 위상각(Fi) – 위상각은 평균 판독값의 1자리 이내여야 합니다. 예를 들어 평균 판독값이 76이므로 77/75/76의 판독값이 좋습니다. 74/77/77의 판독 값은 좋지 않습니다.
• 전류 주파수 응답(I/F) – 현재 주파수 응답은 평균 판독값의 2자리 이내여야 합니다. 예를 들어 -44/-45/-46의 판독값이 좋습니다. -40/-44/-44의 판독 값은 좋지 않습니다. 그러나 -42/-44/-44와 같은 판독값은 의심스러운 것으로 간주해야 합니다.

• 권선 오염 및 로터 위치

• 전기 모터 내 회전자의 위치는 자연적인 위상 불균형을 유발할 수 있습니다. 권선 오염도 위상 불균형을 유발합니다. DF를 평가하면 위상 불균형이 로터 또는 오염으로 인해 발생하는지 확인할 수 있습니다.

• 회전자 위치 – 회전자 위치 불균형은 인덕턴스와 임피던스 값이 상당히 균형이 맞는지 확인하여 평가할 수 있습니다. 예를 들어 인덕턴스가 17/18/19이고 임피던스 값이 24/26/29인 경우 불균형은 회전자 위치로 인한 것입니다. 인덕턴스가 5/5/5이고 임피던스가 8/9/8인 경우에도 마찬가지입니다.
• 권선 오염 – 과열(연소)된 권선에서도 이러한 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 조건은 단열 시스템의 고장으로 인한 단열재의 변화로 인한 결과입니다.

결론

일련의 간단한 규칙과 지침을 통해 ALL-TEST IV PRO™(현재 AT5™)는 동기식 기계의 상태 문제를 해결하고 경향을 파악하기 위한 탁월한 도구를 제공합니다. 이 테스트는 다른 테스트보다 모터 고정자와 회전자 회로를 더 완벽하게 볼 수 있는 간단한 비파괴 테스트 측정을 사용하여 수행됩니다. 테스트 평가는 장비 크기나 유형에 관계없이 간단하고 직접적입니다.

서지

• 회전 기계 및 변압기의 전자 정적 권선 회로 분석 지침 , BJM Corp, ALL-TEST 사업부, 2001.
• Penrose, Howard W. Motor Circuit Analysis: Theory, Application and Energy Analysis , SUCCESS by DESIGN, 2001.