Jak przetestować silnik synchroniczny za pomocą nowoczesnej technologii?

Aby lepiej zrozumieć zastosowanie testowania i analizy obwodów silnika w synchronicznych silnikach elektrycznych (maszynach synchronicznych), ważne jest, aby mieć krótki przegląd działania silnika synchronicznego, najczęstszych usterek, typowych metod testowania, sposobu działania ALL-TEST IV PRO™ (
Teraz AT5™
) współpracuje z dużymi silnikami synchronicznymi, podstawowe kroki analizy synchronicznych stojanów i wirników oraz oczekiwane wyniki testów (
Edytor- ALL-TEST PRO 5™ jest zalecanym zamiennikiem dla ATIV™
). W tym artykule omówimy te różne aspekty, odwołując się do innych materiałów w celu uzyskania dodatkowych szczegółów.

Informacje o maszynach synchronicznych

Duże silniki synchroniczne mają dwie podstawowe funkcje:

• Pierwszym z nich jest poprawa współczynnika mocy elektrycznej w zakładzie. W każdej instalacji z dużymi obciążeniami indukcyjnymi, takimi jak silniki i transformatory, prąd zaczyna pozostawać w tyle za napięciem (słaby współczynnik mocy). Gdy sytuacja staje się wystarczająco poważna, instalacja wymaga znacznie większych ilości prądu do wykonania tej samej pracy. Może to spowodować spadek napięcia i przegrzanie komponentów elektrycznych. Silnik synchroniczny może być używany w taki sposób, aby powodować niewielki lub żaden wpływ na współczynnik mocy, lub może być używany do powodowania prądu prowadzącego napięcie w celu skorygowania problemów ze współczynnikiem mocy.
• Drugą metodą działania jest pochłanianie obciążeń pulsacyjnych, takich jak sprężarki tłokowe. Gdy silnik synchroniczny osiągnie prędkość synchroniczną, jego cewki “blokują się” zgodnie z wirującymi polami magnetycznymi silnika elektrycznego ze stojana. Jeśli wystąpi impuls momentu obrotowego (np. na szczycie suwu sprężarki tłokowej), silnik może przestać synchronizować się z wirującymi polami. Gdy to nastąpi, specjalne uzwojenie na wirniku zwane uzwojeniem amortyzatora (patrz konstrukcja synchroniczna poniżej) pochłania energię z impulsu momentu obrotowego, utrzymując wirnik w synchronizacji.

Podstawowa konstrukcja silnika synchronicznego jest prosta. Istnieją trzy zestawy uzwojeń, stojan, wirnik, łożyska i generator (bezszczotkowy) lub “wzbudnica statyczna” (szczotkowa).

Uzwojenia składają się z:

• Standardowe uzwojenie trójfazowe, bardzo podobne do standardowego indukcyjnego silnika elektrycznego.
• Zestaw cewek pola, które są cewkami prądu stałego wykonanymi z okrągłego drutu w małych maszynach i prostokątnego lub taśmowego drutu w większych maszynach.
• Uzwojenie amortyzatora, które jest podobne do klatki wiewiórki wirnika silnika indukcyjnego

Metody rozruchu zarówno szczotkowych, jak i bezszczotkowych silników synchronicznych są podobne. Obwód startowy będzie inny dla obu. Poniżej znajduje się opis podstawowego trybu działania, a następnie krótki opis różnic:

W fazie rozruchu silnik synchroniczny działa podobnie jak standardowy silnik indukcyjny. Stojan odbiera prąd elektryczny i wytwarza wirujące pole magnetyczne (prędkość = (120 * zastosowana częstotliwość) / liczba biegunów). Pole to generuje prąd w uzwojeniu amortyzatora, który jest wykorzystywany do rozwijania momentu rozruchowego poprzez generowanie własnego pola magnetycznego, które oddziałuje z polem magnetycznym stojana w szczelinie powietrznej i powoduje, że wirnik podąża za polami magnetycznymi stojana. Gdy wirnik zaczyna doganiać pola stojana, prąd stały jest wstrzykiwany do cewek pola wirnika, tworząc północne i południowe pary magnetyczne (cewki wirnika zawsze występują w parach). Blokują się one wraz z polami magnetycznymi stojana i podążają z tą samą prędkością co pola stojana, podczas gdy standardowy silnik indukcyjny zawsze pozostaje w tyle.

W maszynie szczotkowej źródło prądu stałego dla pól wirnika zwykle pochodzi z “statycznego” (elektronicznego) rozrusznika, który przekształca dostarczane zasilanie prądem przemiennym na prąd stały. W większości przypadków wyjściowy prąd stały jest zmieniany w cyklu rozruchowym. Napęd może być również skonfigurowany tak, aby zwierać cewki pola maszyny w celu uniknięcia nasycenia wirnika i wynikających z tego ekstremalnie wysokich prądów na stojanie. Gdy wirnik zaczyna się obracać, dostarczany jest prąd stały, aby wspomóc silnik w rozwijaniu momentu obrotowego. Napięcie stałe jest dostarczane przez parę pierścieni ślizgowych i szczotek.

W maszynie bezszczotkowej generator prądu stałego jest zainstalowany bezpośrednio na wale silnika synchronicznego. Po uruchomieniu silnika synchronicznego generator dostarcza bardzo mało prądu stałego przez komutator. Wraz ze wzrostem prędkości wzrasta również napięcie prądu stałego, pomagając silnikowi wygenerować moment obrotowy, a następnie zablokować się z prędkością synchroniczną. W tego typu maszynach generator jest podłączony bezpośrednio do pól wirnika.

Istnieją również maszyny z generatorem zamontowanym na wale wirnika, który zasila oddzielny układ sterowania. Służy to najpierw do zwarcia uzwojeń, a następnie kontrolowania ilości prądu stałego podawanego do wirnika, podobnie jak w maszynie szczotkowej.

Najczęstsze usterki silników synchronicznych

Duże silniki synchroniczne są zwykle dobrze zbudowane i solidne. Często są one nadmiernie obciążone materiałem, aby wytrzymać duże obciążenia. Najczęstsze awarie przemysłowych maszyn synchronicznych, w kolejności, to:

• Łożyska z powodu ogólnego zużycia i zanieczyszczenia
• Pola wirnika – ze względu na wysokie temperatury często ulegają spaleniu od wewnątrz.
• Uzwojenia Amortisseur – głównie w obciążeniach posuwisto-zwrotnych. Ze względu na ilość pochłanianej energii, pręty uzwojenia często pękają. W szczególności, jeśli pola wirnika zaczynają szwankować i są krótkie, co ułatwia wypadnięcie wirnika z “synchronizacji”.
• Uzwojenia stojana – ogólne zużycie i zanieczyszczenie. Uzwojenia stojana w maszynach synchronicznych są zwykle “formowane” i silnie izolowane.

Prawie wszystkie usterki uzwojenia występujące w silniku synchronicznym rozpoczynają się między przewodami w cewkach wirnika lub stojana.

Popularne metody testowania, mocne i słabe strony

Poniżej przedstawiono tradycyjne metody testowe służące do oceny stanu silnika synchronicznego:

• Testowanie rezystancji izolacji: Używając przyłożonych napięć DC zgodnie ze specyfikacją IEEE 43-2000, potencjał jest umieszczany pomiędzy uzwojeniami stojana i masą. Mierzy tylko bezpośrednie usterki między uzwojeniami stojana a ramą stojana. Jest również wykonywany przez pierścienie ślizgowe na maszynie typu szczotkowego.
• Wskaźnik polaryzacji: Jest to stosunek rezystancji izolacji 10 minut do 1 minuty. Jest to tradycyjnie stosowana metoda pomiaru stanu izolacji między uzwojeniami stojana a ramą. Podobnie jak w przypadku testowania rezystancji izolacji, można to również wykonać za pomocą pierścieni ślizgowych na maszynie typu szczotkowego. Jak stwierdzono w IEEE 43-2000, ta metoda testowa jest naprawdę ważna tylko dla systemów izolacyjnych sprzed 1970 roku.
• Testowanie wysokiego potencjału: Najbardziej powszechne w dużych maszynach jest testowanie wysokiego potencjału DC, które jest wykonywane przy wartości dwukrotności napięcia znamionowego silnika plus 1000 V, pomnożonej przez pierwiastek kwadratowy z 3. W istniejącym systemie izolacji wartość ta jest często zmniejszana do 75% potencjalnego napięcia. Test ten bardzo obciąża system izolacji i jest potencjalnie szkodliwy (zgodnie z normami IEEE 388 i 389). Ten typ testu NIGDY nie powinien być stosowany do uzwojeń wirnika silnika synchronicznego.
• Testy porównawcze udarów: Ocenia tylko stan stojana od obrotu do obrotu, porównując przebiegi dwóch uzwojeń po szybkim impulsie o czasie narastania równym dwukrotności napięcia plus 1000 V. Jeśli istnieją możliwe do skorygowania problemy, takie jak zanieczyszczone uzwojenia, test ten może uszkodzić uzwojenia silnika.
• Testowanie wyładowań niezupełnych: Jest to nieniszcząca metoda testowa, która mierzy częstotliwości radiowe pochodzące z wyładowań w pustych przestrzeniach w układzie izolacyjnym uzwojeń silnika. Jest to skuteczne w przypadku trendów na maszynach o napięciu powyżej 6,6 kV i zapewnia jedynie krótkie ostrzeżenie od 4 kV. Nie wykrywa żadnych błędów wirnika.

• Analiza charakterystyki prądowej silnika: Został zaprojektowany do testowania wirników silników indukcyjnych.
• Test spadku napięcia: Wymaga demontażu silnika. Napięcie 115 AC jest przykładane do uzwojeń wirnika, a spadek napięcia jest mierzony za pomocą woltomierza na każdej cewce. Jeśli dojdzie do zwarcia, spadek napięcia wyniesie ponad 3%.

Powyższa lista nie obejmuje sprzętu do mechanicznego testowania silników synchronicznych.

Informacje o urządzeniu ALL-TEST Pro

ALL-TEST IV PRO™ (
ALL-TEST PRO 5™ jest zalecanym zamiennikiem dla ATIV™)
to prosty przyrząd elektroniczny, który działa w podobny sposób jak multimetr, z wyjątkiem tego, że zapewnia serię odczytów, które obejmują parametry AC obwodu silnika. Jest to kolektor danych i tester, który wysyła niskonapięciowy sygnał DC do prostych testów rezystancji, w taki sam sposób jak miliamperomierz, oraz niskonapięciowy sygnał AC o wysokiej częstotliwości do odczytów AC. Następnie urządzenie mierzy i oblicza wyniki testu w jednostkach inżynieryjnych rezystancji, impedancji, indukcyjności, kąta fazowego, odpowiedzi prądowej/częstotliwościowej oraz testu rezystancji izolacji do masy.

Podstawowe różnice między elektronicznym testowaniem urządzeń zasilających a tradycyjnymi metodami zasilania są następujące:

• Pełniejszy widok obwodu silnika, w tym wpływ zmian stanu izolacji cewki pola wirnika.
• Jedno urządzenie dla szerokiego zakresu rozmiarów sprzętu. Test jest ograniczony tylko do prostego zakresu rezystancji przyrządu (0,010 Ohm do 999 Ohm).
• Nieniszczący – nie jest stosowane żadne szkodliwe napięcie.
• Łatwiejsza interpretacja danych – kilka prostych zasad interpretacji danych (patrz interpretacja danych poniżej).
• Ręczny vs. sprzęt, który może ważyć od 40 do ponad 100 funtów.
• Wewnętrzne źródło zasilania urządzenia.

W miarę starzenia się układu izolacyjnego lub w przypadku zanieczyszczenia układu izolacyjnego, które wpływa na integralność izolacji, zmienia się obwód elektryczny silnika. Ponieważ wirnik jest integralną częścią obwodu, zmiany w integralności elektrycznej obwodu wirnika i układu izolacji są bezpośrednio odzwierciedlane również przez uzwojenia stojana. Umożliwia to zarówno natychmiastowe rozwiązywanie problemów, jak i długoterminowe śledzenie trendów silnika.

Unikalne informacje testowe pozwalają przyrządom ALL-TEST Pro wyświetlić wystarczającą ilość parametrów układu izolacyjnego do wykrycia i odizolowania:

• Zwarcie uzwojenia stojana
• Zwarte pola wirnika
• Uszkodzone pręty uzwojenia amortyzatora
• Mimośród szczeliny powietrznej
• Zanieczyszczenie uzwojenia (wirnik i stojan)
• Usterki izolacji uziemienia

Podstawowe kroki analizy maszyn synchronicznych za pomocą przyrządów ALL-TEST Pro

Etapy testowania maszyn synchronicznych są podobne do etapów oceny stanu standardowych silników indukcyjnych. Ponieważ jednak na wirniku silnika znajdują się cewki polowe, podczas usuwania usterki należy wykonać kilka dodatkowych czynności.

Podczas testowania maszyny synchronicznej z centrum sterowania silnikiem lub rozrusznika:

• Odłącz zasilanie urządzenia. Upewnij się, że dodatkowe źródła zasilania są również odłączone od zasilania.
• Wykonaj standardowe testy ALL-TEST IV PRO™ (obecnie AT5™) na stojanie, postępując zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi w menu przyrządu.
• Ocena wyników testu (patrz Oczekiwane wyniki testu)
• Jeśli sygnalizowana jest usterka, należy rozpocząć rozwiązywanie problemów:
• Wyreguluj pozycję wirnika, tak bardzo jak to możliwe, do 45 stopni (każdy ruch wystarczy, jeśli wirnik jest trudny do obrócenia, ale nie mniej niż 5 stopni).
• Ponownie wykonaj testy i przejrzyj odczyty. Jeśli błąd przesunął się lub zmienił o więcej niż jedną cyfrę, błąd najprawdopodobniej znajduje się w wirniku.
• Jeśli usterka pozostaje nieruchoma (nie zmienia się wraz z położeniem wirnika), należy odłączyć przewody w skrzynce zaciskowej silnika i przeprowadzić ponowną próbę. Jeśli usterka jest nadal wskazywana, najprawdopodobniej znajduje się w stojanie, jeśli nie, najprawdopodobniej w kablu.

Średni czas testu, poza rozwiązywaniem problemów, wynosi około 3-5 minut.

Podczas testowania zdemontowanej maszyny synchronicznej należy pamiętać, że odczyty będą się znacznie różnić bez zamontowanego wirnika:

• Wykonaj automatyczny test ALL-TEST IV PRO™ (AT5
  Z/
  
  
  tryb testowy) na stojanie i ocenić wyniki testu. Zapewni to natychmiastowe wskazanie wszelkich usterek.
• Test wirnika:

• Wykonaj test automatyczny i porównaj z wcześniejszym odczytem; lub,

• Wykonaj test automatyczny i porównaj z “identycznym” wirnikiem; lub,
• Wykonaj test automatyczny na każdej cewce zamiast testu spadku napięcia.
• Wszystkie parametry dla wszystkich trzech powinny spełniać limity oceny.

Ze względu na styl testowania, wyniki te mogą być trendowane i porównywane między podobnymi maszynami.

Inne zastosowania testowania obwodów silnika obejmują ocenę i akceptację oraz konserwację predykcyjną.

Oczekiwane wyniki testów

Jak wspomniano w ostatniej części niniejszego artykułu, wyniki testów są podobne do tych uzyskanych w trójfazowych maszynach indukcyjnych. Wzorce błędów są bardzo proste i mają zastosowanie niezależnie od wielkości sprzętu, w zakresie testowym przyrządów ALL-TEST Pro. Poniżej znajduje się krótki przegląd pomiarów testowych i ich wyników dla podstawowego rozwiązywania problemów:

• Proste pomiary rezystancji: Są one wskaźnikiem połączeń o wysokiej rezystancji, luźnych połączeń lub uszkodzonych przewodów w obwodzie. Ten test jest ważny, zwłaszcza jeśli problem z rezystancją występuje w jednym miejscu, ponieważ na podstawie I2R, rezystancyjny punkt wydziela dużą ilość energii cieplnej (w watach). Przykładowo, rezystancja 0,5 Ohm w punkcie obwodu o natężeniu 100 A wydzieliłaby: (100Amps2)(0,5 Ohm) = 5000 watów (5kW) energii. Jest to mniej więcej tyle samo energii, ile zużywa silnik elektryczny o mocy 6 koni mechanicznych.
• Pomiar indukcyjności: Jest to wskaźnik siły magnetycznej cewki i wpływu innych cewek na jedną cewkę. Wpływa na nią liczba zwojów w obwodzie, wymiary cewek i indukcyjność innych cewek. Pomiar ten, sam w sobie, jest jedynie dobrym wskaźnikiem stanu uzwojenia amortyzatora i mimośrodu wirnika. Indukcyjność pokaże zwarcie uzwojenia tylko wtedy, gdy jest ono poważne.
• Pomiar impedancji: Jest to pomiar złożonej rezystancji w obwodzie. Może być używany, podobnie jak indukcyjność, do sprawdzania stanu uzwojenia amortyzatora i wirnika. Jednakże, gdy jest używany wraz z indukcyjnością, może być używany do szybkiego wykrywania przegrzanych uzwojeń i zanieczyszczenia uzwojenia. Poprzez sprawdzenie relacji indukcyjności i impedancji pomiędzy każdą fazą: Jeśli indukcyjność i impedancja są względnie równoległe, wówczas wszelkie niezrównoważenie indukcyjne i impedancyjne występuje w relacji między wirnikiem a stojanem (pozycja wirnika); Jeśli nie są równoległe, wskazuje to na problem z izolacją, taki jak uszkodzenie izolacji lub zanieczyszczenie uzwojenia.
• Kąt fazowy i I/F (prąd/częstotliwość): Są to wskaźniki usterek izolacji między zwojami stojana lub wirnika.
• Rezystancja izolacji: Ocenia izolację do uziemienia i wskazuje tylko wtedy, gdy izolacja uległa uszkodzeniu.

Zalecenia dotyczące limitów testowych, określone w “Wytycznych dotyczących elektronicznej analizy obwodów uzwojeń statycznych maszyn wirujących i transformatorów”, są następujące:

Tabela 1: Wartości graniczne testu (wartości międzyszczytowe)

*Może przekroczyć tę wartość, jeśli pomiary są równoległe.

Poniżej znajduje się przegląd zasad rozwiązywania problemów:

• Zwarcie uzwojeń:

• Zwarcie uzwojeń można ocenić, sprawdzając kąt fazowy i odczyty I/F z przyrządu na podobnych cewkach lub między fazami:
• Kąt fazowy (Fi) – Kąt fazowy powinien mieścić się w zakresie 1 cyfry średniego odczytu. Na przykład odczyt 77/75/76 byłby dobry, ponieważ średni odczyt wynosi 76. Odczyt na poziomie 74/77/77 byłby zły.
• Bieżąca odpowiedź częstotliwościowa (I/F) – Bieżąca odpowiedź częstotliwościowa powinna mieścić się w zakresie 2 cyfr średniego odczytu. Na przykład odczyt -44/-45/-46 byłby dobry. Odczyt na poziomie -40/-44/-44 byłby zły. Jednak odczyt taki jak -42/-44/-44 należy uznać za podejrzany.

• Zanieczyszczenie uzwojenia i pozycja wirnika

• Położenie wirnika w silniku elektrycznym może powodować naturalną asymetrię faz. Zanieczyszczenie uzwojenia może również powodować asymetrię faz. Ocena DF może wykazać, czy asymetria faz pochodzi z wirnika, czy z zanieczyszczeń.

• Pozycja wirnika – niewyważenie pozycji wirnika można ocenić, sprawdzając, czy wartości indukcyjności i impedancji są w miarę zrównoważone. Na przykład, jeśli występują indukcyjności 17/18/19 i impedancje o wartościach 24/26/29, wówczas niezrównoważenie jest spowodowane położeniem wirnika. Może tak być również w przypadku, gdy indukcyjności wynoszą 5/5/5, a impedancje 8/9/8.
• Zanieczyszczenie uzwojenia – można je również znaleźć w przegrzanych (spalonych) uzwojeniach. Warunki te są wynikiem zmian w izolacji spowodowanych awarią systemu izolacji.

Wniosek

Dzięki zestawowi prostych zasad i instrukcji, ALL-TEST IV PRO™ (obecnie AT5™) zapewnia doskonałe narzędzie do rozwiązywania problemów i określania trendów stanu maszyn synchronicznych. Test jest wykonywany przy użyciu prostych, nieniszczących pomiarów testowych, które pozwalają na pełniejszy wgląd w obwód stojana i wirnika silnika niż jakikolwiek inny test. Ocena testu jest prosta i bezpośrednia, niezależnie od rozmiaru i typu sprzętu.

Bibliografia

• Wytyczne dotyczące elektronicznej analizy obwodów uzwojeń statycznych maszyn wirujących i transformatorów, BJM Corp, ALL-TEST Division, 2001.
• Penrose, Howard W. Analiza obwodów silnika: Theory, Application and Energy Analysis, SUCCESS by DESIGN, 2001.