Ulepszenia w technologii napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) zaowocowały niższymi kosztami, lepszą niezawodnością i, co ważniejsze, zwiększonym wykorzystaniem. Większość nowoczesnych systemów VFD posiada wewnętrzną diagnostykę, która powoduje automatyczne wyłączenie w przypadku usterek. Jednak przyczyna tych usterek może być czasami trudna do zlokalizowania i usunięcia. Testy silników bez napięcia (MCA) i pod napięciem mogą jednak dostarczyć cennych informacji, które pomogą szybko i łatwo zidentyfikować wiele z tych problemów. W tym krótkim artykule podkreślono, w jaki sposób włączyć te dwie łatwe do wykonania techniki testowania silnika do rozwiązywania problemów z VFD.

Podstawowe działanie

VFD prostuje przychodzące 3-fazowe zasilanie prądem przemiennym, tworząc szynę DC. Szyna DC wykorzystuje kondensatory do wygładzania wyprostowanego prądu stałego jako wejścia do sekcji inwertera. W sektorze falowników sterownik wykorzystuje mikroprocesory do sterowania przełącznikami półprzewodnikowymi, które przekształcają napięcie stałe na zmienne 3-fazowe napięcie przemienne i częstotliwość wejściową do silnika. Poprzez kontrolowanie czasu, w którym półprzewodniki (SCR lub IGBT) są wyzwalane, szerokość impulsów prądu stałego moduluje prąd stały w celu wytworzenia symulowanego trójfazowego napięcia wejściowego o zmiennym napięciu i częstotliwości. Częstotliwość napięcia wejściowego określa prędkość, z jaką pole magnetyczne obraca się wokół stojana. Prędkość, przy której pole magnetyczne jest określane jako prędkość synchroniczna (SS).

SS= 120 F/P

Gdzie: F= częstotliwość napięcia zasilania

P = liczba biegunów w silniku

Ze względu na charakter przełączania z obwodu falownika, falowniki VFD mogą powodować problemy z PQ poprzez wprowadzanie harmonicznych do systemu elektrycznego elektrowni. Dodatkowo, VFD mogą być również wrażliwe na przychodzące zakłócenia PQ, powodując ich wyłączenie. Wiele VFD ma wewnętrzną elektronikę, która wskazuje przyczynę wyłączenia. Te typowe kody przypisują przyczynę do przepięcia, przetężenia, przeciążenia, asymetrii napięcia lub prądu, nadmiernej temperatury lub usterek zewnętrznych. Informacje te są ważne, ale najważniejsze jest to, co spowodowało usterkę. Czy stan usterki jest spowodowany przez VFD lub doświadczany przez VFD?

Jeśli usterka wystąpi w VFD, może to być wynikiem przychodzącego zasilania, problemów z połączeniami, jednego z wielu problemów z silnikami lub usterek w napędzanej maszynie lub samym procesie. Jeśli usterka jest spowodowana przez VFD. Może to być wynikiem uszkodzenia lub awarii komponentów elektronicznych. Do najczęstszych awarii należą diody w sekcji prostownika, kondensatory szyny DC lub awaria półprzewodnika w sekcji inwertera.

Testowanie silników bez zasilania: Analiza obwodu silnika™ (MCA™)

Analiza obwodu silnika™ (MCA™)
to technika testowania silników, która polega na wstrzykiwaniu serii sygnałów niskiego napięcia AC i DC przez uzwojenia silnika w celu dokładnej oceny całego układu silnika, gdy silnik jest odłączony od zasilania. Testy silnika MCA mogą być wykonywane bezpośrednio na silniku lub zdalnie z wyjścia VFD. W przeciwieństwie do tradycyjnych testów silników bez zasilania, które nie identyfikują problemów z wirnikiem lub uszkodzenia izolacji uzwojenia. Testy MCA zapewniają wczesne wskazanie rozwijających się usterek nie tylko w systemie izolacji ściany uziemienia, ale także w izolacji otaczającej przewody używane do tworzenia cewek w stojanie, a także istniejących lub rozwijających się usterek w części elektrycznej wirników. MCA może identyfikować usterki na najwcześniejszych etapach, ale może również szybko potwierdzić, że silnik jest “dobry”, co może szybko wyeliminować silnik jako przyczynę wyłączenia VFD. Wykonując 3-minutowy test na wyjściu VFD, “dobry” wynik nie tylko wskazuje, że silnik jest sprawny, ale także całe powiązane okablowanie i wszystkie komponenty elektryczne w testowanym obwodzie są również w dobrym stanie. Jeśli jednak wyniki będą złe, wystarczy wykonać dodatkowy 3-minutowy test bezpośrednio na silniku. Jeśli testy silnika są prawidłowe, usterka dotyczy okablowania lub sterownika. Jeśli silnik sygnalizuje usterkę, dostępne są opcjonalne testy MCA w celu określenia, czy usterka dotyczy wirnika, czy obwodu elektrycznego stojana.

Niskonapięciowe testy DC zapewniają wskazanie problemów z połączeniami w testowanym obwodzie, aby potwierdzić, że wszystkie połączenia zewnętrzne i wewnętrzne są wystarczająco “szczelne”. Seria testów prądu przemiennego ćwiczy izolację uzwojenia i identyfikuje bardzo małe zmiany, które zachodzą w składzie chemicznym izolacji uzwojenia, gdy izolacja między przewodnikami zaczyna się pogarszać.

Opcjonalny test dynamiczny wymaga ręcznego obracania testowanego wału silnika i generuje sygnaturę stojana, która identyfikuje wszelkie rozwijające się usterki w izolacji otaczającej przewody w cewkach tworzących układ uzwojenia stojana. Sygnatury wirnika identyfikują usterki w układzie elektrycznym wirnika, takie jak mimośrodowość statyczna lub dynamiczna, pęknięcia, złamania lub puste przestrzenie odlewnicze w prętach wirnika lub pierścieniach końcowych.

Testowanie silników pod napięciem: Analiza sygnału elektrycznego (ESA)

ESA wykorzystuje napięcie i prąd wejściowy i wyjściowy VFD do szybkiej analizy stanu i jakości mocy dostarczanej do napędu, a także napięcia i prądu wyjściowego z napędu do silnika. Każdy z tych testów wymaga < 1 minuty. Przeprowadzenie testów silnika ESA na wejściu i wyjściu napędu zapewnia pełny profil mocy wejściowej i wyjściowej. Każdy test wykonuje jednoczesne przechwytywanie danych wszystkich trzech faz napięcia i prądu w celu utworzenia tabel PQ dla każdej z trzech faz, przechwytuje, wyświetla i przechowuje 50-milisekundowe przebiegi napięcia i prądu dla wszystkich 3 faz. Dodatkowo, 50-sekundowe przebiegi napięcia i prądu są digitalizowane i wykorzystywane do wykonywania FFT o wysokiej i niskiej częstotliwości zarówno na napięciu i prądzie wejściowym, jak i wyjściowym.

Moc wejściowa

Napięcie wejściowe do falownika dostarcza cennych informacji wskazujących na stan napięcia wejściowego dostarczanego do falownika, oblicza wszelkie niezrównoważenia napięcia lub prądu, lub zawartość harmonicznych w napięciu lub prądzie wejściowym. Prąd wejściowy wskazuje stan diod w sekcji prostownika napędu. Rysunek 2 przedstawia przebieg prądu przy prawidłowym odpaleniu wszystkich diod, na rysunku 3 można szybko stwierdzić, że jedna lub więcej diod w sekcji prostownika nie odpala prawidłowo.

Rysunek 2: Sekcja z dobrą diodą Rysunek 3: Sekcja z wadliwą diodą

Napięcie wyjściowe

Rysunek 4: Prawidłowo działające tranzystory IGBT

Napięcie wyjściowe z przemiennika dostarcza informacji o stanie samego przemiennika, jak również o jakości mocy dostarczanej do silnika, w tym między innymi o prawidłowym lub nieprawidłowym działaniu półprzewodników w obwodach falownika i rozwijającej się awarii kondensatorów szyny DC. Rysunek 4 przedstawia migawkę jednej fazy napięcia wyjściowego przemiennika, która jest napięciem dla silnika. Wszystkie przebiegi napięcia wyjściowego powinny być względnie jednolite i symetryczne. Niesymetryczne przebiegi napięcia wskazują na uszkodzenie lub awarię tranzystorów IGBT. Zwróć uwagę na zmarszczki na płaskiej części dodatniej i ujemnej części kształtu fali na rysunku 5. Wskazuje to na awarię kondensatorów na szynie DC. Uszkodzony kondensator o wartości 20 USD może zniszczyć cały dysk.

Prąd wyjściowy

Rysunek 5: Awaria kondensatora szyny DC

Prąd silnika działa jak bardzo czuły przetwornik dla systemu silnika. Wszelkie istniejące lub rozwijające się usterki w silniku, napędzanej maszynie lub samym procesie spowodują modulację prądu silnika. Te modulacje prądu wyjściowego zapewniają wskazanie stanu elektrycznego lub mechanicznego lub wszelkich anomalii w samym procesie. FFT na zdigitalizowanych przebiegach napięcia i prądu szybko identyfikuje usterki w silniku, takie jak pęknięte lub złamane pręty wirnika, mimośrodowość statyczna lub dynamiczna. Wczesne wskazanie rozwijających się awarii łożysk tocznych, stan wyważenia i osiowania elementów wirujących silnika lub napędzanej maszyny można również szybko zidentyfikować za pomocą tej samej częstotliwości błędów, która jest od dawna rozpoznawana w analizie drgań.

Automatyczna analiza

Oprogramowanie ESA łączy wszystkie informacje zebrane w 50-sekundowym procesie akwizycji danych i porównuje je z wcześniej ustalonymi standardami, wytycznymi i algorytmami, tworząc wykresy, tabele i wyświetlacze wymagane do szybkiej oceny stanu całego systemu silnika, od zasilania wejściowego do procesu. Po zakończeniu oceny ESA tworzy kompletny, szczegółowy raport, który nie tylko podkreśla rozwijające się problemy w części elektrycznej, rozwijające się usterki w napędzanej maszynie lub innym sprzęcie podłączonym do silnika, ale także anomalie w procesie, które mogą spowodować wyłączenie VFD. 8-stronicowy raport zawiera również szczegółowe informacje na temat pomiarów, które mieszczą się we wcześniej określonych wytycznych, eliminując w ten sposób większość domysłów zwykle związanych z rozwiązywaniem problemów VFD.

Rysunek 6: Tabela PQ na wyjściu VFD

Rysunek 7: Ekran wyników

Podsumowanie

Dzięki włączeniu MCA i ESA do standardowych procesów rozwiązywania problemów z VFD, analityk ma dostęp do najbardziej szczegółowych informacji, aby szybko określić, czy problem jest spowodowany przez VFD lub doświadczany przez VFD. 3-minutowy test MCA nie tylko identyfikuje uszkodzone silniki, ale może wyeliminować silnik jako przyczynę awarii i zapewnić, że nowy silnik jest wolny od usterek. ESA potwierdza, że zasilanie do i z VFD jest wolne od błędów w prostym teście, który zajmuje mniej niż 1 minutę.