Wykrywanie usterek napędu silnikowego z modulacją szerokości impulsu przy użyciu analizy sygnatur elektrycznych

Zastosowanie napędów silnikowych w przemyśle dla silników prądu przemiennego stale rośnie, a napęd z modulacją szerokości impulsu (PWM) stał się powszechnym standardem branżowym dla zastosowań o małej i średniej mocy. Podobnie jak w przypadku innych komponentów w układzie silnika, napęd PWM ma różne tryby awarii, a do rozwiązywania problemów elektryk zwykle używa multimetru cyfrowego (DMM), oscyloskopu cyfrowego i analizatora jakości zasilania. Te trzy przyrządy pozwalają elektrykowi na wykrywanie problemów związanych z zasilaniem wejściowym i napędem silnika, ale oferują ograniczone możliwości wykrywania usterek w samym silniku i napędzanym przez niego obciążeniu. Ponadto, ponieważ instrumenty te są oddzielne i mogą oferować ograniczone możliwości raportowania, testowanie do celów konserwacji predykcyjnej (PdM) lub konserwacji opartej na stanie (CBM) może być trudne.

To właśnie w tym obszarze analiza sygnatur elektrycznych (ESA) oferuje wyraźne korzyści w porównaniu z DMM, oscyloskopem i analizatorem jakości zasilania do celów testowania niezawodności. Co więcej, oprócz oceny stanu zasilania wejściowego i napędu silnika, oceni także stan silnika i napędzanego obciążenia dla wielu typowych trybów awarii.

O ESA

ESA to metoda testowania on-line, w której przebiegi napięcia i prądu są rejestrowane podczas pracy układu silnika, a następnie, za pomocą szybkiej transformaty Fouriera (FFT), przeprowadzana jest analiza widmowa za pomocą dostarczonego oprogramowania. Na podstawie tego FFT wykrywane są usterki związane z zasilaniem przychodzącym, obwodem sterowania, samym silnikiem i napędzanym obciążeniem, a następnie mogą być trendowane do celów CBM/PdM. Nasz konkretny przyrząd ESA jest ręczny, przenośny i zasilany bateryjnie.

Wszystkie systemy analizy ESA wymagają informacji z tabliczki znamionowej silnika dotyczących napięcia, prędkości obrotowej, prądu przy pełnym obciążeniu i mocy (lub kW). Dodatkowo można wprowadzić opcjonalne informacje, takie jak liczba prętów wirnika i szczelin stojana, numery części łożysk oraz informacje o napędzanych elementach obciążenia, takie jak liczba łopatek wentylatora lub liczba zębów przekładni, aby uzyskać bardziej szczegółową i dokładną analizę.

Ponieważ ESA jest nowością dla wielu osób, poniżej znajduje się wykres ilustrujący ogólne błędy wykrywane przez ESA. Patrz rysunek 1.

W tym artykule omówiono trzy typowe usterki napędu PWM:

1) Otwarta dioda wejściowa w mostku prostowniczym.

2) Uszkodzone kondensatory w pośrednim obwodzie prądu stałego.

3) Zły tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT).

Spośród tych trzech czynników, uszkodzenie kondensatorów jest najtrudniejsze do wczesnego wykrycia, ponieważ nie ma bezpośrednich oznak tego stanu poprzez monitorowanie wydajności silnika.

Informacje o napędzie

Rysunek 2 ilustruje podstawowe bloki napędu silnika PWM, które obejmują przychodzące zasilanie prądem przemiennym, pełnookresowy mostek diodowy, który prostuje przychodzące napięcie prądu przemiennego, pośredni obwód prądu stałego, który zawiera kondensator(y), mostek falownika i silnik.

Podczas testowania za pomocą ESA, napięcie i prąd są podłączane do testowanego systemu silnika. Zwykle odbywa się to w centrum sterowania silnikiem, a połączenia są wykonywane za pomocą dostarczonych przenośnych sond napięcia i przenośnych przekładników prądowych lub wcześniej zainstalowanych specjalnych skrzynek połączeniowych. Zaletą skrzynki połączeniowej jest możliwość pobierania danych bez otwierania panelu sterowania silnika w celu wykonania wymaganych połączeń.

W przypadku aplikacji PWM należy pobrać dwa zestawy danych, jeden na wejściu napędu PWM, a drugi na wyjściu napędu PWM. Cały proces zbierania danych (po wykonaniu połączeń) trwa około 4 minut i na tym etapie nie są wymagane żadne informacje z tabliczki znamionowej silnika. Informacje te można wprowadzić później podczas przeprowadzania analizy danych.

Pliki danych są następnie przeglądane za pomocą dostarczonego oprogramowania i generowany jest raport Microsoft® Word. Oprogramowanie zapewnia łatwe w użyciu narzędzia do pracy z różnymi widmami analizy. Ustalenia dotyczące oprogramowania można zobaczyć bez generowania pełnego raportu.

Oprogramowanie automatycznie zgłasza następujące informacje:

Współczynnik mocy, asymetria prądu, asymetria napięcia i napięcie RMS do tabliczki znamionowej, obciążenie do tabliczki znamionowej, połączenie faz, stan wirnika, stan elektryczny i mechaniczny stojana, szczelina powietrzna wirnik/stojan, całkowite zniekształcenia harmoniczne (napięcie i prąd), wskazania niewyrównania/niewyważenia i stan łożysk.

Podaje również wartości szczytowe napięcia i prądu oraz współczynnik szczytu, impedancję fazową, moc (pozorną, rzeczywistą i bierną), prędkość obrotową i częstotliwość linii. W przypadku silników indukcyjnych prądu przemiennego i silników prądu stałego oblicza również sprawność silnika.

Przeciętnie wykwalifikowany użytkownik może przeprowadzić pełną analizę i wygenerować raport w mniej niż 10 minut na silnik.

Przypadek pierwszy

Przypadek numer jeden to napęd silnikowy, który został odebrany w zakładzie serwisowym EMA Inc, Cortland, NY. Napęd i silnik zostały uruchomione na dynamometrze w celu przeprowadzenia testów.

Zebrano dwa zestawy danych. Pierwszy z nich to przebieg zarejestrowany tylko na wejściu napędu, a drugi zestaw został wykonany na wyjściu napędu. Drugi zestaw danych zawiera przechwycony przebieg napięcia i prądu oraz 50-sekundowe przebiegi napięcia i prądu.

Rysunek 6 przedstawia przebieg prądu wejściowego dla fazy C. Należy zauważyć, że brakuje ujemnych wartości szczytowych. Jest to spowodowane otwartą diodą.

Automatycznie generowany raport ESA identyfikuje zarówno niezrównoważenie prądu, jak i nadmierne zniekształcenia harmoniczne, które są powodowane przez otwartą diodę.

Pierwsza strona raportu stanowi jedynie podsumowanie, a dodatkowe strony zawierają szczegółowe informacje na temat każdego z głównych tematów. Duża asymetria faz prądu, jak widać tutaj, spowoduje uszkodzenie wewnętrznych komponentów napędu PWM i może obciążyć transformator zasilający napęd silnikowy

Przypadek drugi

Sprawa numer dwa została odebrana przez EMA do naprawy i dotyczy starzejących się kondensatorów w baterii kondensatorów. Problem polega na tym, że gdy kondensatory zaczynają się starzeć i pogarszać, wydajność silnika nie daje żadnych oczywistych wskazówek. Gdy kondensatory zaczną ulegać awarii, dodatkowy prąd jest przenoszony przez dobre kondensatory, co powoduje nadmierne nagrzewanie się kondensatorów, a dodatkowe ciepło przyspiesza awarię pozostałych kondensatorów. Kondensatory te mają otwory wentylacyjne do odprowadzania nadmiernego ciśnienia wewnątrz, ale mogą eksplodować, jeśli nie zostaną odpowiednio szybko odpowietrzone. Dodatkowo, nadmierne napięcie tętniące dostarczane do silnika spowoduje pobór prądu harmonicznego przez silnik. Te prądy harmoniczne będą powodować ujemny moment sekwencyjny, słabą wydajność silnika i dodatkowe szkodliwe nagrzewanie się wewnątrz silnika.

Rysunek 9 przedstawia napięcie na wyjściu przetwornicy i dotyczy to dobrej przetwornicy z kondensatorami w dobrym stanie.

Przypadek trzeci

Sprawa numer trzy została odebrana przez EMA w celu naprawy. Przebieg wyjściowy pokazuje, że tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) nie włącza się. Powoduje to zarówno niezrównoważenie prądu, jak i zniekształcenie kształtu fali.

Wniosek

Podsumowując, DMM, oscyloskop i przyrządy do pomiaru jakości zasilania zapewniają dobre możliwości rozwiązywania problemów z napędami silnikowymi PWM. Nie integrują się one jednak dobrze z programem testowania niezawodności silników elektrycznych ze względu na ograniczenia w gromadzeniu danych i raportowaniu. Co więcej, dostarczają one niewiele informacji na temat typowych problemów związanych z silnikiem i obciążeniem.

Analiza sygnatur elektrycznych umożliwia technikowi ds. niezawodności przegląd całego systemu silnika, od zasilania wejściowego do napędzanego obciążenia. W przypadku aplikacji PWM zbieranie danych trwa mniej niż 4 minuty po podłączeniu napięcia i prądu. Na podstawie tego 4-minutowego procesu testowania, pełna analiza 8 może szybko zidentyfikować problemy, takie jak uszkodzone diody prostownika, słabe kondensatory szyny DC i uszkodzone tranzystory IGBT, zanim awaria napędu lub silnika spowoduje awarię systemu silnika.

Należy zauważyć, że we wszystkich trzech przypadkach silnik może nadal działać, w zależności od obciążenia i innych czynników operacyjnych, ale pewność dalszego działania systemu jest zagrożona. Zdolność ESA do wczesnej identyfikacji tych usterek, zanim dojdzie do dodatkowego uszkodzenia silnika lub napędu PWM, pomoże zminimalizować kosztowne przestoje, zwiększyć niezawodność sprzętu i być może zapobiec katastrofalnym uszkodzeniom sprzętu lub możliwym obrażeniom personelu.

O autorach

Richard Scott jest krajowym kierownikiem sprzedaży, a Don Haapapuro, CMRP, jest kierownikiem ds. kluczowych klientów w ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro jest producentem przenośnych urządzeń testowych do analizy obwodów silnika (MCA), analizy sygnatur elektrycznych (ESA) i analizy jakości zasilania (PQ) wykorzystywanych do testowania konserwacji predykcyjnej, kontroli jakości i rozwiązywania problemów z silnikami elektrycznymi, generatorami, transformatorami, cewkami i uzwojeniami. Przyrządy ALLTEST PRO® MCA zapewniają wczesne wykrywanie usterek elektrycznych, w tym: usterek uzwojenia, niewyważenia faz, usterek wirnika i usterek uziemienia. Przyrządy ALL-TEST PRO® ESA i PQ zapewniają automatyczną analizę od zasilania wejściowego, silnika elektrycznego, poprzez napędzane obciążenie, zarówno elektryczne, jak i mechaniczne. Przyrządy są ręczne, zasilane bateryjnie, łatwe w użyciu i mogą testować praktycznie każdy rozmiar lub typ silnika elektrycznego, generatora lub transformatora, nawet z odległej lokalizacji. Strona internetowa to www.alltestpro.com.

Dean Williams jest wiceprezesem ds. usług technicznych w EMA, Inc. i pracuje w centrum serwisowym w Cortland w stanie Nowy Jork. EMA sprzedaje i serwisuje napędy silnikowe oraz zapewnia szkolenia w zakresie prawidłowego rozwiązywania problemów z napędami silnikowymi. Strona internetowa to www.emainc.net.

Microsoft® Word jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy Microsoft Corporation.

Copyright © 2008 ALL-TEST Pro, LLC Wszelkie prawa zastrzeżone