Zastosowania analizy charakterystyki prądowej silnika (MCSA)

Technologie diagnostyki silników stały się jeszcze bardziej powszechne w latach 90-tych i w nowym stuleciu. Technologie te obejmują zarówno analizę obwodu silnika (MCA), jak i analizę sygnatury prądu silnika (MCSA), stosowane zarówno w systemach silników elektrycznych pod napięciem, jak i bez napięcia. Zastosowania wydają się być niemal nieskończone.

Systemy uwzględnione w tym dokumencie to analizator obwodów silnika ALLTEST IV PRO 2000, analizator sygnatur prądowych silnika ALL-TEST PRO OL, oprogramowanie do zarządzania silnikiem EMCAT, oprogramowanie Power System Manager i oprogramowanie ATPOL MCSA. Zestaw ALL-TEST PRO MD obejmuje integrację wszystkich tych systemów oraz oprogramowanie MotorMaster Plus Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Celem tego artykułu jest podkreślenie zastosowania MCSA systemu ALL-TEST PRO MD, który utrzymuje następujące elementy:

• Odczyty MCA rezystancji, impedancji, indukcyjności, kąta fazowego, odpowiedzi prądowej/częstotliwościowej oraz testowanie izolacji do masy (MegOhm).
• Możliwości MCSA w zakresie demodulacji napięcia i prądu, w tym analiza FFT do 5 kHz.
• Zautomatyzowane możliwości analizy i tworzenia trendów zarówno dla MCA, jak i MCSA za pośrednictwem oprogramowania.
• Pełne rejestrowanie i analiza jakości zasilania, w tym natychmiastowe przechwytywanie zdarzeń trójfazowych.

Przykłady przedstawione w niniejszym dokumencie obejmują wiele potencjalnych zastosowań dostępnych dzięki wdrożeniu technologii diagnostyki silnika.

Testowanie prętów wirnika

Podstawowym celem stojącym za pierwotnym rozwojem technologii MCSA było wykrywanie usterek prętów wirnika. Pręty wirnika są trudne do oceny przy użyciu tradycyjnych metod testowych, w tym analizy drgań. Ustalono, że do oceny stanu prętów wirnika można zastosować metodę wykorzystującą prąd. Podstawowa zasada jest prosta: Pasma boczne wokół częstotliwości podstawowej, gdy silnik jest obciążony, wskazują na problemy z wirnikiem. Standardowa zasada została ustalona, że problemy z prętem wirnika są poważne, gdy szczyty pasma bocznego zbliżają się do 35 dB wartości szczytowej częstotliwości linii.

Rysunek 1: Częstotliwości prętów wirnika

Przykład na rysunku 1 pokazuje pasma boczne na poziomie około -40 dB od szczytowej częstotliwości linii. Wskazuje to na co najmniej jedno pęknięcie pręta wirnika w silniku sprężarki o mocy 500 KM i napięciu 4160 V.

Rysunek 2 jest przykładem jednego z dwóch możliwych
scenariusze:

• Pustki odlewnicze w aluminiowym wirniku.
• Miękki ząb (lub zęby) w aplikacji geared.

Rysunek 2: Pustka odlewnicza lub “miękki” ząb koła zębatego

Używając demodulowanego napięcia i prądu FFT o wyższej częstotliwości, można wykryć takie problemy, jak mimośrodowość dynamiczna i statyczna, luźne pręty wirnika i inne usterki związane z wirnikiem.

Rysunek 3: Pocieranie wirnika bez obciążenia

Dane na rysunku 3 odnoszą się do pompy głębinowej o mocy 7,5 KM i 1800 obr/min, testowanej na sucho bez obciążenia. Wirnik lekko ocierał się o rdzeń stojana, co zostało zidentyfikowane jako mimośrodowość statyczna i dynamiczna z wieloma szczytami prądu, jak pokazano.

Testowanie silników indukcyjnych

Silniki jedno- i trójfazowe mogą być oceniane przy użyciu kombinacji demodulowanego napięcia i prądu. Jedna szczególna zasada i siła
kombinacja napięcia i prądu, jest to, że jeśli szczyty pokazują się w napięciu i prądzie, usterka ma charakter elektryczny, jeśli szczyt pokazuje się w prądzie, ale nie w napięciu, to problem ma charakter mechaniczny. Kolejną zaletą oceny systemów za pomocą MCSA jest możliwość wykrywania usterek związanych z zasilaniem i obciążeniem.

Rysunek 4: Usterka mechaniczna stojana

Jak można zauważyć na rysunku 4, wartości szczytowe są identyfikowane w prądzie, ale nie są widoczne w FFT napięcia. Oznacza to, że występują usterki mechaniczne. Ponieważ odnoszą się one do prędkości obrotowej i liczby szczelin stojana, jest to usterka mechaniczna związana z uzwojeniami. Istnieje kilka innych wartości szczytowych prądu, wskazujących na usterki związane z obciążeniem, w tym przypadku najprawdopodobniej problem ze skrzynią biegów (należy zauważyć, że są to dane o wysokiej częstotliwości związane z rysunkiem 2).

Rysunek 5: Niewyważenie mechaniczne

Silnik pokazany na rysunku 5 miał niewyważenie mechaniczne. Sygnatura jest wyświetlana jako dwukrotność częstotliwości liniowej (LF), czterokrotność częstotliwości liniowej, a następnie dwukrotność częstotliwości liniowej. W tym przypadku pręty wirnika powtarzają prędkość pracy z pasmami bocznymi LF, a następnie pojawia się pozostały wzór.

Testowanie silników DC

Silniki DC są oceniane w podobny sposób jak wibracje. W rzeczywistości podpisy są takie same w wibracjach jak w MCSA. Napięcie i prąd stały są pobierane z obwodu twornika.

Rysunek 6: Usterka przetwornicy prądu stałego

W przypadku rysunku 6, wielokrotne harmoniczne częstotliwości linii plus wielokrotne harmoniczne liczby układów energoelektronicznych (SCR) razy częstotliwość linii (w tym przypadku 360 Hz) wskazują na usterkę SCR lub luźne połączenie. Można to potwierdzić, sprawdzając tętnienia napięcia i częstotliwości w danych niskiej częstotliwości.

Testowanie alternatorów synchronicznych

Alternatory synchroniczne można również szybko i łatwo ocenić za pomocą demodulacji napięcia i prądu. W poniższym przykładzie alternator uległ awarii z powodu wysokiej temperatury. Do oceny systemu wykorzystano zarówno MCA, jak i MCSA.

Rysunek 7: Dane MCSA dla alternatora synchronicznego (niska częstotliwość)

Rysunek 8: Mimośród dynamiczny alternatora

Testowany alternator wykazał wzrost mimośrodowości w ciągu 40-minutowego testu, usterki pola wirującego i niektóre sygnatury usterek elektrycznych. Informacje te zostały połączone z danymi MCA, które wskazywały na zwarcie uzwojenia, zwarcie kabla i znaczny spadek rezystancji izolacji na krótkim odcinku częściowego obciążenia. Alternator o mocy 475 kW i napięciu 480 VAC wymagał trzech równoległych kabli na fazę. Istnieje wiele opcji systemu ATPOL dla większych kabli. Niemniej jednak, w przypadku szczypty, użyto po jednym z trzech kabli każdej fazy, więc wartości prądu wynosiły mniej więcej 1/3.

Rysunek 9: Podłączenie prądowe alternatora

Napędy o zmiennej częstotliwości

Napędy o zmiennej częstotliwości stanowiły wyzwanie dla wielu systemów MCSA. W przypadku ATPOL nie stanowi to jednak problemu. Można wyświetlić sygnały napięcia i prądu wyjściowego (Rysunek 10).

Rysunek 10: Przebiegi napięcia i prądu VFD (przechwytywanie 0,05 sekundy)

Rysunek 11: Dane niskiej częstotliwości VFD

Rysunek 11, który przedstawia dane niskiej częstotliwości (<120 Hz) dla tego samego systemu, co rysunek 10, pokazuje, że częstotliwość linii wyjściowej przemiennika wynosi 43 Hz, a prędkość robocza silnika 3600 RPM wynosi 2570 RPM.

Rysunek 12: Dane wysokiej częstotliwości VFD

Jak można zauważyć na rysunku 12, silne skoki napięcia i prądu wskazują na usterki związane z układem silnika. Niektóre z dodatkowych zakłóceń są ściśle związane z przebiegami napięcia i prądu pochodzącymi z VFD. Oprogramowanie będzie jednak automatycznie umieszczać kursory związane z różnymi usterkami w przebiegach.

Rysunek 13: Specjalna analiza wartości szczytowych

Rysunek 13 przedstawia te same dane, ale z pokazanymi szczytowymi napięciami i prądami. Prądy o wyższej częstotliwości wskazują na kwestie związane z harmonicznymi napięcia, które są pokazane na dolnym przebiegu. Wszystkie dane łącznie wskazują na problem związany z napięciem przychodzącym. Po przetestowaniu przy częstotliwości 46 Hz, problem stał się bardziej znaczący i wskazał na potencjalną usterkę systemu zasilania, która staje się powszechna powyżej 45 Hz.

Rozwiązanie to można złagodzić poprzez zastosowanie filtrowania na wyjściu napędu VFD.

Prasa dziurkująca z silnikiem i napędem wiroprądowym

Można wyświetlić cały system silnika, w tym napędzane obciążenie.

Rysunek 14: Cykl ładowania prasy wykrawającej

Rysunek 14 przedstawia bieżący cykl w ciągu 10 sekund. Szczyt A jest jednym z trzech szczytów w tym cyklu, który odnosi się do stempla (dolnej części) skoku prasy, podczas gdy punkt C odnosi się do górnej części skoku. Punkt B identyfikuje pewien rodzaj problemu z tarciem lub chwytaniem, gdy system zbliża się do szczytu skoku. Trzy dolne skoki pomagają zidentyfikować, że operacja jest wykonywana 18 razy na minutę.

Rysunek 15: Pasma boczne częstotliwości linii związane z silnikiem

Rysunek 15 identyfikuje wysoki “poziom szumów” i wiele pasm bocznych wokół szczytowej częstotliwości LF. To, wraz z danymi o wysokiej częstotliwości, pomaga wskazać kierunek w kierunku obciążenia.

Rysunek 16: Dane wysokiej częstotliwości sprzęgła wiroprądowego

Rysunek 16 wskazuje, że w zasilającym napięciu DC z prostownika (sześć SCR) występuje błąd połączenia i/lub SCR. Szczyty w wysokich
Widmo częstotliwości identyfikuje również usterki w napędzie wiroprądowym i samej prasie wykrawającej, najprawdopodobniej luzy w systemie (powiązane sygnatury pokazują podwyższone poziomy hałasu).

MCSA i aplikacje energetyczne

Zautomatyzowane funkcje raportowania i rejestrowania danych systemu ATPOL obejmują również możliwość współpracy z oprogramowaniem MotorMaster Plus Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

Dodatkowe funkcje zostały sfinansowane w celu włączenia do MotorMaster Plus przez ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors i Pruftechnik, aby umożliwić dołączenie informacji diagnostycznych silnika do analizy. Zastosowanie zarówno MCA, jak i MCSA pozwala użytkownikowi ocenić stan silnika elektrycznego, a następnie podjąć decyzję o naprawie lub wymianie związanej z energią z potwierdzonym zwrotem z inwestycji.

Przykładowo, silnik o mocy 40 KM i prędkości 1800 obr/min testowany za pomocą MCSA wykrył kilka usterek mechanicznych i elektrycznych. Dane zostały uwzględnione w raporcie MotorMaster Plus, a częstotliwość robocza została określona jako 91,5% sprawności przy 90% obciążenia. Zakładając koszt energii na poziomie 0,07 USD/kWh i zapotrzebowanie na poziomie 14 USD/kW, przy 2000 (1 zmiana) pracujących rocznie, zidentyfikowano zastępczy, wysokowydajny silnik elektryczny o prostym okresie zwrotu wynoszącym 0,9 roku i 866% zwrotu z inwestycji po opodatkowaniu.

Dane mogą być również wykorzystywane przez narzędzie oceny systemu pomp (PSAT) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, AirMaster i inne narzędzia.

Moc diagnostyki silnika – system ALL-TEST PRO MD

Połączona moc MCA i MCSA dostępna w zestawie ALL-TEST PRO MD, zintegrowana z systemem oprogramowania do zarządzania silnikiem EMCAT, pozwala na
użytkownik może wykonać następujące czynności:

• Zautomatyzowana analiza danych MCA i MCSA.
• Obliczanie zwrotu kosztów za pomocą systemów oprogramowania Power System Manager i MotorMaster Plus.
• Uruchomienie maszyn elektrycznych
• Rozwiązywanie problemów z maszynami elektrycznymi
• Trendy dotyczące maszyn elektrycznych
• Analiza przyczyn źródłowych maszyn elektrycznych
• Kompletny systemowy widok stanu elektrycznego i mechanicznego
• Ocena systemów AC/DC, obciążeń poprzez systemy “miękkiego sprzężenia” (np. napędy wiroprądowe)
• Badania i ankiety dotyczące energii.
• Obsługuje inne technologie diagnostyczne, takie jak wibracje, podczerwień i inne.

Wszystko dzięki prostemu systemowi diagnostyki silnika. Dane mogą być gromadzone za pomocą ręcznych kolektorów danych lub za pomocą funkcji “zdalnej obsługi” za pośrednictwem komputera lub laptopa (system może być obsługiwany zdalnie z ekranu komputera).

Wniosek

Celem niniejszej białej księgi ALL-TEST Pro było przedstawienie możliwości MCSA systemu diagnostyki silnika ALL-TEST PRO MD.
Zademonstrowane możliwości znacznie wykraczają poza prostą analizę silników indukcyjnych i obejmują:

• Silniki prądu przemiennego i alternatory
• Silniki i generatory prądu stałego
• Systemy jedno- i trójfazowe
• Napędy wiroprądowe
• Napędy o zmiennej częstotliwości
• Jakość zasilania przychodzącego
• Obciążenie napędzane
• Znacznie więcej

Możliwości znacznie wykraczają poza te wymienione w tym artykule.

Zaprezentowane zostaną dodatkowe artykuły, które identyfikują możliwości wykorzystania jakości energii, MCA, MCSA i wykrywania usterek związanych z obciążeniem.