Обнаружение неисправностей электропривода с широтно-импульсной модуляцией с помощью анализа электрической сигнатуры

Использование моторных приводов для двигателей переменного тока в промышленности продолжает расти, и привод с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) стал общепринятым промышленным стандартом для двигателей малой и средней мощности.
Как и другие компоненты в системе электродвигателя, ШИМ-привод имеет различные режимы отказа, и для поиска неисправностей электрик обычно использует цифровой мультиметр (DMM), цифровой осциллограф и анализатор качества электроэнергии.
Эти три прибора действительно позволяют электрику устранять проблемы, связанные с входящим питанием и приводом двигателя, но имеют ограниченные возможности для обнаружения неисправностей в самом двигателе и управляемой им нагрузке.
Более того, поскольку эти приборы раздельные и могут предлагать ограниченные возможности для составления отчетов, тестирование для целей прогнозируемого технического обслуживания (PdM) или технического обслуживания по состоянию (CBM) может быть затруднено.
Именно здесь анализ электрических характеристик (ESA) предлагает явные преимущества перед DMM, осциллографом и анализатором качества электроэнергии для целей тестирования надежности.
Более того, помимо оценки состояния входящей мощности и привода двигателя, он также оценивает состояние двигателя и приводимой в движение нагрузки для многих распространенных режимов отказа.

О ESA

ESA – это метод тестирования в режиме онлайн, при котором во время работы системы двигателя снимаются осциллограммы напряжения и тока, а затем с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) проводится спектральный анализ с помощью прилагаемого программного обеспечения.
На основе этого БПФ выявляются неисправности, связанные с входящим питанием, цепью управления, самим двигателем и управляемой нагрузкой, которые затем можно отследить для целей CBM/PdM.
Наш конкретный прибор ESA является ручным, портативным и работает от батарей.
Для всех систем анализа ESA требуется информация с заводской таблички двигателя: напряжение, скорость вращения, ток полной нагрузки и мощность (или кВт).
Кроме того, для более детального и точного анализа можно ввести дополнительную информацию, такую как количество пазов ротора и статора, номера деталей подшипников, а также информацию о компонентах приводимой нагрузки, например, количество лопастей для вентилятора или количество зубьев для коробки передач.
Поскольку для многих людей ESA является новинкой, ниже приведена схема, иллюстрирующая общие неисправности, которые обнаруживает ESA.
См. Рисунок 1. В этой статье рассматриваются три распространенные неисправности ШИМ-привода:
1) Открытый входной диод в выпрямительном мосте.
2) Неисправные конденсаторы в промежуточной цепи постоянного тока.
3) Плохой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).
Из этих трех вариантов отказ конденсаторов сложнее всего обнаружить на ранней стадии, поскольку нет никаких немедленных признаков этого состояния при наблюдении за работой двигателя.

О приводе

На Рис. 2 показаны основные блоки ШИМ-привода двигателя, которые включают в себя входящий переменный ток, полноволновый диодный мост, который выпрямляет входящее переменное напряжение, промежуточную цепь постоянного тока, содержащую конденсатор(ы), инверторный мост и двигатель. При тестировании с помощью ESA к тестируемой системе двигателя подключаются напряжение и ток.
Обычно это делается в центре управления двигателем, а соединения выполняются с помощью прилагаемых переносных пробников напряжения и переносных трансформаторов тока или с помощью предварительно установленных специальных соединительных коробок.
Преимуществом соединительной коробки является возможность получения данных без вскрытия панели управления двигателем для выполнения необходимых соединений. При использовании ШИМ необходимо снять два набора данных: один на входе ШИМ-привода, а другой – на выходе ШИМ-привода.
Весь процесс сбора данных (после выполнения подключений) занимает около 4 минут, и на этом этапе не требуется информация с заводской таблички двигателя.
Эту информацию можно ввести позже при анализе данных.
Затем файлы данных просматриваются с помощью прилагаемого программного обеспечения и создается отчет в формате Microsoft® Word.
Программное обеспечение предоставляет простые в использовании инструменты для работы с различными спектрами анализа.
Результаты работы программного обеспечения можно просмотреть без создания полного отчета.
Программное обеспечение автоматически сообщает следующее: Коэффициент мощности, дисбаланс тока, дисбаланс напряжения и среднеквадратичное значение напряжения по отношению к паспортному, нагрузка по отношению к паспортному, соединение фаз, состояние ротора, электрическое и механическое состояние статора, воздушный зазор ротора/статора, общие гармонические искажения (напряжение и ток), индикация рассогласования/дисбаланса и состояние подшипников.
Он также сообщает о пиковом напряжении и токе, коэффициенте гребня, импедансе фаз, мощности (кажущейся, реальной и реактивной), скорости вращения и частоте сети.
Для асинхронных двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока он также рассчитает КПД двигателя.
Средний опытный пользователь может провести полный анализ и создать отчет менее чем за 10 минут для каждого двигателя.

Случай первый

Пример номер один – это привод, который был получен в сервисном центре EMA Inc, Кортланд, штат Нью-Йорк.
Привод и двигатель были запущены на динамометре для тестирования.
Было собрано два набора данных.
Первый набор данных – это только форма волны на входе привода, а второй набор данных был получен на выходе привода.
Второй набор данных включает в себя захват осциллограмм напряжения и тока, а также 50 секунд осциллограмм напряжения и тока.
На Рис. 6 показана осциллограмма входящего тока для фазы С. Обратите внимание, что отрицательные пики отсутствуют.
Это вызвано открытым диодом. Автоматически созданный отчет ESA определяет дисбаланс тока и чрезмерные гармонические искажения, которые вызваны открытым диодом.
Эта первая страница отчета представляет собой только краткое изложение, а на других страницах приведены подробности по каждому из основных разделов.
Большой дисбаланс фаз тока, как показано здесь, приведет к повреждению внутренних компонентов ШИМ-привода и может вызвать напряжение в питающем трансформаторе, питающем моторный привод

Случай второй

Случай номер два поступил в EMA для ремонта и связан со старением конденсаторов в конденсаторной батарее.
Проблема заключается в том, что по мере старения и разрушения этих конденсаторов производительность двигателя не дает никаких очевидных признаков.
Когда конденсаторы начинают выходить из строя, через исправные конденсаторы проходит дополнительный ток, который создает чрезмерное тепло в конденсаторах, а дополнительное тепло ускоряет выход из строя оставшихся конденсаторов.
Эти конденсаторы имеют вентиляционные отверстия, чтобы рассеивать избыточное давление внутри, но они могут взорваться, если не выпустить воздух достаточно быстро.
Кроме того, чрезмерное пульсирующее напряжение, подаваемое на двигатель, вызывает гармонический ток, потребляемый двигателем.
Эти гармонические токи создадут отрицательный последовательный момент, ухудшат работу двигателя и приведут к дополнительному вредному нагреву внутри двигателя.
На Рис. 9 показано напряжение на выходе преобразователя, и это для хорошего преобразователя с исправными конденсаторами.

 

Случай третий

Случай номер три поступил в EMA для ремонта.
Форма выходного сигнала показывает, что IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) не включается.
Это создает дисбаланс тока и искажение формы волны.

Заключение

В заключение, DMM, осциллограф и приборы для измерения качества электроэнергии обеспечивают хорошие возможности для поиска неисправностей в приводах двигателей с ШИМ.
Однако они не очень хорошо интегрируются в программу проверки надежности электродвигателей из-за ограничений по сбору данных и составлению отчетов.
Более того, они предоставляют мало информации об общих проблемах, связанных с двигателем и нагрузкой.
Анализ электрической сигнатуры позволяет специалисту по надежности просмотреть всю систему двигателя, начиная с входящего питания и заканчивая управляемой нагрузкой.
При использовании ШИМ сбор данных занимает менее 4 минут после подключения напряжения и тока.
Полный 8-минутный анализ позволяет быстро выявить такие проблемы, как вышедшие из строя выпрямительные диоды, плохие конденсаторы шины постоянного тока и вышедшие из строя IGBT еще до того, как отказ привода или двигателя приведет к выходу системы двигателя из строя.
Важно отметить, что во всех трех случаях двигатель может продолжать работать, в зависимости от нагрузки и других эксплуатационных факторов, но уверенность в том, что система продолжит работать, будет под угрозой.
Способность ESA выявлять эти неисправности на ранней стадии, до того, как произойдет дополнительное повреждение двигателя или ШИМ-привода, поможет минимизировать дорогостоящие простои, повысить надежность оборудования и, возможно, предотвратить катастрофическое повреждение оборудования или травмы персонала.  Об авторах Ричард Скотт – национальный менеджер по продажам, а Дон Хаапапуро, CMRP, – менеджер по работе с ключевыми клиентами компании ALL-TEST Pro, LLC.
ALL-TEST Pro – производитель портативного тестового оборудования для анализа цепей электродвигателей (MCA), анализа электрических характеристик (ESA) и анализа качества электроэнергии (PQ), используемого для предиктивного тестирования технического обслуживания, контроля качества и поиска неисправностей электродвигателей, генераторов, трансформаторов, катушек и обмоток.
Приборы ALLTEST PRO® MCA обеспечивают раннее обнаружение электрических неисправностей, включая: повреждения обмоток, дисбаланс фаз, повреждения ротора и замыкания на землю.
Приборы ALL-TEST PRO® ESA и PQ обеспечивают автоматический анализ от входящей мощности, электродвигателя до приводимой в движение нагрузки, как электрической, так и механической.
Приборы переносные, работают от аккумулятора, просты в использовании и способны проверить практически любой размер или тип электродвигателя, генератора или трансформатора, даже из удаленного места.
Веб-сайт: www.alltestpro.com.
Дин Уильямс – вице-президент по техническому обслуживанию компании EMA, Inc, он работает в сервисном центре в Кортланде, штат Нью-Йорк.
EMA продает и обслуживает моторные приводы, а также проводит тренинги по правильному устранению неисправностей моторных приводов.
Веб-сайт – www.emainc.net.
Microsoft® Word является зарегистрированной торговой маркой корпорации Microsoft.
Copyright © 2008 ALL-TEST Pro, LLC Все права защищены