Преимущества тестирования двигателей постоянного тока с помощью анализа цепей двигателя

Электрические испытания электродвигателей постоянного тока (DC) – сложная задача как в промышленности, так и на производстве и в ремонтных центрах.
Основная проблема связана с возможностью сравнения одной катушки с другой, если точная информация не предоставляется.
В этой статье мы рассмотрим вопрос о простых тестах для повышения уверенности в выводах тестирования и анализа с помощью Motor Circuit Analysis (MCA).
Термин MCA происходит от метода тестирования, который предоставляет информацию об основных компонентах электродвигателя переменного или постоянного тока.
К этим основным компонентам относятся:

• Сопротивление, измеряется в Омах
• Импеданс, измеряется в Омах
• Индуктивность, измеряется в генри
• Угол фазы индукционной обмотки, измеряется в градусах
• Сопротивление изоляции, измеряется в мегаоммах

Прибор, о котором пойдет речь в этой статье, обеспечивает эти показания, генерируя низковольтный сигнал переменного тока (импеданс, индуктивность, угол сдвига фаз) с частотой от 100 до 800 герц, низковольтный сигнал постоянного тока для определения сопротивления и 500 или 1 000 вольт постоянного тока для проверки сопротивления изоляции.
Кроме того, проводится специальный тест под названием I/F, при котором приложенная частота удваивается, а соотношение получается в результате изменения импеданса обмотки.
Этот тест проводится для выявления ранних замыканий в обмотке, которые могут существовать.
Используя полученные данные, можно оценить состояние обмотки двигателя постоянного тока путем сравнения катушек, сопоставления с известными показаниями или путем отслеживания изменений в обмотке за определенный период времени.
Электродвигатели постоянного тока, которые будут рассмотрены в этой статье, – это последовательные, шунтовые и составные двигатели постоянного тока.
Некоторые из описанных базовых тестов могут быть выполнены для двигателей с постоянными магнитами, сервоприводов постоянного тока, станков постоянного тока и других (хотя бесщеточные двигатели постоянного тока оцениваются так же, как и двигатели переменного тока).
Типы электродвигателей постоянного тока можно описать по их обмоткам и соединениям.

Теория двигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока работают на основе основного принципа электричества: взаимодействие между двумя магнитными полями, расположенными под углом друг к другу, притягивает/отталкивает, что приводит к движению.
В случае электродвигателя постоянного тока питание подается на поле статора и якорь, создавая магнитные поля, которые с электрической точки зрения расположены под углом 90 градусов друг к другу.
В результате притяжения/отталкивания якоря от поля создается вращающий момент, и якорь вращается. Основные компоненты электродвигателя постоянного тока включают:

• Рама – составляет внешнюю структуру машины.
  Она используется для крепления большинства других компонентов двигателя
• Поля – Это катушки, установленные на полюсах, которые генерируют стационарное магнитное поле.
• Интерполы – это катушки, расположенные между катушками возбуждения, которые генерируют поле, используемое для предотвращения чрезмерного искрения щеток.
• Торцевые щитки – также называемые корпусами подшипников, используются для размещения щеток и щеточной оснастки, а также для размещения подшипников вала, удерживающих якорь по центру в каркасе.
• Крепление щеток – удерживает и располагает щетки над коммутатором якоря.
  Обычно для поддержания постоянного давления на щетки используется натяжное устройство.
• Щетки – Они используются для подачи постоянного тока на якорь.
  Щетки перемещаются по коммутатору.
• Коммутатор – состоит из множества медных шин, разделенных слюдой.
  Каждая шина соединена с катушками в якоре.
• Якорь – это вращающаяся часть двигателя, содержащая катушки.

В отличие от большинства двигателей переменного тока, двигатели постоянного тока требуют отдельного питания для полей и якоря.
Постоянный ток, подаваемый на поля статора, генерирует постоянные северное и южное поля.
Постоянный ток, подаваемый на якорь, генерирует северное и южное поля, расположенные под углом 90 электрических градусов по отношению к стационарному полю.
Когда якорь создает крутящий момент и движется к соответствующему северному или южному полюсу, щетки меняют положение на коммутаторе, подавая напряжение на другой набор катушек, расположенных на 90 электрических градусов от стационарного поля.
Это фактически делает якорь компонентом переменного тока, так как ток будет идти в одном направлении, в зависимости от положения щеток, а затем в другом направлении по мере работы двигателя.
Щетки устанавливаются в такое положение, чтобы они были электрически “нейтральными” (без индуцированного тока от полей статора), чтобы уменьшить искрение.
В большинстве случаев подключения двигателей постоянного тока, изменяя напряжение на якоре, можно изменять рабочую скорость.
Одна общая опасность, присущая двигателям постоянного тока, заключается в том, что если ток возбуждения пропадает при сохранении тока якоря, двигатель может взлететь, и скорость будет расти до тех пор, пока якорь не разрушится.
Три основных типа обмоток, по которым можно определить тип двигателя постоянного тока, включают:

• Серия: Обычно используются в тех случаях, когда требуется высокий пусковой момент.
  Они состоят из набора обмоток возбуждения из большого провода с относительно небольшим количеством витков, обозначенных S1 и S2, которые последовательно соединены с межполюсными обмотками и якорем, обозначенными A1 и A2 (см. Рис. 1).
  Двигатели с последовательным соединением обычно используются в качестве тяговых двигателей и имеют очень низкое базовое сопротивление.
• Шунт: Обычно применяются в устройствах, где требуется постоянная скорость.
  Они состоят из набора обмоток возбуждения из провода меньшего сечения с большим количеством витков, обозначенных F1 и F2 для одного напряжения и F1, F2, F3 и F4 для двух напряжений, а также A1 и A2 для межполюсного провода и якоря (см. Рис. 2).
  Двигатели с шунтовым соединением обычно используются в качестве двигателей кранов и станков и имеют относительно высокое базовое сопротивление.
• Компаунд: Сочетают в себе преимущества двигателей с последовательной и шунтовой обмоткой.
  Они обеспечивают относительно высокий крутящий момент при базовой устойчивости к изменению рабочей скорости.
  Соединения сочетают в себе как последовательные, так и шунтовые соединения (см. Рисунок 3).
  Компаундные двигатели являются наиболее распространенными и часто встречаются в промышленном производстве.

Как видно, в собранной машине постоянного тока мало катушек для сравнения друг с другом.
Тем не менее, можно разработать процедуры для тестирования обмоток, которые обеспечат высокий уровень достоверности результатов тестирования.  

 

Распространенные электрические неисправности двигателей постоянного тока

Существует ряд распространенных электрических неисправностей двигателей постоянного тока, самые распространенные из которых будут описаны здесь.
Они возникают из-за проблем, специфических для конструкции двигателя постоянного тока, в результате воздействия температуры, трения и внутренних загрязнений, таких как углерод или графит.
Одной из наиболее распространенных причин неисправности обмотки в двигателе постоянного тока является загрязнение обмотки углеродной или графитовой (карбоновой) пылью от щеток.
Мелкий порошок проникает во все неподвижные и вращающиеся обмотки и создает путь между проводниками или между проводниками и землей.
Углерод часто задерживается, и проблемы усугубляются при чистке и техническом обслуживании, когда углерод выдувается сжатым воздухом или когда якорь чистят и запекают.
В любом случае, уголь может оказаться плотно упакованным в углах, обычно сразу за коммутатором.
Это приведет к замыканию на землю или замыканию витков прямо в месте соединения с коммутатором.
Еще одна распространенная неисправность, на которую часто не обращают внимания, – это охлаждение машины постоянного тока.
Это может произойти из-за блокировки охлаждающих каналов, слишком медленного вращения якоря без дополнительного охлаждения или из-за загрязнения фильтров (наиболее распространенная неисправность, связанная с охлаждением).
Температура – главный враг электрооборудования, особенно системы изоляции, срок службы которой сокращается вдвое при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия (принятое эмпирическое правило).
По мере ослабления изоляции снижается ее надежность, вплоть до возникновения межвитковых замыканий.
Помимо того, что изоляция разрушается, щетки также разрушаются быстрее, вызывая повышенный износ коммутатора и дополнительное загрязнение обмоток углеродом.
Еще одна неисправность, связанная с нагревом, возникает в тех случаях, когда поля находятся под напряжением, а якорь – в состоянии покоя (обесточен).
Это распространенный режим работы, требующий отдельного вентилятора для охлаждения двигателя, который обычно имеет фильтры, которые необходимо содержать в чистоте.
Этот тип неисправности обычно приводит к замыканию шунтирующих катушек, снижая способность двигателя создавать крутящий момент, и может закончиться опасным состоянием превышения скорости вращения якоря, если его не обслуживать должным образом.
Коммутатор также предоставляет возможности для выявления неисправностей, а также является индикатором работы и состояния двигателя.
У правильно работающего двигателя постоянного тока на коммутаторе будет тонкий налет углерода, а стержни будут выглядеть равномерно.
Выгоревшие бруски коммутатора, разводы на глазури, сильный нагар или перегрев коммутатора указывают на потенциальные проблемы, которые следует устранить.  

Испытание арматуры

Якорь постоянного тока – самый трудоемкий, но самый простой компонент для тестирования.
Существует три основных метода, которые будут представлены: трендинг; сборка; и разборка.
При тестировании по тренду используются все измерения, однако при тестировании в собранном и разобранном виде будет использоваться измерение импеданса от шины к шине.
Импеданс рассматривается потому, что якорь является компонентом переменного тока, и простые измерения сопротивления могут пропустить некоторые неисправности, включая короткие замыкания и заземления.
Трендинг будет рассмотрен в общей процедуре трендинга для двигателей постоянного тока далее в этой статье.
При тестировании собранного якоря двигателя постоянного тока лучше всего проводить так называемый тест “от шины к шине”, используя щетки двигателя.
В случае двигателя постоянного тока с двумя щетками ни одну из щеток поднимать не нужно, в случае двигателя постоянного тока с четырьмя и более комплектами щеток поднимать нужно все щетки, кроме двух комплектов, расположенных на 90 градусов друг от друга, что выводит их из схемы тестирования.
Убедитесь в том, что на коммутаторе поддерживается хороший контакт: щетки должны соприкасаться с брусками коммутатора на 90%+, а бруски коммутатора должны быть чистыми.
Если они не чистые, перед тестированием аккуратно отполируйте якорь, используя одобренный метод.
Если коммутатор сильно изношен, его необходимо разобрать и “развернуть и подрезать”, и в этом случае целесообразно провести испытание в разобранном виде – от прутка к прутку.
После установки отметьте положение одной планки на коммутаторе, затем подведите планку к такому положению, чтобы она оказалась прямо под передним краем одной из щеток.
В собранном тесте Вы, вероятно, закроете щеткой не менее полутора брусков.
Проведите тест на импеданс, запишите показания и переместите якорь так, чтобы передний край щетки оказался над следующим бруском коммутатора.
Снимите следующее показание импеданса и продолжайте до тех пор, пока не будет проверена каждая планка.
Хороший результат покажет последовательную картину, а непоследовательная картина выявит плохой якорь.
Тестирование в разобранном виде аналогично тестированию в собранном виде, за исключением того, что якорь находится вне рамы и тестер имеет полный доступ к коммутатору.
В этом случае тестер будет использовать приспособление для якоря или тестовые провода, чтобы соединить стержень с стержнем.
Расстояние между каждым показанием импеданса должно быть постоянным и составлять примерно 90-180 градусов друг от друга.
Первый стержень должен быть отмечен, и тестирование продолжается до тех пор, пока одна ножка приспособления или тестового провода не пройдет 360 градусов вокруг коммутатора.
Отметьте импеданс для каждого теста между полосками, а затем посмотрите, чтобы убедиться в том, что он был последовательным.  

Тестирование двигателей серии

Серийные электродвигатели очень сложны для поиска неисправностей, поскольку они не дают наборов полей для сравнения.
Показания могут быть сняты с S1 на S2 и с A1 на A2, а затем проанализированы с течением времени или сравнены с другими аналогичными машинами.
При отслеживании показаний во времени показания простого сопротивления должны быть скорректированы с учетом температуры, обычно относительно ^25oC. Импеданс и индуктивность обычно имеют ограниченные изменения под воздействием температуры, в то время как фазовый угол и показания I/F остаются постоянными, независимо от температуры.
Изменения I/F и фазового угла указывают на короткое замыкание витков, в то время как изменения импеданса и индуктивности обычно указывают на загрязнение обмоток.
Сравнение одинаковых двигателей потребует дополнительной информации.
Оператор должен убедиться, что двигатель одного и того же производителя и конструкции, а также скорости, мощности и т.д.
“Образцовый” двигатель должен быть новым или восстановленным в соответствии со спецификациями оригинального производителя.
При проведении сравнительных измерений температура тестирования должна быть одинаковой для каждого двигателя, однако показания I/F и фазового угла можно сравнивать напрямую.
Эти показания не должны изменяться более чем на +/- 2 пункта для I/F и +/-1 градус для фазового угла.
Распространенной ошибкой при восстановлении последовательных обмоток возбуждения, хотя и менее распространенной, чем при восстановлении шунтовых катушек, является неправильная замена размера провода, что влияет на способность двигателя генерировать крутящий момент.  

Тестирование шунтирующих двигателей

Шунтирующие двигатели с двойным напряжением дают возможность сравнить два набора обмоток, в то время как для двигателей с одинарным напряжением используется та же процедура тестирования, что и для обмоток последовательных двигателей, но с использованием F1 – F2, а не S1 – S2.
При использовании двойного напряжения шунтирующие обмотки маркируются F1 – F2 и F3 – F4, что позволяет аналитику тестировать и сравнивать эти два набора обмоток.
При тестировании и устранении неполадок с течением времени показания простого сопротивления должны быть скорректированы с учетом температуры, обычно относительно ^25oC. Импеданс и индуктивность будут изменяться сильнее, чем у двигателя с последовательной обмоткой, из-за более высокого простого сопротивления цепи.
Фазовый угол и I/F будут оставаться постоянными, в пределах 1-2 точек, независимо от температуры.
Изменения I/F и фазового угла будут указывать на короткое замыкание витков, а изменения импеданса и индуктивности обычно указывают на загрязнение обмоток.
Сравнение между F1 и F2 и F3 и F4 должно составлять менее 3% по сопротивлению, индуктивности и импедансу и не более чем на 1 пункт отличаться по I/F или фазовому углу.
Подобные двигатели можно тестировать и сравнивать так же, как и двигатели с последовательной обмоткой.
По возможности, двигатели следует тестировать при той же температуре, что и предыдущие тесты.
Например, в течение нескольких минут после выключения работающего оборудования или перед запуском оборудования – это позволит провести испытания при одинаковых температурах.  

Тест комбинированного двигателя постоянного тока

Тестирование на месте, отслеживание тенденций и устранение неисправностей намного проще при использовании комбинированного двигателя.
Одновольтные составные двигатели обычно маркируются A1 – A2, S1 – S2 и F1 – F2, а двухвольтные составные двигатели обычно маркируются A1 – A2, S1 – S2, F1 – F2 и F3 – F4.
Ключевым дополнительным моментом комбинированного двигателя является то, что последовательная обмотка обычно наматывается поверх шунтовой обмотки, что позволяет устранить возможные неисправности между этими двумя обмотками.
При использовании двигателя с составной обмоткой испытания обычно проводятся с клемм привода постоянного тока.
Стандартные тесты MCA с помощью ALL-TEST включают низковольтные сигналы высокой частоты, которые не повредят выходной электронике оборудования, что уменьшает необходимость отсоединять провода от привода на время тестирования.
Однако если аналитик хочет проверить сопротивление изоляции между последовательной и шунтирующей обмотками, провода должны быть отсоединены от привода.
При проверке от привода постоянного тока протестируйте A1-S2 и два провода возбуждения, затем проведите тест сопротивления изоляции 500 Вольт между проводами S2 и F1 и сравните с предыдущими тестами или аналогичными двигателями; в любом случае, показания сопротивления изоляции должны оставаться выше 100 МегаОм.
Прибор ALL-TEST позволяет анализатору немедленно сравнить прошлые и настоящие показания в качестве быстрой проверки, что позволяет анализатору быстро принять решение о дальнейшей проверке обмоток.
Как уже упоминалось в методиках тестирования последовательных и шунтовых двигателей, показания I/F и фазового угла не должны меняться более чем на 1 пункт между тестами, однако со временем последовательная обмотка и обмотка возбуждения будут значительно отличаться друг от друга.
Поиск и устранение неисправностей составных двигателей следует проводить на самом двигателе.
Отсоедините все провода двигателя и разделите их.
Проверьте последовательную обмотку и обмотку возбуждения, как указано в инструкциях по последовательной и шунтовой обмотке, затем проведите тест сопротивления изоляции между последовательной и шунтовой обмотками, сопротивление изоляции должно быть больше 100 МОм.  

Заметки по тестированию двигателей постоянного тока MCA

Можно выделить несколько ключевых моментов, используя
ТестированиеMCA на любом типе двигателя постоянного тока:

1. Любое показание I/F, выходящее за пределы диапазона от -15 до -50, например, -56, указывает на неисправность обмотки.
2. Если тест показывает бесконечное сопротивление между выводами одной и той же цепи, это указывает на обрыв обмотки.
3. Увеличение простого сопротивления между тестами с поправкой на температуру указывает на ослабление соединения, в частности, при изменении показаний импеданса и индуктивности.
   Уменьшение простого сопротивления с поправкой на температуру может указывать на короткое замыкание, обычно сопровождаемое изменениями импеданса, индуктивности, фазового угла и I/F.
4. При тестировании таких двигателей I/F и фазовый угол не должны изменяться более чем на 2 пункта, любая разница, превышающая это значение, должна стать поводом для проведения полного анализа.
5. Изменения при тестировании через цепь якоря должны побудить Вас провести тест “шина к шине”.

  Следуя этим простым инструкциям, использование прибора MCA позволит Вам выявлять ранние неисправности задолго до того, как оборудование выйдет из строя в процессе эксплуатации.
Если тесты проводятся в рамках программы профилактического обслуживания, интервал должен быть не менее указанного в Таблице 1.
Таблица 1: Периодичность тестирования двигателей постоянного тока

Тип испытания	Некритичные	Общие	Критический
Общее техническое обслуживание	1 год	6-9 месяцев	3-6 месяцев
Предиктивное обслуживание	6 месяцев	3 месяца	1 месяц
Испытание арматуры	1 год	6 месяцев	3 месяца

  Общие тесты для технического обслуживания – это тесты, которые не имеют тенденции к увеличению со временем.
Обычно они сопровождаются вибрацией, смазкой подшипников, проверкой коммутатора и щеток.
Предиктивное техническое обслуживание обычно включает в себя отслеживание показаний с течением времени с целью обнаружения потенциальных неисправностей, а затем определение наилучшего времени для снятия двигателя для проведения корректирующего технического обслуживания.
Как только потенциальная неисправность обнаружена, частота тестирования должна увеличиваться до тех пор, пока не будет установлено, что двигатель необходимо снять.
Полный тест якоря следует проводить либо вместе с общим тестом, либо с тестом для профилактического обслуживания из-за высоких нагрузок на коммутатор и загрязнения углеродом.  

Заключение

Общее электрическое тестирование электродвигателей постоянного тока стало намного проще благодаря новым методам, доступным при статическом анализе цепей электродвигателей.
Впервые можно обнаружить ранние неисправности в последовательной, шунтовой и якорной обмотках до того, как они выведут оборудование из строя.
Прогнозирующие тесты на техническое обслуживание могут выполняться с привода, а тесты на устранение неисправностей – на двигателе.
В целом, тесты проводятся относительно быстро: для предиктивного техобслуживания требуется менее пяти минут на двигатель, а для поиска неисправностей требуется дополнительное время.
В целом, тестирование MCA значительно улучшает тестирование двигателей постоянного тока по сравнению с традиционными методами проверки на целостность.  Об авторе Доктор Говард В. Пенроуз, Ph.D., более 15 лет работает в сфере ремонта электродвигателей и электроприводов.
Начиная с подмастерья по ремонту электродвигателей в ВМС США и заканчивая полевым обслуживанием и оценкой от малого до крупного вращающегося оборудования всех типов, в качестве главного инженера крупной мастерской по ремонту электродвигателей на Среднем Западе.
Д-р Пенроуз принимал непосредственное участие в перемотке, обучении и устранении неисправностей электродвигателей переменного и постоянного тока, двигателей с намотанным ротором, синхронных двигателей, станков и специального оборудования.
Его дальнейшие исследования связаны с надежностью электродвигателей и промышленного оборудования, методами испытаний, энергоэффективностью и влиянием технического обслуживания на производство.
Д-р Пенроуз – бывший председатель Чикагской секции IEEE, бывший председатель Общества диэлектриков и электроизоляции IEEE Чикаго, профессиональный член Ассоциации электротехнического производства катушек и обмоток, сертифицированный Министерством энергетики США специалист по мотор-мастерам, аналитик вибраций, инфракрасный аналитик и аналитик моторных цепей.