Как полностью протестировать 3-фазные асинхронные двигатели переменного тока с помощью тестирования обесточенного двигателя

Люди часто проводят тестирование индуктивности двигателей методами, которые не позволяют точно оценить всю картину.
Неадекватное тестирование может привести к преждевременной замене оборудования, плохому анализу затрат и другим негативным последствиям.
Тестирование обесточенного двигателя с помощью запатентованных приборов для анализа цепей двигателя (MCA™) от ALL-TEST Pro может сделать тестирование более точным, действенным и простым.
В этой статье мы покажем Вам, как протестировать трехфазный двигатель переменного тока, и объясним, почему методы MCA™ являются более полными.

Как работают традиционные методы тестирования?

Прежде чем мы расскажем о том, как проверить трехфазный двигатель с помощью современных методов тестирования, мы рассмотрим, почему традиционных методов тестирования с помощью измерителей сопротивления изоляции и мультиметров обычно бывает недостаточно.
Эти инструменты не учитывают специфические части двигателя и не всегда помогут Вам определить, что трехфазный двигатель неисправен.

Измерители сопротивления изоляции заземлению

По имеющимся данным, только около 17% неисправностей электрического статора происходят между обмотками и рамой двигателя или являются прямым замыканием на землю, в то время как около 83% происходят в изоляции обмотки.
Поскольку при тестировании IRG не учитывается изоляция обмотки, оно применимо только к небольшому проценту неисправностей.
Кроме того, оно не оценивает общее состояние изоляции стенки заземления, а только ее самое слабое место.
Измерители IRG рекомендуют использовать устаревший индекс поляризации для определения способности GWI сохранять электрический заряд.
Эти рекомендации, основанные на старых типах изоляции, могут оказаться недействительными для более новых систем изоляции.
Цель измерений IRG – не определить состояние изоляции, а убедиться в том, что трехфазный электродвигатель безопасен для подачи напряжения.
Дополнительные измерения, такие как тангенс угла диэлектрических потерь и емкость на землю, дают более полное представление об общем состоянии GWI.

Мультиметры

Мультиметры измеряют сопротивление электрической цепи между определенными проводами двигателя.
Теоретически, если изоляция, окружающая проводники, разрушается (как при коротком замыкании обмотки), сопротивление закороченной катушки будет ниже, чем сопротивление других катушек, создавая дисбаланс сопротивления между фазами.
Проблема с использованием сопротивления в качестве индикатора ухудшения изоляции обмотки кроется в фундаментальном законе электричества, который гласит, что ток идет по пути наименьшего сопротивления.
Прежде чем ток сможет обойти виток или витки в катушке, сопротивление изоляции между витками должно быть меньше, чем сопротивление проводников закороченного витка или витков.
Эти значения могут исчисляться миллиомами и обычно не поддаются измерению до тех пор, пока изоляция между витками полностью не исчезнет.
Еще одна проблема с мультиметрами заключается в том, что изоляция имеет отрицательный температурный коэффициент.
При повышении температуры сопротивление уменьшается, потенциально до достаточно низкого значения, чтобы ток замыкался вокруг катушки.
Если Вы проводите измерения после выключения двигателя, температура обмотки и изоляции снизилась, что позволяет сопротивлению изоляции увеличиться настолько, чтобы ток пошел по своему обычному пути и представил сбалансированное измерение между фазами.  

Как разрушается изоляция?

Оценка состояния трехфазного двигателя зависит от раннего обнаружения пробоя изоляции.
Для этого MCA™ использует низковольтные сигналы переменного тока для тренировки системы изоляции обмотки, чтобы определить, когда изоляция обмотки начинает претерпевать химические изменения, происходящие по мере разрушения изоляции.
Вся материя состоит из молекул и атомов.
Атомы работают как кирпичики LEGO®, образуя молекулы с помощью химических связей.
Эти связи возникают в самой внешней оболочке атома (валентной).
Изоляционные материалы имеют очень плотно связанные валентные электроны.
У проводящих материалов электроны в валентной оболочке связаны слабо.
Тепло может изменить химический состав изоляционного материала, в результате чего изоляция, окружающая проводники, становится более проводящей и образует дорожки в изоляции.
Эти дорожки создают короткое замыкание между проводниками.
Согласно уравнению Аррениусаэти химические реакции удваиваются при каждом повышении температуры на 10 градусов Цельсия.
Изоляция не выходит из строя мгновенно.
Все электроизоляционные материалы являются диэлектриками и со временем претерпевают изменения в химическом составе, но эти реакции ускоряют разрушение.
Под воздействием тепла скорость реакций увеличивается, что, соответственно, ускоряет процесс разрушения.
Когда это происходит, изоляция начинает разрушаться поэтапно:

1. По мере того, как изоляция испытывает нагрузку, она становится более проводящей, менее упругой и менее емкой.
   Температура в зоне повреждения начинает повышаться, и в изоляции образуются дорожки карбонизации.
   На ранних стадиях ток по изоляции не течет.
2. Сопротивление продолжает уменьшаться по мере разрушения изоляции.
   Самоиндукция и емкость могут уменьшиться, и двигатель может начать прерывисто срабатывать, но после остывания изоляции успешно работать.
   При продолжении работы температура в зоне повреждения будет продолжать расти по мере усугубления повреждения.
3. Наконец, изоляция разрушается до тех пор, пока ток не потечет через зону повреждения.
   Это явление может привести к полному разрыву изоляции обмотки, испаряя ее.
   В этот момент изменяются индуктивность катушки и сопротивление обмотки.

Каковы распространенные неисправности ротора?

Некоторые (по данным EPRI, 10%) крупные трехфазные асинхронные двигатели переменного тока выходят из строя из-за проблем с ротором.
Их невозможно обнаружить с помощью традиционных методов тестирования двигателей, или они требуют трудоемкой диагностики и сложных испытательных приборов.
Вот некоторые типичные неисправности ротора.

Пустоты в отливке

Литейные пустоты возникают при образовании пузырьков пара в стержнях ротора или торцевых кольцах в электрической части роторов с беличьей клеткой.
Они увеличивают сопротивление в стержне или стержнях.
Стержни ротора создают параллельные цепи.
Основы теории электричества гласят, что напряжение в каждой ноге параллельных цепей одинаково.
Литые пустоты в стержне ротора увеличивают его сопротивление, что приводит к уменьшению тока (через стержень с дефектом) и увеличивает ток, протекающий через соседние стержни.
Увеличение тока, проходящего через соседние стержни ротора, вызывает дополнительный нагрев этих стержней ротора.
Дополнительное тепло вызывает термическое расширение поврежденных стержней, что приводит к прогибанию ротора и возникновению чрезмерной вибрации, а также к раннему и частому выходу из строя подшипников.

Эксцентриковый ротор

Эксцентричный ротор возникает, когда геометрическая центральная линия вала не совпадает с геометрической центральной линией сердечника ротора.
Точка на роторе, расположенная дальше всего от вала (высокая точка), будет ближе к статору, в то время как точка на противоположной стороне ротора (низкая точка) будет ближе всего к валу, но дальше от статора.
Эксцентриситет создает неравное расстояние между сердечником ротора и сердечником статора.
Поскольку эксцентричный ротор имеет высокую точку и низкую точку, неравное расстояние между ротором и статором изменяется с изменением положения ротора.
Такой тип эксцентриситета называется динамическим эксцентриситетом.
Такое состояние создает электрически несбалансированные силы между ротором и статором, что приводит к частым поломкам подшипников.

Неравные воздушные зазоры

Неравномерный воздушный зазор возникает, если концентрический ротор не расположен в геометрической осевой линии поля статора.
Это обстоятельство может возникнуть из-за неточной, неконцентричной обработки фасонных частей рамы двигателя и торцевых колоколов.
Даже правильная обработка может привести к смещению GCL ротора относительно GCL статора.
Эта проблема создает узкие зазоры и несбалансированные электрические силы между статором и ротором, аналогично эксцентричному ротору, но узкий зазор остается в фиксированном месте внутри двигателя и не меняется при изменении ориентации ротора.
Такой тип эксцентриситета называется статическим эксцентриситетом.
Состояние мягких ножек между лапами и основанием двигателя является распространенной причиной статического эксцентриситета.
Если ножки двигателя не находятся в одной плоскости с основанием, на котором он установлен, затягивание болтов крепления рамы двигателя может привести к деформации рамы двигателя, что также приведет к деформации поля статора.
Эти искажения создают такие же условия, как если бы ротор был смещен от центра в магнитном поле статора.
Эти воздушные зазоры могут создавать узкие зазоры и несбалансированные магнитные силы, что может привести к частым поломкам подшипников и трещинам или разрывам в стержнях ротора.

Треснувшие или сломанные стержни ротора

Стержни ротора действуют как проводники в электрической цепи ротора.
Если стержни ротора треснули или сломались, на роторе появятся мертвые зоны, когда поврежденные стержни окажутся под любым из полюсов магнитного поля статора, вращающегося вокруг сердечника статора.
Ток модулируется через ротор с частотой, равной количеству полюсов в двигателе и частоте тока, протекающего через ротор.
Сломанные или треснувшие стержни ротора не позволяют ему достичь нормальной скорости или создают избыточный ток, нагрев и вибрацию оборудования.
Если их не устранить, ротор может в конечном итоге саморазрушиться.

Что включает в себя Motor Circuit Analysis™?

Чтобы оценить эти неисправности ротора и недостатки традиционного тестирования, мы можем использовать более комплексный Анализ цепей двигателя™ стратегии для тестирования трехфазного двигателя переменного тока.

Изоляция стен в грунте

Изоляция заземления – это любая изоляция, разделяющая электрический ток, подводимый к двигателю, и раму или любую другую открытую часть двигателя.
Ее цель – направить путь тока и предотвратить его попадание куда-либо, кроме предполагаемого места.
Помните, что измерения IRG подтверждают безопасность подачи напряжения на двигатель, а не его состояние.
Измерения DF и CTG дают больше информации об общем состоянии GWI.
Систему GWI можно смоделировать как последовательно-параллельную RC-цепь.
Изоляция GWI образует конденсатор, поскольку она представляет собой диэлектрический материал, помещенный между проводящими материалами.
Конденсатор накапливает электрический заряд, поэтому часть переменного тока, подаваемого на конденсатор, возвращается к источнику, когда Вы снимаете напряжение.
Однако часть протекает через диэлектрик.
Ток, который возвращается к источнику, является емкостным, в то время как ток, протекающий через диэлектрик, является резистивным.
Когда Вы подаете переменное напряжение на конденсатор, емкостной ток опережает напряжение на 90 градусов, в то время как ток, протекающий через диэлектрик, является резистивным и находится в фазе с переменным напряжением.
У новой, чистой изоляции резистивный ток составляет от 3 до 5% от емкостного тока.
Если изоляционный материал разрушается, то резистивный ток увеличивается или емкостной ток уменьшается, или происходит и то, и другое.
В любом случае, это влияет на отношение резистивного тока к емкостному – DF.
Увеличение DF указывает на ухудшение GWI, которое может быть вызвано тепловой деградацией или загрязнением.
Новые, чистые двигатели также имеют определенное значение CTG.
Если текущее значение CTG увеличилось по сравнению с базовым, это обычно происходит из-за загрязнения изоляции или попадания воды.
Термическая деградация изоляции GWI увеличивает резистивный ток и уменьшает емкостной ток, поэтому значение CTG уменьшается.
Сочетание этих двух измерений переменного тока с измерениями IRG дает больше информации для определения общего состояния GWI.

Статические испытания обмоток статора

Испытания обмотки статора могут быть статическими или динамическими.
Статические испытания проводятся, когда ротор неподвижен, и включают в себя следующее.

• Сопротивление обмотки: Чтобы измерить сопротивление обмотки, Вы можете последовательно подать постоянное напряжение на два из трех выводов двигателя, чтобы оценить сопротивление проводников, подключенных между выводами прибора.
  Дисбаланс, связанный с сопротивлением обмотки, обычно вызван неплотными или высокоомными соединениями.
• Индуктивность (L): Индуктивность измеряет способность катушки или обмотки сохранять магнитное поле.
  Двигатели обладают как самоиндукцией, так и взаимной индуктивностью.
  Деградация изоляции катушки влияет на самоиндукцию, а любые изменения в электрической цепи ротора влияют на взаимную индуктивность.
  Дисбаланс индуктивности часто возникает из-за положения ротора.
  Положение ротора не является проблемой, это естественно возникающее состояние, связанное с асинхронными двигателями.
  Асинхронные двигатели переменного тока могут быть выполнены в виде трансформатора с вращающейся вторичной обмоткой.
  Обмотки статора выступают в качестве первичной обмотки, а стержни ротора – в качестве вторичной.
  В статическом состоянии количество стержней ротора, расположенных непосредственно под испытываемыми катушками, определяет соотношение витков между первичной и вторичной обмотками.
  Это определяет взаимную индуктивность между ротором и статором.
  Если количество стержней ротора, расположенных под каждой фазой, не одинаково из-за положения ротора, это приведет к дисбалансу индуктивности между фазами.
• Импеданс (Z): Импеданс – это общее сопротивление протеканию тока в цепи переменного тока.
  В то время как сопротивление измеряет только противодействие постоянному току, индуктивность и емкость в цепи влияют на импеданс.
  Эти величины изменяются, когда изоляция, окружающая проводники, образующие витки обмотки, начинает меняться.
  Поскольку Z – это масштабная величина, она может пропустить небольшие изменения на ранних стадиях разрушения изоляции.
• Фазовый угол (Fi): Фазовый угол измеряет временную задержку между двумя или более событиями в течение одного и того же периода.
  Полный цикл составляет 360 градусов.
  Если для завершения цикла требуется одна секунда (период цикла), а одно событие отстает от другого на полсекунды (половина цикла, или 180 градусов), то Fi равен 180 градусам.
  Частота – это величина, обратная времени (1/T), поэтому все события с одинаковым периодом происходят с одинаковой частотой.
  Если циклы начинаются не одновременно, один из них будет опережать или отставать.
  Резистивные, индуктивные и емкостные цепи будут отличаться тем, как ток и напряжение будут опережать или отставать друг от друга.
  Поэтому, когда химический состав изоляции, окружающей проводники, составляющие катушки, начинает меняться, Fi изменится раньше, чем Z, L, R или C. Измерение Fi – это ведущий индикатор пробоя изоляции.
• Частотная характеристика тока (I/F): Индукторы накапливают магнитное поле, чтобы противостоять изменению тока, а конденсаторы накапливают электрический заряд, чтобы противостоять изменению напряжения.
  Если эти свойства меняются, то меняется и способность катушки или обмотки накапливать заряд или магнитное поле.
  Изоляция окружает проводники в катушках фазовых обмоток.
  Если изоляция, окружающая все катушки, находится в одинаковом состоянии, то каждая фаза обладает одинаковой способностью накапливать заряд.
  Как только изоляция начинает разрушаться, эта способность меняется, создавая дисбаланс в способности фазных катушек накапливать магнитное поле или электрический заряд.
  Отклик I/F измеряет способность катушки накапливать магнитное поле или электрический заряд.
  Дисбаланс более 2% I/F любой катушки от среднего значения по всем фазам указывает на развивающуюся неисправность в обмотке.

  MCA™ – это проверенная технология, которая успешно используется в полевых условиях уже более 35 лет.
MCA™ имеет документированные рекомендации по выявлению развивающихся неисправностей обмотки и ротора.
Для случайных практиков эти рекомендации могут оказаться сложными для запоминания и применения.
Поэтому, по просьбе некоторых пользователей, инженеры ALL-TEST Pro разработали уникальное запатентованное решение.
Они разработали запатентованный алгоритм, объединяющий все измерения MCA™, которые определяют состояние обмотки и ротора.
Он обеспечивает единственное значение, статическое значение теста.
TVS™ не оценивает состояние изоляции или системы ротора, но отражает состояние электрических систем обмотки и ротора двигателя.
Двигатели не являются самовосстанавливающимися, поэтому любое изменение TVS™ указывает на ухудшение состояния двигателя.
Опорное статическое значение обычно является первым TVS™, выполненным для двигателя, и указывается как эталонное или “базовое” значение.
Это позволяет прибору сравнивать результаты любого текущего “статического теста” с сохраненным значением RVS для оценки состояния двигателя.
RVS – это TVS™, сохраненный в приборе или программном обеспечении MCA™ в качестве эталона для сравнения.
Если TVS™ изменяется более чем на 3% от первоначального значения, это раннее предупреждение.
Превышение 5% указывает на серьезные изменения.
Новые или восстановленные двигатели должны иметь результаты первого “статического теста”, сохраненные как RVS.
Когда двигатель впервые устанавливается в систему, проводится новый статический тест из легкодоступного места, например, из центра управления двигателем или местного разъединителя, и результаты сохраняются в виде нового RVS.
Эта новая RVS включает в себя все электрические компоненты контроллера двигателя и соответствующие кабели.
Проведение любых последующих статических испытаний из этого места позволяет быстро оценить состояние электрической цепи.
Если новый TVS™ отличается от RVS менее чем на 3%, состояние двигателя и связанных с ним компонентов не изменилось.
Отклонение более чем на 3 или 5% указывает на развивающуюся неисправность или серьезные изменения, соответственно.
Изменения произошли не обязательно в двигателе, но где-то в системе.
Чтобы изолировать неисправность, необходимо провести новый статический тест непосредственно на двигателе.
Если TVS™ от двигателя находится в пределах 3% от RVS для двигателя, то неисправность кроется в контроллере или связанных с ним кабелях.
Если он превышает 3%, то неисправность кроется в обмотках двигателя или в системе ротора.
Чтобы определить, в статоре или роторе неисправность, Вам необходимо провести динамический тест.

Динамические тесты

Динамические испытания проводятся при плавном, медленном вращении вала двигателя вручную.
Они создают сигнатуру статора и сигнатуру ротора.

• Подпись статора: В сигнатуре статора показаны средние значения изменения импеданса при движении стержней ротора через магнитное поле, создаваемое катушками под напряжением.
  В хороших двигателях распределение средних значений составляет менее 1,1% от других фаз.
  Если оно выше, это указывает на развивающееся повреждение в изоляции, окружающей проводники, которые образуют катушки в фазах.
  Если изменения значений превышают 3%, в изоляции происходит серьезная деградация.
• Подпись ротора: Подпись ротора показывает, насколько каждый пик отклоняется от среднего значения.
  На хороших роторах эти пики симметричны.
  Они должны отличаться от других пиков в фазе менее чем на 10%.
  Отклонение от 10% до 15% указывает на раннее предупреждение, а отклонение более 15% указывает на плохой ротор.

Почему MCA™ так полезен?

К сожалению, недостаток знаний о современных, проверенных на практике возможностях MCA™ по тестированию двигателей ограничивает широкое применение этого метода.
Традиционные подходы имеют ограниченные возможности для тщательного анализа трехфазных асинхронных двигателей переменного тока.
Существуют и другие методы, требующие больших затрат времени, но они по-прежнему сосредоточены на GWI, что не позволяет выявить более распространенные проблемы с изоляцией обмотки и ротора.
Существуют и более дорогие приборы, которые требуют больше времени на тестирование, но не позволяют определить состояние ротора двигателя или системы изоляции.
MCA™ решает эти проблемы с помощью простого в использовании и понятного метода тестирования обесточенного двигателя.
Он предлагает подробную, проверенную на практике и точную оценку состояния этих трехфазных двигателей переменного тока.
Наши приборы MCA™, такие как ALL-TEST PRO 7™ и ALL-TEST PRO 34™, представляют собой портативные приборы с питанием от аккумулятора, которые предлагают пошаговые инструкции по выполнению тестов.
Они также дают немедленную оценку двигательного состояния на экране.
Более эффективное, простое и быстрое тестирование моторики с помощью MCA™ дает такие преимущества, как.

• Повышение точности и успешности поиска неисправностей: Многие двигатели имеют незначительные, часто устранимые неисправности, но пользователи отказываются от них из-за дополнительных расходов на тестирование.
  На некоторых предприятиях проблемные двигатели заменяются при превышении заранее установленного размера.
  Точно определив неисправность, эти пользователи смогут провести более точный анализ соотношения затрат и ремонта, чтобы сократить количество замен и минимизировать расходы, связанные с ремонтом, простоем и перенаправлением квалифицированной рабочей силы.
• Более надежные установки: Проверяя новые и восстановленные двигатели, предприятие гарантирует, что получает то, за что платит.
  Вы можете избежать установки неисправных моторов или траты моторов, которые еще в хорошем состоянии и легко поддаются ремонту.
• Сокращение времени простоя: Тестирование двигателей на наличие признаков деградации поможет Вам заменить подозрительные или слабые двигатели во время планового отключения, вместо того, чтобы допускать внезапные отказы, останавливающие работу и сокращающие время безотказной работы.

Оборудование ALL-TEST Pro’s MCA™

Начните использовать уникальные значения TVS™ и RVS от MCA™ и ALL-TEST Pro с помощью наших приборов для тестирования трехфазных двигателей.
Мы предлагаем целый ряд испытательных приборов, и наша компетентная команда будет рада помочь Вам подобрать подходящий для Вашей работы. Изучите наши устройства онлайн или свяжитесь с нами с любыми вопросами.