Приложения для анализа характеристик тока двигателя (MCSA)

Технологии диагностики электродвигателей стали еще более распространенными в 1990-х годах и в новом веке.
Эти технологии включают в себя анализ цепей двигателя (MCA) и анализ характеристик тока двигателя (MCSA), применяемые как к системам электродвигателей, находящихся под напряжением, так и к системам электродвигателей, находящихся в обесточенном состоянии.
Сферы применения могут быть практически бесконечными.
Системы, включенные в данную статью, – это анализатор цепей электродвигателей ALLTEST IV PRO 2000, анализатор сигнатур тока электродвигателей ALL-TEST PRO OL, программное обеспечение для управления электродвигателями EMCAT, программное обеспечение Power System Manager и программное обеспечение ATPOL MCSA.
Комплект ALL-TEST PRO MD включает в себя интеграцию всех этих систем в дополнение к программному обеспечению MotorMaster Plus Министерства энергетики США.
Цель этой статьи – рассказать о MCSA-приложении системы ALL-TEST PRO MD, которое поддерживает следующее:

• Показания MCA для определения сопротивления, импеданса, индуктивности, фазового угла, тока/частотной характеристики и тестирования изоляции на землю (MegOhm).
• Возможности MCSA по демодуляции напряжения и тока, включая БПФ-анализ до 5 кГц.
• Автоматизированные возможности анализа и отслеживания тенденций для MCA и MCSA с помощью программного обеспечения.
• Полная регистрация и анализ качества электроэнергии, включая мгновенный захват трехфазных событий.

Примеры, приведенные в этой статье, включают в себя множество потенциальных приложений, доступных благодаря применению технологий диагностики двигателя.

Испытание роторной шины

Основополагающей целью первоначальной разработки технологии MCSA было обнаружение неисправностей роторного стержня. Состояние стержней ротора трудно оценить с помощью традиционных методов тестирования, включая анализ вибрации. Было установлено, что для оценки состояния стержней ротора можно использовать метод, использующий ток. Основное правило простое: Боковые полосы частоты прохода полюсов вокруг основной частоты сети, когда двигатель находится под нагрузкой, указывают на проблемы с ротором. Согласно стандартному правилу, проблемы с ротором являются серьезными, когда пики боковых полос приближаются к пику частоты линии в пределах 35 дБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1: Частоты роторного стержня Пример на Рисунке 1 показывает боковые полосы на уровне около -40 дБ от пиковой частоты линии.
Это указывает, по крайней мере, на одну трещину в роторе этого двигателя мощностью 500 л.с. и напряжением 4160 вольт, установленного на компрессоре.
Рисунок 2 – пример одного из двух возможных сценариев:

• Литейные пустоты в алюминиевом роторе.
• Мягкий зуб (или зубы) в зубчатой аппликации.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2: Пустота в отливке или “мягкий” зуб шестерни Используя БПФ с демодуляцией напряжения и тока на более высокой частоте, можно обнаружить такие проблемы, как динамический и статический эксцентриситет, ослабление стержней ротора и другие неисправности, связанные с ротором.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3: Потирание ротора при отсутствии нагрузки Данные на Рисунке 3 относятся к погружному насосу мощностью 7,5 л.с., 1800 об/мин, испытанному всухую при отсутствии нагрузки.
Ротор слегка терся о сердечник статора, что было определено как статический и динамический эксцентриситет с несколькими пиками тока, как показано на рисунке.

Испытание асинхронных двигателей

Однофазные и трехфазные двигатели можно оценивать с помощью комбинации демодулированного напряжения и тока.
Одно из особых правил и преимуществ комбинации напряжения и тока заключается в том, что если пики наблюдаются в напряжении и токе, то неисправность имеет электрическую природу, если же пик наблюдается в токе, но не в напряжении, то проблема имеет механическую природу.
Еще одно преимущество оценки систем с помощью MCSA заключается в том, что Вы можете обнаружить неисправности, связанные с питанием и нагрузкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4: Механическая неисправность статора Как Вы заметили на Рисунке 4, пики определяются в токе, но не отображаются в БПФ напряжения.
Это указывает на наличие механических неисправностей.
Поскольку они связаны со скоростью вращения и количеством пазов статора, это механическая неисправность, связанная с обмотками.
Существует еще несколько пиков только по току, указывающих на неисправности, связанные с нагрузкой, в данном случае, скорее всего, проблемы с редуктором (обратите внимание, что это высокочастотные данные, относящиеся к Рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5: Механический дисбаланс У двигателя, показанного на рисунке 5, был механический дисбаланс.
Он проявляется в виде удвоенной частоты строк (LF), четырехкратной частоты строк, затем удвоенной частоты строк.
В этом случае частота вращения ротора в несколько раз превышает скорость вращения с боковыми полосами НЧ, а затем появляется остальная картина.

Тестирование двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока оцениваются так же, как и вибрация.
Фактически, сигнатуры при вибрации такие же, как и при MCSA.
Напряжение и ток постоянного тока берутся из цепи якоря.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6: Неисправность привода постоянного тока В случае с рисунком 6 множественные гармоники частоты сети плюс множественные гармоники числа силовой электроники (SCR), умноженные на частоту сети (360 Гц, в данном случае), указывают на неисправность SCR или ослабление соединения.
Это можно подтвердить, просмотрев пульсации напряжения и частоты в низкочастотных данных.

Тестирование синхронного генератора

Синхронные генераторы также можно быстро и просто оценить, используя демодуляцию напряжения и тока.
В следующем примере генератор отключился из-за высокой температуры.
Для оценки системы использовались как MCA, так и MCSA.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7: Данные MCSA по синхронному генератору (низкая частота)           Рисунок 8: Динамический эксцентриситет генератора  Тестируемый генератор показал увеличение эксцентриситета в течение 40 минут работы, неисправности вращающегося поля и некоторые признаки электрических неисправностей.
Эта информация была дополнена данными MCA, которые указывали на короткое замыкание обмотки, короткое замыкание кабеля и значительное падение сопротивления изоляции в течение короткого периода работы с частичной нагрузкой.
Генератор переменного тока мощностью 475 кВт и напряжением 480 В переменного тока требовал трех параллельных кабелей на фазу.
В системе ATPOL есть несколько вариантов для кабелей большего размера.
Однако в крайнем случае использовался один из трех кабелей каждой фазы, так что значения тока составляли примерно 1/3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9: Подключение тока для генератора

Частотно-регулируемые приводы

Частотно-регулируемые приводы были проблемой для ряда систем MCSA.
Однако в случае с ATPOL это не является проблемой.
Сигналы выходного напряжения и тока можно просмотреть (Рисунок 10).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10: Волновые формы напряжения и тока VFD (захват 0,05 секунды)

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11: Данные о низкой частоте ЧРП На рисунке 11 показана низкая частота (<120 Гц) для той же системы, что и на Рис. 10, показывает, что частота выходной линии привода составляет 43 Гц, а рабочая скорость двигателя 3600 об/мин – 2570 об/мин.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12: Высокочастотные данные ЧРП Как видно из Рисунка 12, сильные пики напряжения и тока указывают на неисправности, связанные с системой двигателя.
Некоторые из дополнительных шумов обусловлены формами напряжения и тока, которые поступают от VFD.
Однако программное обеспечение автоматически помещает курсоры, относящиеся к различным неисправностям, в осциллограммы.        Рисунок 13: Специальный анализ пиковых значений На рисунке 13 показаны те же данные, но с указанием пиковых напряжений и токов.
Токи более высокой частоты указывают на проблемы, связанные с гармониками напряжения, которые показаны на нижней осциллограмме.
Все данные в совокупности указывают на проблему, связанную с входящим напряжением.
При тестировании на частоте 46 Гц проблема стала более значительной и указывает на потенциальную неисправность в системе питания, которая становится преобладающей при частоте выше 45 Гц.
Проблема может быть решена с помощью фильтрации на выходе привода VFD.

Пуансон-пресс с двигателем и вихретоковым приводом

Можно просмотреть всю систему двигателя, включая управляемую нагрузку.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14: Цикл нагрузки пуансон-пресса На рисунке 14 показан текущий цикл в течение 10 секунд.
Пик A – один из трех пиков в этом цикле, относящийся к пуансону (нижней части) хода пресса, а точка C – к верхней части хода.
Точка B указывает на проблему трения или захвата, когда система приближается к пику хода.
Три нижних штриха помогают определить, что операция выполняется 18 раз в минуту.        Рисунок 15: Побочные полосы линейной частоты, связанные с работой двигателя На рисунке 15 показан высокий “шумовой пол” и множество побочных полос вокруг пиковой низкочастотной частоты. Это, наряду с данными о высокой частоте, помогает определить направление к нагрузке.        Рисунок 16: Высокочастотные данные вихретоковой муфты Рисунок 16 показывает, что в питающем постоянном напряжении от выпрямителя (шесть SCR) существует неисправность соединения и/или SCR.
Пики в высокочастотном спектре также определяют неисправности в вихретоковом приводе и самом прессе, скорее всего, ослабление в системе (соответствующие сигнатуры показывают повышенный уровень шума).

MCSA и энергетические приложения

Автоматизированные функции отчетности и регистрации данных в системе ATPOL также включают возможность работы с программным обеспечением MotorMaster Plus Министерства энергетики США.
ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors и Pruftechnik профинансировали включение дополнительных функций в MotorMaster Plus, чтобы обеспечить возможность включения диагностической информации о двигателе для анализа.
Использование MCA и MCSA позволяет пользователю оценить состояние электродвигателя, а затем принять решение о ремонте или замене с подтвержденным возвратом инвестиций.
Например, электродвигатель мощностью 40 лошадиных сил, 1800 об/мин, протестированный с помощью MCSA, определил некоторые механические и электрические неисправности.
Полученные данные были включены в отчет MotorMaster Plus, а рабочая частота была определена как 91,5% эффективная при 90% нагрузке.
При стоимости энергии $0,07/кВтч и спросе $14/кВт, при 2000 (1 смена) рабочих операций в год, была определена замена электродвигателя премиум-класса с простой окупаемостью за 0,9 года и 866% возвратом инвестиций после уплаты налогов.
Данные также могут быть использованы в Инструменте оценки насосных систем Министерства энергетики США (PSAT), AirMaster и других инструментах.

Мощная диагностика двигателя – система ALL-TEST PRO MD

Объединенная мощь MCA и MCSA, доступная в наборе ALL-TEST PRO MD, интегрированная через систему EMCAT Motor Management Software, позволяет пользователю выполнить следующее:

• Автоматизированный анализ данных MCA и MCSA.
• Расчет окупаемости с помощью программных систем Power System Manager и MotorMaster Plus.
• Ввод в эксплуатацию электрического оборудования
• Устранение неисправностей электрических машин
• Тенденции развития электрического оборудования
• Анализ корневых причин в электрических машинах
• Полный обзор системы электрического и механического здоровья
• Оценка систем переменного/постоянного тока, нагрузок с помощью систем “мягкой связи” (т.е. вихретоковых приводов)
• Энергетические исследования и обзоры.
• Поддерживает другие диагностические технологии, такие как вибрация, инфракрасное излучение и другие.

И все это с помощью простой системы диагностики двигателя.
Данные можно собирать с помощью ручных коллекторов или с помощью возможности “удаленного управления” через компьютер или ноутбук (системой можно управлять дистанционно с экрана компьютера).

Заключение

Цель данного технического документа ALL-TEST Pro – рассказать о возможностях MCSA системы диагностики двигателей ALL-TEST PRO MD.
Продемонстрированные возможности выходят далеко за рамки простого анализа асинхронных двигателей и включают в себя:

• Двигатели переменного тока и генераторы переменного тока
• Двигатели постоянного тока и генераторы
• Однофазные и трехфазные системы
• Вихретоковые приводы
• Частотно-регулируемые приводы
• Качество поступающей электроэнергии
• Приводимая нагрузка
• Гораздо больше

Возможности выходят далеко за рамки тех, что приведены в этой статье.
Будут представлены дополнительные статьи, определяющие возможности использования качества электроэнергии, MCA, MCSA и обнаружения неисправностей, связанных с нагрузкой.