Как протестировать синхронный двигатель с помощью современных технологий

Для того чтобы лучше понять применение тестирования и анализа цепей электродвигателей на синхронных электродвигателях (синхронных машинах), важно иметь краткое представление о работе синхронного двигателя, наиболее распространенных неисправностях, общих методах тестирования, о том, как работает ALL-TEST IV PRO™ (Теперь AT5™) работает с большими синхронными двигателями, основные шаги для анализа синхронных статоров и роторов, а также ожидаемые результаты тестирования (см.Редактор – ALL-TEST PRO 5™ является рекомендуемой заменой для ATIV™).
In this paper, we will discuss these various aspects, referencing other materials for additional details.

О синхронных машинах

 

У больших синхронных двигателей есть две основные функции:

 

• Первое – это улучшение коэффициента электрической мощности на предприятии.
  На любом предприятии с большой индуктивной нагрузкой, такой как двигатели и трансформаторы, ток начинает отставать от напряжения (плохой коэффициент мощности).
  Когда это становится достаточно серьезным, установка требует значительно большего тока для выполнения того же объема работы.
  Это может привести к просадке напряжения и перегреву электрических компонентов.
  Синхронный двигатель может использоваться таким образом, чтобы практически не влиять на коэффициент мощности, или может использоваться для того, чтобы заставить ток опережать напряжение для устранения проблем с коэффициентом мощности.
• Второй метод работы – это поглощение пульсирующей нагрузки, например, поршневых компрессоров.
  Когда синхронный двигатель достигает синхронной скорости, его катушки “замыкаются” в такт с вращающимися магнитными полями статора электродвигателя.
  Если возникает импульс крутящего момента (например, в верхней точке хода поршневого компрессора), двигатель может выйти из синхронизации с вращающимися полями.
  Когда это происходит, специальная обмотка на роторе, называемая обмоткой амортизатора (см. синхронная конструкция ниже), поглощает энергию импульса крутящего момента, поддерживая ротор в синхронизации.

 

Базовая конструкция синхронного двигателя проста.
В нем есть три набора обмоток, статор, ротор, подшипники и либо генератор (бесщеточный), либо “статический возбудитель” (щеточный).

Обмотки состоят из:

• Стандартная трехфазная обмотка, очень похожая на стандартный асинхронный электродвигатель
• Набор катушек возбуждения, которые представляют собой катушки постоянного тока из круглого провода для маленьких машин и прямоугольного или ленточного провода для больших машин
• Обмотка амортизатора, которая похожа на короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

 

Методы запуска для щеточных и бесщеточных синхронных двигателей схожи.
Пусковая цепь для обоих двигателей будет разной.
Далее следует описание основных режимов работы, а затем краткое описание различий:

 

На этапе запуска синхронный двигатель ведет себя точно так же, как и стандартный асинхронный двигатель.
В статор поступает электрический ток, и развивается вращающееся магнитное поле (скорость = (120 * приложенная частота) / количество полюсов).
Это поле генерирует ток в обмотке амортизатора, который используется для развития пускового момента путем создания собственного магнитного поля, взаимодействующего с магнитным полем статора в воздушном зазоре и заставляющего ротор следовать за магнитным полем статора.
Когда ротор начинает догонять поля статора, в катушки поля ротора подается постоянный ток, создавая северную и южную магнитные пары (катушки ротора всегда располагаются парами).
Они фиксируют магнитные поля статора и движутся с той же скоростью, что и поля статора, в то время как стандартный асинхронный двигатель всегда отстает.

 

В щеточной машине источник постоянного тока для полей ротора обычно поступает от “статического” (электронного) стартера, который преобразует подаваемый переменный ток в постоянный.
В большинстве случаев выходной постоянный ток изменяется в течение пускового цикла.
Привод также может быть настроен на замыкание катушек возбуждения машины, чтобы избежать насыщения ротора и возникающих при этом чрезвычайно высоких токов на статоре.
Как только ротор начинает вращаться, подается постоянный ток, чтобы помочь двигателю развить крутящий момент.
Напряжение постоянного тока подается через пару контактных колец и щеток.

 

В бесщеточной машине генератор постоянного тока устанавливается непосредственно на вал синхронного двигателя.
Когда синхронный двигатель запускается, генератор подает очень мало постоянного тока через свой коммутатор.
По мере увеличения скорости напряжение постоянного тока также возрастает, помогая двигателю создать крутящий момент и затем зафиксироваться на синхронной скорости.
В машинах этого типа генератор подключается непосредственно к полям ротора.

 

Существуют также машины, у которых на валу ротора установлен генератор, питающий отдельный регулятор.
Он используется для того, чтобы сначала закоротить обмотки, а затем контролировать количество постоянного тока, подаваемого на ротор, как и в щеточной машине.

 

Наиболее распространенные неисправности синхронных двигателей

Большие синхронные двигатели, как правило, хорошо сделаны и прочны.
В них часто используется слишком много материала, чтобы выдержать серьезные нагрузки.
Наиболее распространенными неисправностями промышленных синхронных машин, в порядке убывания, являются:

 

• Подшипники в результате общего износа и загрязнения
• Роторные поля – из-за высоких температур они часто сгорают изнутри.
• Обмотки амортизатора – в основном в возвратно-поступательных нагрузках.
  Из-за большого количества поглощенной энергии стержни обмотки часто трескаются.
  В частности, если поля ротора начинают разрушаться и становятся короткими, что облегчает выпадение ротора из “синхронизации”.
• Обмотки статора – общий износ и загрязнение.
  Обмотки статора в синхронных машинах обычно имеют “форменную намотку” и сильную изоляцию.

 

Почти все неисправности обмоток, возникающие в синхронном двигателе, начинаются между проводниками в катушках ротора или статора.

 

Общие методы тестирования, сильные и слабые стороны

Ниже приведены традиционные методы тестирования для оценки состояния синхронного двигателя:

 

• Испытание сопротивления изоляции: Используя приложенное постоянное напряжение, как указано в стандарте IEEE 43-2000, потенциал помещается между обмотками статора и землей.
  При этом измеряются только прямые повреждения между обмотками статора и каркасом статора.
  Также выполняется через контактные кольца машины щеточного типа.
• Индекс поляризации: Это отношение 10-минутного сопротивления изоляции к 1-минутному.
  Традиционно этот показатель используется в качестве метода оценки состояния изоляции между обмотками статора и каркасом.
  Как и в случае с испытанием сопротивления изоляции, этот метод также может быть выполнен через контактные кольца на машине щеточного типа.
  Как указано в стандарте IEEE 43-2000, этот метод испытания действительно применим только для систем изоляции, выпущенных до 1970 года.
• Испытание высоким потенциалом: Наиболее распространенным для больших машин является тестирование высокого потенциала постоянного тока, которое проводится при значении, вдвое превышающем номинальное напряжение двигателя плюс 1000 вольт, умноженное на квадратный корень из 3.
  На существующей системе изоляции это значение часто снижается до 75% от потенциального напряжения.
  Это испытание сильно нагружает систему изоляции и потенциально может повредить ее (согласно стандартам IEEE Std’s 388 и 389).
  Этот тип испытания НИКОГДА не должен применяться к обмоткам ротора синхронного двигателя.
• Сравнительное тестирование импульсов: Оценивает состояние статора от оборота к обороту, сравнивая формы сигналов двух обмоток при быстром нарастании импульса с удвоенным напряжением плюс 1000 вольт.
  Если есть проблемы, которые можно исправить, например, загрязненные обмотки, этот тест может повредить обмотки двигателя.
• Испытание частичным разрядом: Это неразрушающий метод тестирования, который измеряет радиочастоты от разрядов в пустотах внутри изоляции обмоток двигателя.
  Этот метод эффективен для отслеживания состояния машин, находящихся под напряжением более 6,6 кВ, и обеспечивает лишь кратковременное предупреждение при напряжении от 4 кВ.
  Он не обнаруживает никаких неисправностей ротора.

• Анализ сигнатуры тока двигателя: Был разработан для тестирования ротора асинхронных двигателей.
• Тест на падение напряжения: Для этого необходимо разобрать двигатель.
  На обмотки ротора подается переменное напряжение 115 В, а падение напряжения измеряется вольтметром на каждой катушке.
  Если есть короткое замыкание, падение напряжения будет отличаться более чем на 3%.

 

В приведенный выше список не входит оборудование для механических испытаний синхронных двигателей.

 

О приборе ALL-TEST Pro

ALL-TEST IV PRO™ (Редактор – ALL-TEST PRO 5™ является рекомендуемой заменой ATIV™) Это простой электронный прибор, который работает практически так же, как мультиметр, за исключением того, что он выдает серию показаний, которые охватывают параметры переменного тока в цепи двигателя.
Это сборщик данных и тестер, который посылает низковольтный сигнал постоянного тока для простого тестирования сопротивления, так же, как и миллиомметр, и низковольтный высокочастотный сигнал переменного тока для получения показаний переменного тока.
Затем прибор измеряет и вычисляет результаты тестирования в инженерных единицах сопротивления, импеданса, индуктивности, фазового угла, тока/частотной характеристики и теста сопротивления изоляции на землю.

 

Основные отличия электронного тестирования силового оборудования от традиционных силовых методов заключаются в следующем:

 

• Более полное представление о схеме двигателя, включая влияние изменений в состоянии изоляции катушки ротора.
• Один прибор для большого диапазона размеров оборудования.
  Тест ограничен только простым диапазоном сопротивления прибора (от 0,010 Ом до 999 Ом).
• Неразрушающий – не прикладывается вредное напряжение.
• Более простая интерпретация данных – Несколько простых правил для интерпретации данных (см. интерпретацию данных ниже).
• Ручной прибор по сравнению с оборудованием, которое может весить от 40 до более 100 фунтов.
• Внутренний источник питания для прибора.

 

По мере старения изоляционной системы или при загрязнении изоляционной системы и нарушении целостности изоляции электрическая цепь двигателя изменяется.
Поскольку ротор является неотъемлемой частью цепи, изменения в электрической целостности цепи ротора и системы изоляции напрямую отражаются и на обмотках статора.
Это позволяет как немедленно устранять неисправности, так и отслеживать состояние двигателя в долгосрочной перспективе.

 

Уникальная тестовая информация позволяет приборам ALL-TEST Pro просматривать достаточные параметры изоляционной системы для обнаружения и изоляции:

 

• Закороченные обмотки статора
• Закороченные поля ротора
• Сломанные заводные планки амортизатора
• Эксцентриситет воздушного зазора
• Загрязнение обмоток (ротора и статора)
• Неисправности изоляции заземления

 

Основные шаги для анализа синхронных машин с помощью приборов ALL-TEST Pro

Шаги по тестированию синхронных машин аналогичны шагам по оценке состояния стандартных асинхронных двигателей.
Однако, поскольку на роторе двигателя имеются катушки возбуждения, при устранении неисправности необходимо выполнить несколько дополнительных действий.

При тестировании синхронной машины от центра управления двигателем или стартера:

• Обесточьте оборудование.
  Убедитесь, что вторичные источники питания также обесточены.
• Выполните стандартные тесты ALL-TEST IV PRO™ (теперь AT5™) на статоре, следуя подсказкам меню на приборе.
• Оцените результаты тестирования (см. раздел “Ожидаемые результаты тестирования”).
• Если обнаружена неисправность, приступайте к ее устранению:
• Отрегулируйте положение ротора, насколько это возможно, до 45 градусов (любое движение подойдет, если ротор трудно повернуть, но не менее чем на 5 градусов)
• Повторно проведите тесты и просмотрите показания.
  Если ошибка сместилась или изменилась более чем на одну цифру, то, скорее всего, неисправность находится в роторе.
• Если неисправность остается неподвижной (не меняется при изменении положения ротора), то отсоедините провода на клеммной коробке двигателя и проведите повторный тест.
  Если неисправность сохраняется, то, скорее всего, дело в статоре, если нет, то, скорее всего, в кабеле.

 

Среднее время тестирования, за исключением устранения неполадок, составляет примерно 3-5 минут.

При тестировании разобранной синхронной машины важно помнить, что без ротора показания будут сильно отличаться:

 

• Выполните автоматический тест ALL-TEST IV PRO™ (AT5 Z/ режим тестирования) на статоре и оцените результаты теста.
  Это позволит сразу же выявить любые неисправности.
• Для испытания ротора:

• Выполните автотест и сравните с прошлым показанием; или,

• Выполните тест Auto и сравните с “идентичным” ротором; или,
• Проведите тест Auto через каждую катушку возбуждения вместо теста на падение напряжения.
• Все параметры для всех трех должны соответствовать установленным пределам.

 

Благодаря стилю тестирования, эти результаты можно проследить и сравнить между аналогичными машинами.

Другие области применения тестирования цепей электродвигателей включают оценку и приемку, а также прогнозируемое техническое обслуживание.

Ожидаемые результаты тестирования

Как уже упоминалось в последнем разделе этой статьи, результаты испытаний аналогичны тем, что были получены в трехфазных индукционных машинах.
Схемы неисправностей очень просты и применимы независимо от размера оборудования, в пределах тестового диапазона прибора ALL-TEST Pro.
Ниже приводится краткий обзор тестовых измерений и их результатов для базового поиска неисправностей:

• Простые измерения сопротивления: Они являются индикатором соединений с высоким сопротивлением, ослабленных соединений или оборванных проводников в цепи.
  Этот тест очень важен, особенно если проблема с сопротивлением находится в одном месте, поскольку, исходя из I 2R, резистивная точка будет выделять большое количество тепловой энергии (в Ваттах).
  Например, сопротивление 0,5 Ом, расположенное в точке цепи, на которую подается ток 100 Ампер, выделит: (100Ампер 2)(0,5 Ом) = 5 000 Ватт (5 кВт) энергии.
  Это примерно столько же энергии, сколько используется для вращения электродвигателя мощностью 6 лошадиных сил.
• Измерение индуктивности: Это показатель магнитной силы катушки и влияния других катушек на одну катушку.
  На него влияют количество витков в цепи, размеры катушек и индуктивность других катушек.
  Само по себе это измерение является лишь хорошим индикатором состояния обмотки амортизатора и эксцентриситета ротора.
  Индуктивность покажет замыкание обмотки только в том случае, если оно сильное.
• Измерение импеданса: Это измерение комплексного сопротивления в цепи.
  Его, как и индуктивность, можно использовать для проверки состояния обмотки амортизатора и ротора.
  Однако, если использовать его вместе с индуктивностью, то можно быстро обнаружить перегрев обмоток и загрязнение обмоток.
  Просматривая соотношение индуктивности и импеданса между каждой фазой: Если индуктивность и импеданс относительно параллельны, то любой дисбаланс индуктивности и импеданса находится в отношениях между ротором и статором (положение ротора); Если они не параллельны, то это указывает на проблемы с изоляцией, такие как пробой изоляции или загрязнение обмотки.
• Угол сдвига фаз и I/F (ток/частота): Оба эти показателя свидетельствуют о нарушении изоляции между витками статора или ротора.
• Сопротивление изоляции: Оценивает состояние изоляции по отношению к земле и сигнализирует только в том случае, если изоляция нарушена.

 

Рекомендации по предельным значениям испытаний, изложенные в “Руководстве по электронному анализу статических цепей обмоток вращающихся машин и трансформаторов”, следующие:

Таблица 1: Пределы испытаний (значения от пика до пика)

Измерение	Пределы
Сопротивление	5%
Импеданс	~ 5%*
Индуктивность	~5%*
Фазовый угол	+/- 1
I/F	+/- 2
Сопротивление изоляции	> 100 М-Ом

*Может превышать это значение, если измерения проводятся параллельно.

 

Ниже приведен обзор правил устранения неполадок:

• Закороченные обмотки:

• Закороченные обмотки можно оценить, просмотрев показания фазового угла и I/F прибора на одинаковых катушках или между фазами:
• Фазовый угол (Fi) – Фазовый угол должен находиться в пределах 1 цифры от среднего показания.
  Например, показания 77/75/76 будут хорошими, поскольку среднее значение равно 76.
  Показания 74/77/77 будут плохими.
• Текущая частотная характеристика (I/F) – Текущая частотная характеристика должна находиться в пределах 2 цифр от среднего значения.
  Например, показания -44/-45/-46 будут хорошими.
  Показания -40/-44/-44 будут плохими.
  Однако такие показания, как -42/-44/-44, следует считать подозрительными.

• Загрязнение обмотки и положение ротора

• Положение ротора внутри электродвигателя может вызвать естественный дисбаланс фаз.
  Загрязнение обмотки также может вызвать дисбаланс фаз.
  Оценка DF может показать, является ли дисбаланс фаз следствием ротора или загрязнения.

• Положение ротора – Дисбаланс положения ротора можно оценить, посмотрев, достаточно ли сбалансированы значения индуктивности и импеданса.
  Например, если индуктивности равны 17/18/19, а импедансы – 24/26/29, то дисбаланс вызван положением ротора.
  Также это может быть так, если индуктивности равны 5/5/5, а импедансы – 8/9/8.
• Загрязнение обмотки – Это также может быть обнаружено в перегретых (сгоревших) обмотках.
  Эти состояния являются результатом изменений в изоляции из-за разрушения системы изоляции.

 

Заключение

Благодаря набору простых правил и инструкций, ALL-TEST IV PRO™ (теперь AT5™) представляет собой превосходный инструмент для поиска неисправностей и отслеживания состояния синхронных машин.
Тест выполняется с помощью простых, неразрушающих измерений, которые позволяют получить более полное представление о цепи статора и ротора двигателя, чем любой другой тест.
Оценка теста проста и непосредственна, независимо от размера или типа оборудования.

 

Библиография

• Руководство по электронному анализу статических цепей обмоток вращающихся машин и трансформаторовBJM Corp, ALL-TEST Division, 2001.
• Пенроуз, Говард В. Анализ цепей электродвигателей: Теория, применение и энергетический анализ, SUCCESS by DESIGN, 2001.