Diagnostik av motorer: Tillvägagångssättet med flera tekniker

Inledning

Det har länge funnits en missuppfattning om att det finns en “magisk lösning” i form av ett instrument för tillståndsbaserad övervakning (CBM) som ger all den information du behöver för att utvärdera hälsan hos ditt elmotorsystem. Denna missuppfattning orsakas ofta av de kommersiella presentationerna från tillverkarna eller säljkårerna för dessa CBM-instrument. Det är själva säljarens uppgift att fokusera på styrkeområdet för just deras instrument och presentera det som “den enda lösning du någonsin kommer att behöva för att lösa alla dina problem”.

I själva verket finns det inget instrument som kan ge dig all information du behöver. Ingen “Holy Grail” av CBM och tillförlitlighet. Men genom att förstå elmotorsystemet och CBM-teknikens möjligheter kan du få en fullständig bild av ditt system, dess hälsa och ha förtroende för att uppskatta tiden till fel för att kunna ge en bra rekommendation till ledningen.

Syftet med detta dokument är enkelt: Beskriva komponenterna i ett elmotorsystem; diskutera felfunktionerna för varje huvudkomponent; diskutera hur var och en av de viktigaste teknikerna hanterar varje komponent; diskutera hur teknikerna kan integreras för en fullständig bild av systemet; och, diskutera effekterna på slutresultatet av den multitekniska strategin. De typer av CBM-utrustning som ska granskas är standardiserad standardteknik som används för periodiska tester.

Det elektriska motorsystemet

Elmotorsystemet omfattar mycket mer än bara elmotorn. I själva verket består den av sex olika sektioner, som alla har olika felkällor. Sektionerna är följande (figur 1):

• Anläggningens kraftdistributionssystem som inkluderar ledningar och transformatorer.
• Startsystem.
• Elmotor – En trefas induktionsmotor för det här uppsatsens syfte.
• Den mekaniska kopplingen, som kan vara direkt, växellåda, remmar eller någon annan kopplingsmetod. I detta dokument kommer vi att fokusera på direktkoppling och remmar.
• Med last avses den drivna utrustningen, t.ex. en fläkt, pump, kompressor eller annan driven utrustning.
• Processen, såsom pumpning av avloppsvatten, blandning, luftning etc.

De flesta ser enskilda komponenter i systemet vid felsökning, trendanalys, driftsättning eller någon annan tillförlitlighetsbaserad funktion som är relaterad till systemet. Vilka komponenter är i fokus beror på flera faktorer, bland annat

• Vilken erfarenhet och bakgrund har den personal och de chefer som berörs? Till exempel kommer du oftast att se ett starkt vibrationsprogram när underhållspersonalen främst är mekanisk, eller ett infrarött program när personalen främst är elektrisk.
• Upplevda områden där man misslyckats. Detta kan vara ett allvarligt problem beroende på hur det motoriska systemet uppfattas och kommer att förtjäna mer uppmärksamhet framöver.
• Förståelse för de olika CBM-teknikerna.
• Utbildning. Men sedan när är utbildning aldrig ett problem?

De områden som uppfattas som misslyckade utgör ett särskilt allvarligt problem när man tittar på historiken för ditt motorsystem. Ofta, när protokoll tas fram, kan den enda sammanfattningen innehålla något i stil med “fläktfel, reparerat” eller “pumpfel, reparerat”. Slutresultatet blir att det upplevda felet har att göra med pump- eller fläktkomponenten i motorsystemet. Detta blir särskilt problematiskt när man förlitar sig på att minnet ska ge svaren på de allvarligaste problemen som måste lösas i en anläggning, baserat på historien. Om man till exempel vill fastställa vilken del av en anläggning som har orsakat flest problem kan svaret vara “Spillvattenpump 1”. Den omedelbara uppfattningen är att pumpen har ett konstant problem, och eftersom en pump är ett mekaniskt system kan en mekanisk övervakningslösning väljas för att följa upp pumpens hälsotillstånd. Om en grundorsak hade registrerats för varje fel hade det kunnat fastställas att det var motorlindningen, lagren, kabeln, kontrollerna, processen eller en kombination av problem.

Vid ett möte nyligen, där man diskuterade valet av CBM-utrustning, frågade man deltagarna om felsituationer från deras anläggningar. Svaren var fläktar, kompressorer och pumpar. När fläktarna diskuterades ytterligare visade det sig att fel på lager och motorlindningar var vanligast, pumptätningar och motorlager för pumpar, samt tätningar och motorlindningar för kompressorer. Vid en närmare granskning hade lindningsfelen att göra med kontroll- och kabelproblem, felaktiga reparationer och elkvalitet. Lagerproblemen hade att göra med felaktig smörjning.

När du ska bestämma det bästa sättet att implementera CBM i ditt elmotorsystem måste du alltså se till systemet, inte till varje enskild komponent. Resultatet är enkelt: Ökad tillförlitlighet, mindre huvudvärk och ett förbättrat resultat.

Tillståndsbaserad övervakning Testinstrument

Nedan följer några av de vanligaste CBM-teknikerna som används, mer information om teknikerna finns i “Motorkretsanalys”1 Detaljer om det testade systemets komponenter och kapacitet finns i tabellerna 1-4 i slutet av detta dokument:

Testning med reducerad energi:

1 Analys av motorkretsar: Teori, tillämpning och EnergianalysHoward W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• DC High Potential Testing – Genom att applicera en spänning på två gånger motorns märkspänning plus 1 000 volt för AC och ytterligare 1,7 gånger det värdet för DC High Potential (vanligtvis med en multiplikator för att minska belastningen på isoleringssystemet), utvärderas isoleringssystemet mellan motorlindningarna och jord (jordväggsisolering). Testet anses allmänt vara potentiellt destruktivt.
• Provning med jämförelse av överspänning: Med hjälp av spänningspulser med värden som beräknas på samma sätt som vid högpotentialprovning jämförs impedansen för varje fas i en motor grafiskt. Syftet med testet är att upptäcka kortslutna varv inom de första varven i varje fas. Testet utförs normalt i tillverknings- och omlindningsapplikationer eftersom det utförs bäst utan en rotor i statorn. Detta test anses allmänt vara potentiellt destruktivt och används främst som ett go/no-go-test utan någon egentlig möjlighet till trend.
• Isolationsprovare: Detta test placerar en likspänning mellan lindningarna och jord. Läckage vid låg strömstyrka mäts och omvandlas till ett mått i meg, gig eller tera-Ohms.
• Testning av polarisationsindex: Med hjälp av en isolationsprovare visas värdena från 10 minuter till 1 minut och en kvot tas fram. Enligt IEEE 43-2000 behöver isolationsvärden över 5 000 MegOhms inte utvärderas med PI. Testet används för att upptäcka allvarlig lindningskontaminering eller överhettade isoleringssystem.
• Ohm-, Milli-Ohm-testning: Med hjälp av en Ohm- eller Milli-Ohm-mätare mäts och jämförs värden mellan lindningarna i en elmotor. Dessa mätningar görs normalt för att upptäcka lösa anslutningar, trasiga anslutningar och lindningsfel i ett mycket sent skede.
• Testning med motorkretsanalys (MCA): Instrument som använder värden för motstånd, impedans, induktans, fasvinkel, ström: frekvenssvar och isolationsprovning kan användas för felsökning, driftsättning och utvärdering av styrning, anslutning, kabel, stator, rotor, luftgap och isolering till jord. Med hjälp av en lågspänningsutgång läses avläsningarna genom en serie bryggor och utvärderas. Icke-destruktiva och trendmässiga mätningar som ofta föregår ett elektriskt fel flera månader i förväg.

2 Potentiellt förstörande: Alla instrument som potentiellt kan ändra utrustningens driftförhållanden genom felaktig applicering eller genom att avsluta försvagade isoleringsförhållanden ska anses vara potentiellt destruktiva.

Testning med energi:

Analys av vibrationer: Mekaniska vibrationer mäts med en givare som ger övergripande vibrationsvärden och FFT-analys. Dessa värden ger indikatorer på mekaniska fel och graden av fel, kan trendmätas och ger information om vissa elektriska problem och rotorproblem som varierar beroende på motorns belastning. Krav på minimilast för elmotorer för att upptäcka fel i rotorn. Kräver praktiska kunskaper om det system som testas.

Infraröd analys ger information om temperaturskillnaden mellan olika objekt. Fel upptäcks och trendas baserat på graden av fel. Utmärkt på att upptäcka lösa anslutningar och andra elektriska fel med viss förmåga att upptäcka mekaniska fel. Läsningen kommer att variera med belastningen. Kräver praktiska kunskaper om det system som testas.

Ultraljudsinstrument mäter låg- och högfrekventa ljud. Kommer att upptäcka en mängd olika elektriska och mekaniska problem mot de sena stadierna av fel. Läsningen kommer att variera med belastningen. Kräver praktiska kunskaper om det system som testas.

Spännings- och strömmätningar ger begränsad information om motorsystemets tillstånd. Läsningen kommer att variera med belastningen.

MCSA (Motor Current Signature Analysis) använder elmotorn som givare för att upptäcka elektriska och mekaniska fel i en betydande del av motorsystemet. MCSA används vanligtvis som ett go/no go-test och har vissa trendfunktioner, men upptäcker normalt bara lindningsfel och mekaniska problem i ett sent skede. Känslig för belastningsvariationer och mätvärdena varierar beroende på belastningen. Kräver information om typskylt och många system kräver antal rotorstänger, statorspår och manuell inmatning av driftvarvtal.

Huvudkomponenter och felmekanismer

Några av de viktigaste problemen från de olika komponenterna i motorsystemet ska granskas för att ge en förståelse för de typer av fel som hittats och de tekniker som används för att upptäcka dem. Som en översikt kanske detta inte omfattar alla de feltillstånd som du kan uppleva.

Inkommande effekt

Med utgångspunkt från den inkommande strömmen till lasten är det första området som måste åtgärdas inkommande kraft- och distributionssystem. Det första problemområdet är elkvalitet och därefter transformatorer.

Problem med elkvaliteten i samband med elmotorsystem omfattar bl.a:

• Övertoner i spänning och ström: Med spänning begränsad till 5% THD (Total Harmonic Distortion) och ström begränsad till 3% THD. Strömövertoner har störst potential att skada elmotorsystemet.
• Förhållanden med över- och underspänning: Elmotorer är konstruerade för att arbeta med högst +/- 10% av märkspänningen.
• Obalans i spänningen: Är skillnaden mellan faserna. Förhållandet mellan spännings- och strömobalans varierar från några gånger till många gånger strömobalansen i förhållande till spänningsobalansen baserat på motorns konstruktion (kan vara så hög som 20 gånger).
• Effektfaktor: Ju lägre effektfaktorn är från enhet, desto mer ström måste systemet använda för att utföra arbetet. Tecken på dålig effektfaktor kan också vara att lamporna släcks ned när tung utrustning startas.
• Överbelastat system: Baserat på transformatorns, kablarnas och motorns kapacitet. Detekteras med aktuella mätningar, normalt, samt värme.

De främsta verktygen för att upptäcka problem med inkommande ström är elkvalitetsmätare, MCSA samt spännings- och strömmätare. Om du känner till hur din elkvalitet är kan du identifiera många “fantomproblem”.

Transformatorer är en av de första kritiska komponenterna i motorsystemet. Generellt sett har transformatorer färre problem än andra komponenter i systemet. Varje transformator tar dock vanligtvis hand om flera system både i elmotorn och andra system.

Vanliga transformatorproblem inkluderar (oljefyllda eller torra transformatorer):

• Fel mellan isolering och jord.
• Kortslutna lindningar.
• Lösa anslutningar, och,
• Elektriska vibrationer/mekanisk löshet

Testutrustning som används för att övervaka transformatorers hälsa (inom ramen för urvalet av instrument i detta dokument) inkluderar:

• MCA för jord, lösa/brutna anslutningar och kortslutningar
• MCSA för elkvalitet och fel i sent skede
• Infraröd analys för att upptäcka lösa anslutningar
• Ultraljud för löshet och allvarliga fel
• Isolationsprovare för fel mellan isolering och jord.

MCC, styrenheter och frånskiljare

Motorstyrningen eller frånskiljaren hanterar några av de viktigaste problemen med elmotorsystem. De vanligaste för både låg- och mellanspänningssystem är

• Lösa anslutningar
• Dåliga kontakter, t.ex. gropiga, skadade, brända eller slitna
• Dåliga startspolar på kontaktorn
• Dåliga kondensatorer för korrigering av effektfaktorn, vilket normalt leder till en betydande obalans i strömmen.

Testmetoderna för att utvärdera kontrollerna inkluderar infraröd, ultraljud, volt/amp-mätare, ohm-mätare och visuella inspektioner. MCA, MCSA och infraröd ger de mest exakta systemen för feldetektering och trendanalys.

Kablar – Före och efter kontrollerna

Problem med kabeldragning är något som sällan uppmärksammas och som därför orsakar mycket huvudbry. Vanliga kabelproblem är t.ex:

• Termisk nedbrytning på grund av överbelastning eller ålder
• Kontaminering som kan vara ännu allvarligare i kablar som passerar under jord genom rör
• Fasbyten kan förekomma liksom jordningar. Dessa kan orsakas av “trädbildning” eller fysiska skador.
• Öppningar på grund av fysisk skada eller andra orsaker.
• Fysiska skador är ofta ett problem i kombination med andra kabelproblem.

Test och trender utförs med MCA, infraröd, isoleringstestning och MCSA.

Sammanfattning av motorförsörjningssidan

På försörjningssidan till motorn kan problemen delas upp enligt följande:

• Dålig effektfaktor – 39
• Dåliga anslutningar – 36%.
• Underdimensionerade ledare – 10%.
• Obalans i spänning – 7%
• Förhållanden med under- eller överspänning – 8%.

De vanligaste utrustningarna som täcker dessa områden är MCA, infraröd och MCSA.

Elektriska motorer

Elmotorer består av mekaniska och elektriska komponenter. I själva verket är en elmotor en omvandlare av elektrisk energi till mekaniskt vridmoment.

Primära mekaniska problem:

• Lager – allmänt slitage, felaktig användning, belastning eller kontaminering.
• Dåliga eller slitna axel- eller lagerhus
• Allmän mekanisk obalans och resonans

Vibrationsanalys är den primära metoden för att upptäcka mekaniska problem i elmotorer. MCSA kan upptäcka mekaniska problem i ett sent skede, liksom infraröd- och ultraljudsteknik.

Primära elektriska problem:

• kortslutning mellan ledare eller spolar
• Kontaminering av lindning
• Fel mellan isolering och jord
• Fel i luftgap, inklusive excentriska rotorer
• Fel på rotorn, t.ex. hål i gjutningen och brutna rotorbalkar.

MCA kommer att upptäcka alla fel tidigt i utvecklingen. MCSA upptäcker fel på stator i sent skede och fel på rotor i tidigt skede. Vibrationer upptäcker fel i sent skede, isolering till jord upptäcker endast jordfel som utgör mindre än 1% av felen i motorsystemet, överspänningstest upptäcker endast grunda kortslutningar i lindningen och alla andra tester upptäcker endast fel i sent skede.

Koppling (direkt och med bälte)

Kopplingen mellan motor och last ger möjligheter till problem på grund av slitage och applikation.

• Felinställning av rem eller direktdrivning
• Slitage på rem eller insats
• Problem med remspänningen är vanligare än de flesta tror och leder vanligtvis till lagerfel
• Slitage på skivan

Det mest exakta systemet för att upptäcka fel i kopplingen är vibrationsanalys. MCSA och infraröd analys upptäcker normalt allvarliga fel eller fel i sent skede.

Belastning (fläktar, pumpar, kompressorer, växellådor etc.)

Lasten kan ha flera olika typer av fel beroende på vilken typ av last det är. De vanligaste är slitna delar, trasiga komponenter och lager.

Testinstrument som kan upptäcka belastningsproblem inkluderar MCSA, vibration, infraröd analys och ultraljud.

Gemensamma tillvägagångssätt för multiteknik

Det finns flera vanliga metoder inom industrin och flera nya (se tabell 3). De bästa använder en kombination av test med och utan energi. Det är viktigt att notera att provning med spänning oftast är bäst under konstanta belastningsförhållanden och med samma driftförhållanden varje gång.

En av de vanligaste metoderna har varit att använda isolationsresistans och/eller polarisationsindex. Dessa identifierar endast fel på isolering mot jord i både motor och kabel, vilket utgör mindre än 1% av de totala felen i motorsystemet (~5% av motorfelen).

Infraröd och vibration används normalt i kombination med varandra med stor framgång. De missar dock några vanliga problem eller upptäcker dem först i ett sent skede av felet.

Överspänningsprovning och högpotentialprovning upptäcker endast vissa lindningsfel och fel mellan isolering och jord, med risk för att motorn tas ur drift om det finns föroreningar eller svagheter i isoleringen.

MCA och MCSA stöder varandra och upptäcker i stort sett alla problem i motorsystemet. Denna noggrannhet kräver MCA-system som använder resistans, impedans, fasvinkel, I/F och isolering till jord samt MCSA-system som inkluderar spännings- och strömdemodulering.

Den nyaste och mest effektiva metoden har varit vibration, infraröd och MCA och/eller MCSA. Styrkan med detta tillvägagångssätt är att det finns en kombination av elektriska och mekaniska discipliner som är involverade i utvärdering och felsökning. I enlighet med undersökningen om motorfordonsdiagnostik och motorfordonshälsa, 3 38 % av provningarna av motorsystem som endast omfattar vibrationer och/eller infraröd strålning ger en betydande avkastning på 3 Motordiagnostik och investeringar. Denna siffra steg till 100% i system som använde en kombination av MCA/MCSA tillsammans med vibration och/eller infraröd.

I ett fall gav en kombinerad tillämpning av infraröd strålning och vibration en avkastning på 30 000 USD. När företaget lade till MCA i sin verktygslåda ökade avkastningen till 307 000 USD, tio gånger den ursprungliga avkastningen genom att använda en kombination av instrument.

Möjligheter att ansöka

Det finns tre vanliga tillfällen för provning av elmotorsystem. Bland dessa kan nämnas

• Driftsättning av komponenter eller det kompletta systemet när det är nyinstallerat eller reparerat. Detta kan ge en mycket omedelbar återbetalning för de inblandade teknikerna och kommer att hjälpa er att undvika katastrofer med spädbarnsdödlighet.
• Genom att felsöka systemet med hjälp av flera olika tekniker kan du identifiera problem mycket snabbare och med större säkerhet.
• Trending av testresultat för systemtillförlitlighet, återigen med hjälp av korrekt tillämpning av flera tekniker. Med hjälp av tester som MCA, vibration och infraröd kan potentiella fel följas på lång sikt och många fel kan upptäckas månader i förväg.

Slutsats

Detta dokument gav en kort översikt över hur flera olika tekniker samverkar för att ge en bra bild av elmotorsystemet. Genom att förstå och tillämpa detta tillvägagångssätt kommer du att få fantastisk avkastning på ditt underhållsprogram.

Om författaren

Howard W. Penrose, Ph.D. tog sin doktorsexamen i General Engineering med fokus på processförbättringar i industriella system, analys av avfallsströmmar och energi samt utrustningens tillförlitlighet. Han har 15 års erfarenhet från elmotor- och servicebranschen och har lett PdM- och rotorsaksanalysinitiativ på en mängd olika kommersiella och industriella platser.

Tabell 1: Jämförelse av teknik för diagnos av motorsystem

Tabell 2: Ledningens överväganden

Tabell 3: Gemensamma tillvägagångssätt

Tabell 4: Ytterligare överväganden