Förbättringar av tekniken för frekvensomriktare (VFD) har resulterat i lägre kostnader, förbättrad tillförlitlighet och, ännu viktigare, ökad användning. De flesta moderna VFD-system har intern diagnostik som ger automatisk avstängning vid fel. Orsaken till dessa fel kan dock ibland vara svår att lokalisera och åtgärda. Testning av strömlösa (MCA) och strömförande motorer kan dock ge värdefulla insikter för att snabbt och enkelt identifiera många av dessa problem. I detta korta dokument beskrivs hur man kan använda dessa två enkla motorprovningstekniker vid felsökning av VFD-enheter.

Grundläggande användning

En VFD likriktar den inkommande 3-fasiga växelströmmen för att skapa en DC-buss. DC-bussen använder kondensatorer för att jämna ut den likriktade DC som matas in till inverterarsektionen. I växelriktarsektorn använder styrenheten mikroprocessorer för att styra halvledarbrytare som omvandlar likspänningen till en variabel 3-fas AC-spänning och frekvens som matas till motorn. Genom att kontrollera hur länge halvledarna (SCR eller IGBT) brinner, moduleras DC-pulsernas bredd för att producera en simulerad trefasig ingångsspänning med variabel spänning och frekvens. Ingångsspänningens frekvens bestämmer den hastighet med vilken magnetfältet roterar runt statorn. Den hastighet vid vilken magnetfältet ligger kallas synkronhastighet (SS).

SS= 120 F/P

Där: F= frekvens för matningsspänning

P = antal poler i motorn

På grund av växelriktarkretsens omkopplingsnatur kan VFD:er skapa PQ-problem genom att införa övertoner i anläggningens elsystem. VFD-enheter kan också vara känsliga för inkommande PQ-problem som i sin tur kan leda till att VFD-enheterna stängs av. Många VFD-enheter har intern elektronik som indikerar orsaken till avstängningen. Dessa gemensamma koder anger orsaken till felet till överspänning, överström, överbelastning, obalans i spänning eller ström, övertemperatur eller externa fel. Denna information är viktig, men den verkliga frågan är vad som orsakade felet. Är feltillståndet orsakat av VFD-enheten eller upplevt av VFD-enheten?

Om VFD-enheten upplever ett fel kan det bero på inkommande ström, anslutningsproblem, något av många motorproblem eller fel i den drivna maskinen eller själva processen. Om felet orsakas av VFD-enheten. Det kan bero på att elektroniska komponenter har gått sönder. Bland de vanligaste felen finns dioder i likriktarsektionen, kondensatorer i DC-bussen eller haveri eller fel på en halvledare i inverterarsektionen.

Testning av spänningslös motor: Motorkretsanalys™ (MCA™)

Motorkretsanalys™ (MCA™)
är en motortestteknik som injicerar en serie AC- och DC-signaler med låg spänning genom motorlindningarna för att noggrant utvärdera hela motorsystemet medan motorn är spänningslös. MCA-motortester kan utföras direkt på motorn eller på distans från VFD-enhetens utgång. Till skillnad från traditionella strömlösa motortester, som inte identifierar rotorproblem eller isoleringsskador på lindningen. MCA-tester ger tidiga indikationer på felutveckling, inte bara i jordväggens isoleringssystem, utan även i isoleringen kring de ledare som används för att skapa spolarna i statorn samt befintliga eller utvecklande fel i den elektriska delen av rotorerna. MCA kan identifiera fel i de tidigaste stadierna men kan också snabbt bekräfta att motorn är “bra”, vilket snabbt kan eliminera motorn som orsak till VFD-utlösningen. Genom att utföra 3-minuterstestet från VFD:ns utgång visar ett “bra” resultat inte bara att motorn är bra, utan även att alla tillhörande kablar och alla elektriska komponenter i den testade kretsen är i bra skick. Om resultatet däremot är dåligt behöver du bara utföra ytterligare ett 3-minuterstest direkt på motorn. Om motorn fungerar som den ska är felet i kablarna eller styrenheten. Om motorn indikerar ett utvecklingsfel finns det valfria MCA-tester tillgängliga för att avgöra om felet finns i rotorns eller statorns elektriska krets.

DC-test med låg spänning ger indikationer på anslutningsproblem i den krets som testas för att bekräfta att alla externa och interna anslutningar är tillräckligt “täta”. Serien av AC-tester belastar lindningens isolering och identifierar de mycket små förändringar som sker i den kemiska sammansättningen av lindningens isolering när isoleringen mellan ledarna börjar försämras.

Det valfria dynamiska testet kräver manuell rotation av den motoraxel som testas och utvecklar en statorsignatur som identifierar eventuella fel i isoleringen som omger ledarna i de spolar som utgör statorlindningssystemet. Rotorsignaturerna identifierar fel i rotorns elektriska system, t.ex. statisk eller dynamisk excentricitet, sprickor, brott eller gjuthål i rotorstängerna eller ändringarna.

Testning av strömförande motorer: Analys av elektrisk signatur (ESA)

ESA använder VFD-enhetens in- och utspänning samt ström för att snabbt analysera tillståndet och kvaliteten på den ström som matas till frekvensomriktaren samt spänningen och strömmen som matas ut från frekvensomriktaren till motorn. Var och en av dessa tester tar < 1 minut. Genom att utföra ESA-motortester på frekvensomriktarens ingång och utgång får man en fullständig profil för ingångs- och utgångseffekt. Varje test utför en samtidig datainsamling av alla tre faser av spänning och ström för att skapa PQ-tabeller för var och en av de tre faserna, fångar, visar och lagrar 50 ms av spännings- och strömvågformerna för alla 3 faserna. Dessutom digitaliseras spännings- och strömvågformerna under 50 sekunder och används för att utföra hög- och lågfrekvent FFT på både ingångs- och utgångsspänningen och strömmen.

Ingångseffekt

Ingångsspänningen till frekvensomriktaren ger värdefull information om tillståndet för den inkommande spänningen som matas till frekvensomriktaren, beräknar eventuell spännings- eller strömobalans eller harmoniskt innehåll i den inkommande spänningen eller strömmen. Ingångsströmmen ger en indikation på diodernas tillstånd i frekvensomriktarens likriktarsektion. Figur 2 visar strömkurvan när alla dioder fungerar korrekt, i figur 3 kan man snabbt se att en eller flera av dioderna i likriktarsektionen inte fungerar korrekt.

Figur 2: Bra diodsektion Figur 3: Felaktig diodsektion

Utgångsspänning

Figur 4: IGBT:er med korrekt funktion

Utgångsspänningen från frekvensomriktaren ger information om tillståndet för själva frekvensomriktaren samt kvaliteten på den kraft som tillförs motorn, inklusive men inte begränsat till korrekt eller felaktig funktion hos halvledarna i inverterarkretsarna och utveckling av fel på DC-busskondensatorerna. Figur 4 visar en ögonblicksbild av en fas av frekvensomriktarens spänningsutgång, vilket är spänningen till motorn. Alla vågformer för utspänningen ska vara relativt enhetliga och symmetriska. Icke-symmetriska spänningsvågformer indikerar felaktiga eller misslyckade IGBT:er. Notera krusningarna på den plana delen av de positiva och negativa delarna av vågformerna i figur 5. Detta är en indikation på att kondensatorerna på DC-bussen inte fungerar. En trasig kondensator på 20 USD kan förstöra en hel frekvensomriktare.

Utgångsström

Figur 5: Fel på DC-bussens kondensator

Motorns ström fungerar som en mycket känslig givare för motorsystemet. Eventuella befintliga eller uppkommande fel i motorn, den drivna maskinen eller själva processen gör att motorströmmen varierar. Dessa modulationer i utgångsströmmen ger indikationer på det elektriska eller mekaniska tillståndet eller eventuella avvikelser i själva processen. En FFT på de digitaliserade spännings- och strömvågformerna identifierar snabbt fel i motorn, t.ex. spruckna eller trasiga rotorskenor, statisk eller dynamisk excentricitet. Tidiga indikationer på begynnande rullningslagerfel, balans och uppriktning av de roterande komponenterna i motorn eller den drivna maskinen kan också snabbt identifieras med hjälp av samma felfrekvens som länge varit känd inom vibrationsanalys.

Automatisk analys

ESA-programvaran kombinerar all information som samlas in under den 50 sekunder långa datainsamlingsprocessen och jämför dem med förutbestämda standarder, riktlinjer och algoritmer för att skapa de diagram, tabeller och displayer som krävs för att snabbt utvärdera tillståndet för hela motorsystemet från den inkommande strömmen till processen. Efter avslutad utvärdering skapar ESA en fullständig och detaljerad rapport som inte bara belyser problem i den elektriska delen, fel i den drivna maskinen eller annan utrustning som är ansluten till motorn, utan även avvikelser i processen som kan leda till att VFD:n löser ut. Den 8-sidiga rapporten beskriver också mätningar som ligger inom förutbestämda riktlinjer, vilket eliminerar de flesta av de gissningar som normalt förknippas med felsökning av VFD-enheter.

Figur 6: PQ-tabell för utmatning från VFD

Figur 7: Resultatskärm

Sammanfattning

Genom att införliva MCA och ESA i vanliga felsökningsprocesser för VFD-enheter får analytikern den mest detaljerade information som finns tillgänglig för att snabbt avgöra om problemet orsakas av VFD-enheten eller upplevs av VFD-enheten. Det 3 minuter långa MCA-testet identifierar inte bara dåliga motorer utan kan också eliminera motorn som orsak till felet och säkerställa att en ny motor som installeras är felfri. ESA bekräftar att strömmen till och från VFD-enheten är felfri genom ett enkelt test som tar mindre än 1 minut.