Fördelar med test av likströmsmotor med hjälp av motorkretsanalys

Elektrisk provning av likströmsmotorer (DC) är en utmaning inom både industri, tillverkning och reparationsverkstäder. Den viktigaste frågan har att göra med möjligheten att jämföra en spole med nästa, om exakt information inte tillhandahålls. I den här artikeln diskuteras enkla tester för att öka tillförlitligheten i test- och analysslutsatser med hjälp av motorkretsanalys (MCA).

Termen MCA kommer från en testmetod som ger information om de grundläggande komponenterna i en AC- eller DC-elmotor. Dessa grundläggande komponenter inkluderar:

• Resistans, mätt i ohm
• Impedans, mätt i ohm
• Induktans, mätt i Henries
• Induktionslindningens fasvinkel, mätt i grader
• Isolationsresistans, mätt i Meg-Ohms

Det instrument som avses i denna artikel ger dessa mätvärden genom att generera en lågspännings, sann sinusvåg, växelström (impedans, induktans, fasvinkel), signal vid frekvenser från 100 till 800 hertz, en lågspännings DC signal för motstånd, och 500 eller 1.000 volt DC för isolationsmotståndstestet.

Dessutom utförs ett speciellt test som kallas I/F där den tillämpade frekvensen fördubblas och en kvot erhålls från förändringen i lindningens impedans. Detta test används för att identifiera tidiga kortslutningar som kan finnas i lindningen. Med hjälp av tillämpade data kan tillståndet hos en DC-motorlindning utvärderas genom spoljämförelser, jämförelser med kända mätvärden eller genom trendmässiga förändringar av lindningarna över en tidsperiod.

De DC-elmotorer som kommer att behandlas i denna artikel är serie-, shunt- och compound DC-motorer. Vissa av de grundläggande tester som beskrivs kan utföras på permanentmagneter, DC-servon, DC-verktygsmaskiner och andra (även om borstlösa DC-motorer utvärderas på samma sätt som AC-motorer). DC-elmotortyperna kan beskrivas med hjälp av deras lindningar och anslutningar.

Teori för likströmsmotorer

Elektriska likströmsmotorer arbetar enligt en grundläggande elektrisk princip: interaktion mellan två magnetfält som är placerade i vinkel mot varandra attraherar/repellerar, vilket resulterar i rörelse. I en likströmsmotor förses ett statorfält och en armatur med ström, vilket skapar magnetfält som elektriskt sett är ungefär 90 grader från varandra. Den resulterande attraktionen/repulsionen av ankaret från fältet genererar ett vridmoment och ankaret vrider sig.

De grundläggande komponenterna i en DC-elmotor är bl.a:

• Ram – Utgör maskinens yttre struktur. Den används för att montera de flesta andra komponenterna i motorn
• Fält – Dessa är spolar monterade på fältets polstycken som genererar ett stationärt magnetfält.
• Interpoler – Detta är spolar som placeras mellan fältspolarna och som genererar ett fält som används för att förhindra överdriven gnistbildning i borstarna.
• Endshields – även kallade lagerhus, används för att hysa borstarna och borstriggarna samt för att hysa axellagren som håller ankaret centrerat i ramen.
• Borstarnas riggning – Håller och positionerar borstarna ovanför ankarets kommutator. Vanligtvis används en spännanordning för att upprätthålla ett konstant tryck på borstarna.
• Borstar – Dessa används för att ge likström till ankaret. Borstarna sitter på kommutatorn.
• Kommutator – Består av många kopparstänger som är åtskilda av glimmer. Varje stång är ansluten till spolar i ankaret.
• Armatur – Detta är den roterande delen av motorn som innehåller spolar.

Till skillnad från de flesta växelströmsmotorer kräver likströmsmotorer separat strömförsörjning till både fält och armatur. Den likström som tillförs statorfälten genererar en konstant nordlig och sydlig uppsättning fält. Likström som tillförs ankaret genererar nordliga och sydliga fält som är 90 elektriska grader från det stationära fältet.

När ankaret genererar vridmoment och rör sig mot rätt nord- eller sydpol ändrar borstarna position på kommutatorn och aktiverar en annan uppsättning spolar 90 elektriska grader från det stationära fältet. Detta gör faktiskt ankaret till en växelströmskomponent eftersom strömmen kommer att gå i en riktning, baserat på borstpositionen, och sedan i en annan riktning när motorn körs.

Borstarna är placerade så att de är elektriskt “neutrala” (ingen inducerad ström från statorfälten) för att minska gnistbildning. I de flesta DC-motoranslutningar kan drifthastigheten ändras genom att ankarspänningen varieras. En allmän fara som är inbyggd i likströmsmotorer är att om fältströmmen försvinner medan ankarströmmen bibehålls, kan motorn ta fart och hastigheten ökar tills ankaret självförstörs.

De tre grundläggande lindningstyperna som kan användas för att identifiera typen av DC-motor är

• Serie: Används normalt i applikationer som kräver ett högt startmoment. De består av en uppsättning fältlindningar med stor tråd och relativt få varv, märkta S1 och S2, som är seriekopplade till interpolen och ankaret, märkta A1 och A2 (se figur 1). Seriekopplade motorer används normalt som traktionsmotorer och har ett mycket lågt grundmotstånd.
• Shunt: Finns normalt i applikationer som kräver konstant hastighet. De består av en uppsättning fältlindningar av mindre tråd med många varv, märkta F1 och F2 för enspänning och F1, F2, F3 och F4 för tvåspänning, samt A1 och A2 för interpoler och ankare (se figur 2). Shuntanslutna motorer används normalt som kran- och verktygsmotorer och har relativt hög grundresistans.
• Kompound: Kombinerar fördelarna med både serie- och shuntlindade motorer. De ger ett relativt högt vridmoment med en grundläggande motståndskraft mot förändringar i varvtalet. Anslutningarna kombinerar både serie- och shuntanslutningar (se figur 3). Kompoundmotorer är de vanligaste och förekommer ofta i industriell tillverkning.

Som synes finns det få spolar att jämföra med varandra i en monterad likströmsmaskin. Det går dock att utveckla procedurer för lindningsprovning som ger en hög nivå av tillförlitlighet för provningsresultatet.

Vanliga elektriska fel på likströmsmotorer

Det finns ett antal vanliga elektriska fel på likströmsmotorer, av vilka de vanligaste beskrivs här. Dessa beror på problem som är specifika för DC-motorns konstruktion och som beror på temperatur, friktion och interna föroreningar som kol eller grafit.

En av de vanligaste orsakerna till lindningsfel i en likströmsmotor är att lindningen förorenas av kol eller grafit (kol)damm från borstarna. Det fina pulvret tränger igenom alla stationära och roterande lindningar och skapar en väg mellan ledare eller mellan ledare och jord. Kol fastnar ofta och problemen förvärras ytterligare genom rengörings- och underhållsmetoder när kolet blåses ut med tryckluft eller när ankaret rengörs och bakas. I båda fallen kan kolet bli hårt packat i hörnen, vanligtvis precis bakom kommutatorn. Detta leder till ett jordfel eller en kortslutning precis vid kommutatoranslutningen.

Ett annat vanligt fel, som man ofta inte tänker på, är kylningen av DC-maskinen. Detta kan bero på att kylkanalerna är blockerade, att ankaret vrids för långsamt utan ytterligare kylning, eller på smutsiga filter (det vanligaste kylningsrelaterade felet). Temperaturen är den största fienden för elektrisk utrustning, särskilt för isoleringssystemet, vars livslängd förkortas med hälften för varje 10 graders temperaturökning (vedertagen tumregel). När isoleringen försvagas minskar dess tillförlitlighet tills det uppstår lindningsfel mellan varven. Förutom att isoleringssystemet försämras, försämras även borstarna snabbare, vilket leder till ökat slitage på kommutatorn och ytterligare kolföroreningar i lindningarna.

Ett annat fel som är relaterat till värme genereras av metoder där fälten är spänningssatta medan ankaret är i viloläge (spänningslöst). Detta är ett vanligt driftsätt som kräver en separat fläkt för att ge kylning till motorn som normalt har filter som måste hållas rena. Denna typ av fel resulterar normalt i kortslutna shuntspolar, vilket minskar motorns förmåga att producera vridmoment, och kan sluta med det farliga tillståndet övervarvning av ankaret om det inte underhålls ordentligt.

Kommutatorn ger också möjlighet att upptäcka fel och är en indikator på motorns drift och skick. En korrekt fungerande likströmsmotor har en fin kolglans på kommutatorn och staplarna ser likformiga ut. Brända kommutatorstänger, strimmig glasering, mycket kol eller överhettade kommutatorer indikerar potentiella problem som bör åtgärdas.

Provning av armatur

DC-armaturer är den mest tidskrävande men enklaste komponenten att testa. Det finns tre grundläggande metoder som kommer att introduceras: trend, monterad och demonterad. Vid trendmätning används alla mätningar, men vid monterad och demonterad provning används en impedansmätning från stång till stång. Impedansen visas eftersom ankaret är en växelströmskomponent och enkla resistansmätningar kan missa vissa fel, t.ex. kortslutningar och jordningar. Trending kommer att behandlas i en övergripande trendingprocedur för DC-motorer senare i denna artikel.

När du testar en monterad DC-motorarmatur är den bästa metoden att utföra ett så kallat bar-to-bar-test med hjälp av motorborstarna. När det gäller en likströmsmotor som har två borstar behöver ingen av borstarna lyftas, när det gäller en likströmsmotor som har fyra eller fler uppsättningar borstar behöver alla utom två uppsättningar som är 90 grader från varandra lyftas, vilket gör att de inte ingår i provningskretsen. Se till att god kontakt upprätthålls på kommutatorn genom att säkerställa att 90%+ av borsten är i kontakt med kommutatorstängerna och att kommutatorstängerna är rena. Om de inte är rena ska du polera armaturen försiktigt med en godkänd metod innan du testar. Om kommutatorn är mycket sliten måste den demonteras och kommutatorn “vridas och underskäras”, i vilket fall ett demonterat stång-till-stång-test skulle vara lämpligt. Markera positionen för en stång på kommutatorn och för sedan stången till en position där den är precis under den främre kanten på en av borstarna. I det sammansatta testet kommer du förmodligen att täcka minst en och en halv stapel med penseln. Utför ett impedanstest, anteckna mätvärdet och flytta ankaret så att borstens framkant hamnar över nästa kommutatorstång. Gör nästa impedansavläsning och fortsätt tills alla stänger har testats. Ett bra resultat visar ett konsekvent mönster, medan ett inkonsekvent mönster identifierar en dålig armatur.

Demonterad bar-to-bar-provning liknar monterad provning, förutom att ankaret är ur ramen och provaren har full åtkomst till kommutatorn. I detta fall kommer testaren att använda en armaturfixtur eller testkablar för att ansluta från bar till bar. Avståndet mellan varje impedansavläsning ska vara konstant och ca 90 till 180 grader från varandra. Det första strecket ska markeras och provningen fortsätter tills ett ben på provfixturen eller provledningen har tagit sig 360 grader runt kommutatorn. Markera impedansen för varje bar-to-bar-test och kontrollera sedan att det finns ett konsekvent mönster.

Serie Motorprovning

Serieelektriska motorer är mycket svåra att felsöka eftersom de inte har några fält att jämföra med. Avläsningar kan göras från S1 till S2 och A1 till A2 och sedan följas över tid eller jämföras med andra liknande maskiner.

Vid trendning av mätvärden över tid måste enkla resistansavläsningar korrigeras för temperatur, vanligtvis i förhållande till ^25oC. Impedans och induktans har normalt begränsade temperaturförändringar medan fasvinkeln och I/F-värdena förblir konstanta, oavsett temperatur. Variationer i I/F och fasvinkel indikerar kortslutna lindningar, medan förändringar i impedans och induktans normalt indikerar smutsiga lindningar.

Jämförelse av liknande motorer kräver ytterligare information. Operatören måste säkerställa att motorn är av samma tillverkare och konstruktion, liksom hastighet, effekt, etc. Motorn av “modell” måste vara ny eller ombyggd enligt den ursprungliga tillverkarens specifikationer. Vid jämförande avläsningar bör testtemperaturen vara densamma från motor till motor, men I/F- och fasvinkelavläsningarna kan jämföras direkt. Dessa värden får inte ändras mer än +/- 2 punkter för I/F och +/-1 grad för fasvinkel. Ett vanligt fel när seriefältlindningar byggs om, även om det är mindre vanligt än shuntspolar, är ett felaktigt byte av trådstorlek, vilket kommer att påverka motorns förmåga att generera vridmoment.

Provning av shuntmotorer

Shuntmotorer med två spänningar ger möjlighet att jämföra två uppsättningar lindningar medan enspänningsmotorer har samma testförfarande som testar seriemotorlindningar, med F1 till F2 i motsats till S1 till S2.

Vid dubbelspänning är shuntlindningarna märkta F1 till F2 och F3 till F4, vilket gör att analytikern kan testa och jämföra dessa två uppsättningar av lindningar.

Vid testning och felsökning av mätvärden över tid måste enkla resistansmätningar korrigeras för temperatur, vanligtvis i förhållande till ^25oC. Impedans och induktans ändras mer än för en serielindad motor på grund av kretsens högre enkla resistans. Fasvinkeln och I/F förblir konstanta, inom 1 till 2 punkter, oavsett temperatur. Variationer i I/F och fasvinkel indikerar kortslutna lindningar, medan förändringar i impedans och induktans normalt indikerar smutsiga lindningar. Jämförelser mellan F1 till F2 och F3 till F4 bör vara mindre än 3% i resistans, induktans och impedans och inte mer än 1 punkt olika i I/F eller fasvinkel.

Likadana motorer kan testas och jämföras på samma sätt som serielindade motorer. Om möjligt bör motorerna testas vid samma temperatur som vid de tidigare testerna när trendmätningar görs. Exempelvis kan testerna utföras vid samma temperaturer inom några minuter efter att utrustningen har stängts av eller innan den startas.

Test av sammansatt likströmsmotor

Testning på plats, trender och felsökning är mycket enklare med en compoundmotor. Enspänningskompoundmotorer är normalt märkta A1 till A2, S1 till S2, och F1 till F2, och dubbelspänningskompoundmotorer är normalt märkta A1 till A2, S1 till S2, F1 till F2, och F3 till F4. Ett viktigt tillägg till en compoundlindad motor är att serielindningen normalt är lindad ovanpå shuntlindningen, vilket möjliggör eventuella fel mellan dessa två lindningar.

När det gäller en sammansatt motor tas proven normalt från DC-drivningens terminaler. Standard MCA-tester med ALL-TEST omfattar signaler med låg spänning och högre frekvens som inte skadar utrustningens utgångselektronik, vilket minskar behovet av att koppla bort kablarna från frekvensomriktaren under testet. Om analytikern däremot vill kontrollera isolationsresistansen mellan serie- och shuntlindningarna måste ledningarna kopplas bort från frekvensomriktaren. Vid trendmätning från DC-enheten, testa A1 till S2 och de två fältledningarna och utför sedan ett 500 Volt isolationsresistanstest mellan S2 och F1 ledningarna och jämför med tidigare tester eller liknande motorer, i båda fallen bör isolationsresistansavläsningarna ligga över 100 Meg-Ohms.

Med ALL-TEST-enheten kan analysatorn omedelbart jämföra tidigare och nuvarande avläsningar som en snabb kontroll, så att analysatorn snabbt kan fatta beslut om att testa lindningarna ytterligare. Som nämnts i testtekniken för serie- och shuntmotorer bör I/F- och fasvinkelavläsningarna inte ändras mer än 1 punkt mellan testerna, men med tiden kommer serie- och fältlindningarna att skilja sig dramatiskt från varandra.

Felsökning på sammansatta motorer bör utföras på själva motorn. Koppla bort alla motorledningar och separera dem. Testa serie- och fältlindningarna enligt anvisningarna för serie- och shuntlindning och utför sedan ett isolationsresistanstest mellan serie- och shuntlindningarna, isolationsresistansen ska vara större än 100 Meg-Ohms.

MCA Anteckningar för test av DC-motor

Flera viktiga punkter kan tas fram med hjälp av MCA-testning på alla typer av DC-motorer:

1. Ett I/F-värde utanför intervallet -15 till -50, t.ex. -56, indikerar ett lindningsfel.
2. Om testet visar ett oändligt motstånd mellan ledningarna i samma krets tyder det på en öppen lindning.
3. En ökning av det enkla motståndet mellan testerna, korrigerat för temperatur, indikerar en lös anslutning, i synnerhet när impedans- och induktansvärdena ändras. En minskad enkel resistans, när den korrigeras för temperatur, kan indikera en kortslutning och åtföljs vanligtvis av förändringar i impedans, induktans, fasvinkel och I/F.
4. Vid testning av liknande motorer bör I/F och fasvinkel inte ändras mer än 2 punkter, varje skillnad större än detta bör leda till en fullständig analys.
5. Förändringar vid testning genom armaturkretsen bör leda till ett bar-to-bar-test.

Genom att följa dessa enkla instruktioner och använda en MCA-enhet kan du upptäcka tidiga fel långt innan utrustningen går sönder under drift. Om testerna utförs som en del av ett förebyggande underhållsprogram bör intervallen vara minst de som visas i tabell 1.

Tabell 1: Frekvens för test av likströmsmotor

Allmänna underhållstester är sådana som inte är trendade över tid. Vanligtvis tillsammans med vibration, lagersmörjning, kommutatorinspektion och borstinspektion. Testning av förebyggande underhåll innebär normalt att avläsningar trendas över tid för att upptäcka potentiella fel och sedan bestämma den bästa tiden att ta bort motorn för korrigerande underhåll. När ett potentiellt fel har upptäckts bör testfrekvensen öka tills det fastställs att motorn måste tas bort. Ett komplett armaturtest bör utföras antingen i samband med ett allmänt eller förebyggande underhållstest på grund av de höga påfrestningarna på kommutatorn och kolföroreningar.

Slutsats

Allmän elektrisk provning av likströmsmotorer underlättas avsevärt med nya tekniker för statisk analys av motorkretsar. För första gången kan man upptäcka tidiga fel i serie-, shunt- och ankarlindningar innan de sätter utrustningen ur drift. Tester för förebyggande underhåll kan utföras från frekvensomriktaren medan felsökningstester utförs vid motorn. I allmänhet är testerna relativt snabba och kräver mindre än fem minuter per motor för förebyggande underhållstest, med ytterligare tidsåtgång för felsökning. Sammantaget innebär MCA-testning en dramatisk förbättring av DC-motortestning jämfört med de traditionella metoderna för kontinuitetstest.

Om författaren

Howard W. Penrose, Ph.D., har över 15 års erfarenhet från branschen för reparation av elmotorer och elmotorer. Från att ha arbetat som reparatör av elmotorer i den amerikanska flottan till fältservice och utvärdering av små till stora roterande utrustningar av alla slag, som chefsingenjör för en stor motorverkstad i Mellanvästern. Dr. Penrose har varit direkt involverad i omlindning, utbildning och felsökning av växelström, likström, lindad rotor, synkron, verktygsmaskiner och specialutrustning. Hans vidare studier omfattar elmotorer och industriell tillförlitlighet, testmetoder, energieffektivitet och underhållets inverkan på produktionen. Penrose har tidigare varit ordförande för Chicagosektionen av IEEE, ordförande för Dielectrics and Electrical Insulation Society of IEEE Chicago, professionell medlem i Electrical Manufacturing Coil and Winding Association, certifierad MotorMaster Professional av US Department of Energy, vibrationsanalytiker, infrarödanalytiker och motorkretsanalytiker.