Hur man fullständigt testar 3-fas växelströmsinduktionsmotorer med hjälp av spänningslös motortestning

Motorinduktansprovning utförs ofta med metoder som inte ger en korrekt bild av helheten. Otillräcklig testning kan leda till förtida utbyte av utrustning, dåliga kostnadsanalyser och andra negativa resultat. Testning av strömlösa motorer med ALL-TEST Pros egenutvecklade enheter för motorkretsanalys (MCA™) kan göra testningen mer exakt, lätthanterlig och okomplicerad. Den här artikeln visar hur man testar en trefas växelströmsmotor och förklarar varför MCA™-metoderna är mer omfattande.

Hur fungerar traditionella testmetoder?

Innan vi går igenom hur man testar en trefasmotor med moderna testmetoder går vi igenom varför traditionella testmetoder med isolationsresistansmätare och multimetrar oftast inte är tillräckliga. Dessa verktyg förbiser specifika delar av motorn och hjälper dig inte alltid att avgöra om en trefasmotor är dålig.

Mätare för isolationsresistans mot jord

Det finns belägg för att endast ca 17% av de elektriska statorfelen uppstår mellan spolarna och motorramen eller är direkta kortslutningar till jord, medan ca 83% uppstår i lindningens isolering. Eftersom IRG-testet inte tar hänsyn till lindningens isolering, kan det bara användas för en liten andel av felen. Den bedömer inte heller markväggsisoleringens allmänna tillstånd, utan endast dess svagaste punkt. IRG-mätare rekommenderar att man använder ett föråldrat polarisationsindex för att fastställa GWI:s förmåga att lagra en elektrisk laddning. Dessa riktlinjer, som baseras på äldre isoleringstyper, kan vara ogiltiga för nyare isoleringssystem.

Syftet med IRG-mätningar är inte att fastställa isoleringens skick, utan att verifiera att den elektriska trefasmotorn är säker att strömförsörja. Ytterligare mätningar, t.ex. avledningsfaktor och kapacitans till marken, ger en mer fullständig indikation på GWI:s allmänna tillstånd.

Multimetrar

Multimetrar mäter resistansen i den elektriska kretsen mellan specifika motorledningar. Om isoleringen runt ledarna bryts ned (som vid en kortslutning av en lindning) kommer den kortslutna spolens resistans teoretiskt sett att vara lägre än de andra spolarnas, vilket skapar en obalans mellan faserna.

Problemet med resistans som en indikator på försämrad isolering i lindningen ligger i den grundläggande lagen för elektricitet som säger att strömmen tar den väg som ger minst motstånd. För att strömmen ska kunna gå förbi ett eller flera varv i en spole måste isolationsresistansen mellan spolarna vara lägre än resistansen hos ledarna för det eller de kortslutna varven. Dessa värden kan vara i milliohm och är vanligtvis inte mätbara förrän isoleringen mellan lindningarna är helt borta.

Ett annat problem med multimetrar är att isolering har en negativ temperaturkoefficient. När temperaturen ökar minskar resistansen, eventuellt till ett värde som är tillräckligt lågt för att strömmen ska kortsluta spolen. Om du mäter efter att motorn har stängts av har temperaturen på lindningen och isoleringen sjunkit, vilket gör att isoleringens motstånd ökar tillräckligt för att strömmen ska följa sin vanliga bana och ge en balanserad mätning mellan faserna.

Hur bryts isoleringen ned?

För att kunna bedöma tillståndet hos en trefasmotor krävs en tidig indikation på att isoleringen är skadad. För att göra detta använder MCA™ AC-signaler med låg spänning för att testa lindningens isoleringssystem för att avgöra när lindningens isolering börjar genomgå de kemiska förändringar som uppstår när isoleringen börjar försämras.

All materia består av molekyler och atomer. Atomer fungerar som LEGO®-klossar och bildar molekyler med hjälp av kemiska bindningar. Dessa bindningar förekommer i atomens yttersta skal (valens). Isolerande material har mycket tätt bundna valenselektroner. Ledande material har löst bundna elektroner i valensskalet. Värme kan förändra isoleringsmaterialets kemiska sammansättning, vilket gör att isoleringen runt ledarna blir mer ledande och att det bildas spår i isoleringen. Dessa banor skapar kortslutningar mellan ledarna.

Enligt Arrhenius
Arrhenius ekvation
fördubblas dessa kemiska reaktioner för varje temperaturökning på 10 grader Celsius. Isoleringen går inte sönder omedelbart. Alla elektriska isoleringsmaterial är dielektriska och får en förändrad kemisk sammansättning med tiden, men dessa reaktioner påskyndar nedbrytningen. Värme gör att reaktionshastigheten ökar, vilket på motsvarande sätt påskyndar nedbrytningshastigheten.

När detta händer börjar isoleringen att fallera stegvis:

1. När isoleringen utsätts för påfrestningar blir den mer ledande, mindre resistiv och mindre kapacitiv. Temperaturen börjar stiga i förkastningszonen och isoleringen bildar förkolningsspår. I de tidiga stadierna flyter ingen ström över isoleringen.
2. Motståndet fortsätter att minska i takt med att isoleringen försämras. Självinduktans och kapacitans kan minska, och motorn kan börja lösa ut intermittent men gå bra efter att isoleringen svalnat. Fortsatt drift kommer att leda till att temperaturerna i förkastningszonen fortsätter att öka i takt med att förkastningen förvärras.
3. Slutligen försämras isoleringen tills ström flödar över felzonen. Detta fenomen kan orsaka en fullständig bristning av lindningens isolering och förånga lindningen. Vid denna punkt ändras spolens induktans och lindningsresistans.

Vad är vanliga fel på rotorn?

Vissa (EPRI anger 10%) stora trefas AC-induktionsmotorer går sönder på grund av rotorproblem. Dessa kan inte upptäckas med traditionella motorprovningsmetoder eller kräver tidskrävande diagnoser och komplexa testinstrument. Här är några typiska fel på rotorn.

Gjutning av tomrum

Gjuthål uppstår när ångbubblor bildas i rotorstänger eller ändringar i den elektriska delen av ekorrburens rotorer. De ökar motståndet i stången eller stängerna. Rotorstänger skapar parallella kretsar. Grundläggande elektrisk teori säger att spänningen i varje ben i parallella kretsar är densamma. Ett gjuthål i en rotorstång ökar rotorstångens motstånd, vilket gör att strömflödet (genom stången med felet) minskar, och det ökar strömflödet genom de intilliggande stängerna. Det ökade strömflödet genom dessa intilliggande rotorstavar orsakar ytterligare uppvärmning av dessa rotorstavar. Den extra värmen gör att de påverkade stängerna expanderar termiskt, vilket gör att rotorn böjs och skapar kraftiga vibrationer och tidiga och frekventa lagerhaverier.

Excentriskt roterande

En excentrisk rotor uppstår när axelns geometriska centrumlinje inte är koncentrisk med rotorkärnans geometriska centrumlinje. Den punkt på rotorn som är längst bort från axeln (hög punkt) kommer att vara närmare statorn, medan punkten på motsatt sida av rotorn (låg punkt) kommer att vara närmast axeln men längre bort från statorn. Excentricitet skapar ojämnt avstånd mellan rotorkärnan och statorkärnan. Eftersom en excentrisk rotor har en högpunkt och en lågpunkt ändras det ojämna avståndet mellan rotor och stator med rotorns position.

Denna typ av excentricitet kallas dynamisk excentricitet. Detta tillstånd skapar elektriskt obalanserade krafter mellan rotorn och statorn, vilket leder till frekventa lagerhaverier.

Ojämna luftgap

Ett ojämnt luftgap uppstår om en koncentrisk rotor inte är placerad i statorfältets geometriska centrumlinje. Denna omständighet kan uppstå på grund av oprecis, icke-centrisk bearbetning av falsarna på motorramen och ändlocken. Även korrekt bearbetade passningar kan göra att rotorns GCL förskjuts i förhållande till statorns GCL. Detta problem skapar små spel och obalanserade elektriska krafter mellan stator och rotor på samma sätt som en excentrisk rotor, men det små spelutrymmet förblir på en fast plats inuti motorn och ändras inte med rotorns orientering. Denna typ av excentricitet kallas statisk excentricitet.

En mjuk fot mellan motorfötterna och basen är en vanlig orsak till statisk excentricitet. Om motorns fötter inte är i samma plan som basen som motorn monteras på, kan åtdragning av fästbultarna på motorramen leda till att motorramen deformeras, vilket också kommer att deformera statorfältet. Dessa distorsioner skapar samma förhållanden som om rotorn inte vore centrerad i statorns magnetfält.

Dessa luftgap kan skapa små spel och obalanserade magnetiska krafter som kan leda till frekventa lagerhaverier och sprickor eller brott i rotorstängerna.

Spruckna eller brutna rotorbalkar

Rotorstängerna fungerar som ledare i rotorns elektriska krets. Om rotorstängerna är spruckna eller brutna kommer döda punkter att uppstå på rotorn när de berörda stängerna befinner sig under något av magnetfältets statorpoler som roterar runt statorkärnan. Strömmen moduleras genom rotorn med en frekvens som är lika med antalet poler i motorn och frekvensen för den ström som flödar genom rotorn. Trasiga eller spruckna rotorskenor hindrar rotorn från att uppnå normal hastighet eller skapar överström, värme och vibrationer i maskineriet. Om detta inte åtgärdas kan rotorn till slut självförstöras.

Vad innebär motorkretsanalys™?

För att bedöma dessa rotorfel och bristerna i traditionell testning kan vi använda mer omfattande Analys av motorkretsar™ -strategier för att testa en trefas växelströmsmotor.

Isolering av grundmurar

Jordisolering är all isolering som separerar den elektriska strömmen som matas till motorn och ramen eller någon annan exponerad del av motorn. Dess syfte är att styra strömmens väg och förhindra att den går någon annanstans än till den avsedda platsen. Kom ihåg att IRG-mätningar bekräftar att en motor är säker att strömförsörja, inte dess skick. DF- och CTG-mätningar ger mer information om det övergripande GWI-tillståndet.

GWI-systemet kan modelleras som en serie-parallell RC-krets. GWI-isoleringen bildar en kondensator eftersom den är ett dielektriskt material som placeras mellan ledande material. Kondensatorn lagrar en elektrisk laddning, så en del av den växelström som tillförs en kondensator återgår till källan när du tar bort spänningen. En del flödar dock över dielektrikumet. Den ström som går tillbaka till källan är kapacitiv, medan den ström som går över det dielektriska materialet är resistiv. När du ansluter växelspänning till kondensatorn leder den kapacitiva strömmen spänningen 90 grader, medan den ström som flyter över dielektrikumet är resistiv och i fas med växelspänningen.

Ny, ren isolering har en resistiv ström som är 3 till 5% av den kapacitiva strömmen. Om det isolerande materialet försämras ökar den resistiva strömmen eller så minskar den kapacitiva strömmen eller så inträffar båda. Det påverkar i alla fall förhållandet mellan den resistiva strömmen och den kapacitiva strömmen – DF. En ökande DF indikerar en försämrad GWI, vilket kan bero på termisk nedbrytning eller kontaminering.

Nya, rena motorer har också ett specifikt CTG-värde. Om nuvärdet av CTG har ökat från baslinjen beror det vanligtvis på förorenad isolering eller vatteninträngning. Termisk nedbrytning av GWI-isolering ökar den resistiva strömmen och minskar den kapacitiva strömmen, så CTG-värdet minskar. Genom att kombinera dessa två AC-mätningar med IRG-mätningar får man mer information för att fastställa GWI:s övergripande tillstånd.

Test av statisk statorlindning

Prov av statorlindning kan vara statiska eller dynamiska. Statiska prov utförs när rotorn är stillastående och omfattar följande.

• Resistans i lindningen: För att mäta lindningsmotståndet kan du sekventiellt applicera en likspänning på två av de tre motorledningarna för att bedöma motståndet hos de ledare som är anslutna mellan instrumentledningarna. Obalanser i samband med lindningsmotstånd beror vanligtvis på lösa eller högresistenta anslutningar.
• Induktans (L): Induktans mäter en spole eller lindnings förmåga att lagra ett magnetfält. Motorer har både självinduktans och ömsesidig induktans. En försämring av spolens isolering påverkar självinduktansen, och varje förändring i rotorns elektriska krets påverkar den ömsesidiga induktansen. Obalans i induktansen beror ofta på rotorns position. Rotorpositionen är inte ett problem utan ett naturligt tillstånd som är förknippat med induktionsmotorer. AC-induktionsmotorer kan gjutas som en transformator med en roterande sekundär. Statorlindningarna fungerar som primär och rotorstängerna som sekundär. I ett statiskt tillstånd bestämmer antalet rotorstavar som är placerade direkt under de spolar som testas varvtalet mellan primär och sekundär. Detta fastställer den ömsesidiga induktansen mellan rotor och stator. Om antalet rotorskenor som är placerade under varje fas inte är detsamma på grund av rotorns position, kommer det att skapa en obalanserad induktans mellan faserna.
• Impedans (Z): Impedans är det totala motståndet mot strömflöde i en växelströmskrets. Medan resistans endast mäter likströmsmotstånd, påverkar induktans och kapacitans i kretsen impedansen. Dessa storheter förändras när isoleringen som omger de ledare som bildar spolarna i lindningarna börjar förändras. Eftersom Z är ett skalningsvärde kan det missa små förändringar i de tidiga stadierna av isoleringsnedbrytning.
• Fasvinkel (Fi): Fasvinkeln mäter tidsfördröjningen mellan två eller flera händelser inom samma period. En komplett cykel är 360 grader. Om det tar en sekund att slutföra en cykel (cykelns period), och en händelse släpar efter den andra med en halv sekund (en halv cykel eller 180 grader), är Fi 180 grader. Frekvensen är inversen av tiden (1/T), så alla händelser med samma period inträffar med samma frekvens. Om cyklerna inte startar samtidigt kommer en av dem att leda eller släpa efter. Resistiva, induktiva och kapacitiva kretsar skiljer sig åt i hur ström och spänning leder eller släpar efter varandra. Så när den kemiska sammansättningen av isoleringen som omger de ledare som utgör spolarna börjar förändras, kommer Fi att förändras före Z, L, R eller C. Fi-mätningen är en ledande indikator på nedbrytning av isoleringen.
• Strömmens frekvenssvar (I/F): Induktorer lagrar magnetfält för att motverka en förändring i strömmen, medan kondensatorer lagrar elektriska laddningar för att motverka en förändring i spänningen. Om dessa egenskaper ändras, ändras även spolens eller lindningens förmåga att lagra en laddning eller ett magnetfält. Isolering omger ledarna i faslindningarnas spolar. Om isoleringen runt alla spolar är i samma skick har varje fas samma lagringsförmåga. När isoleringen börjar försämras förändras denna förmåga, vilket skapar en obalans i fasspolarnas förmåga att lagra ett magnetfält eller en elektrisk laddning. I/F-svaret mäter en spols förmåga att lagra ett magnetfält eller en elektrisk laddning. Obalanser över 2% av I/F för någon spole från genomsnittet för alla faser indikerar ett utvecklande fel i lindningen.

MCA™ är en beprövad teknik som har använts framgångsrikt på fältet i över 35 år. MCA™ har dokumenterade riktlinjer för identifiering av lindnings- och rotorfel som håller på att utvecklas. För tillfälliga utövare kan dessa riktlinjer vara svåra att komma ihåg och tillämpa. På begäran av några användare har ALL-TEST Pros ingenjörer därför utvecklat en unik och patenterad lösning. De utvecklade en egen algoritm som kombinerar alla MCA™-mätningar och definierar tillståndet för lindnings- och rotorsystemet. Den ger ett enda värde, testvärdet är statiskt. TVS™ utvärderar inte isoleringen eller rotorsystemets kondition, men det återspeglar tillståndet hos motorns elektriska system för lindning och rotor. Motorer är inte självläkande, så varje förändring i TVS™ indikerar att motorns tillstånd håller på att försämras.

Det statiska referensvärdet är i allmänhet det första TVS™ som utförs på en motor och anges som referens- eller “baslinje”-värde. Detta gör det möjligt för instrumentet att jämföra resultaten av alla aktuella “statiska tester” med den lagrade RVS för att utvärdera motorns tillstånd. RVS är en TVS™ som sparats i instrumentet eller i programvaran MCA™ som referens för jämförelser. Om TVS™ ändras med mer än 3% från sitt ursprungliga värde är det en tidig varning. Över 5% indikerar en allvarlig förändring.

Nya eller ombyggda motorer bör ha resultaten från det första “statiska testet” lagrade som RVS.

När en motor installeras för första gången i ett system utförs ett nytt statiskt prov från en lättillgänglig plats, t.ex. motorstyrcentralen eller en lokal frånskiljare, och resultaten lagras som en ny RVS. Denna nya RVS innehåller alla elektriska komponenter i motorstyrningen och tillhörande kablage. Genom att utföra eventuella efterföljande statiska tester från den platsen kan du snabbt bedöma den elektriska kretsens tillstånd.

Om en ny TVS™ skiljer sig från RVS med mindre än 3%, har motorns och tillhörande komponenters skick inte förändrats. En varning över 3 eller 5% indikerar ett utvecklande fel respektive en allvarlig förändring. Förändringen har inte nödvändigtvis skett i motorn, utan någonstans i systemet. För att isolera felet krävs ett nytt statiskt test som utförs direkt på motorn. Om TVS™ från motorn ligger inom 3% av RVS för motorn, är felet i styrenheten eller tillhörande kablage. Om den är större än 3% är felet i motorlindningarna eller rotorsystemet.

För att avgöra om felet sitter i statorn eller rotorn måste du utföra ett dynamiskt test.

Dynamiska tester

Dynamiska tester utförs medan motoraxeln manuellt roterar långsamt och mjukt. De skapar en statorsignatur och en rotorsignatur.

• Stator signatur: Statorsignaturen visar medelvärdet av impedansförändringen när rotorstängerna rör sig genom det magnetfält som skapas av spolarna. På bra motorer är fördelningen av medelvärden mindre än 1,1% från andra faser. Om den är högre indikerar det ett fel i isoleringen som omger de ledare som utgör spolarna i faserna. Om värdena överstiger en förändring på 3% har isoleringen försämrats kraftigt.
• Rotorns signatur: Rotorsignaturen anger hur mycket varje topp avviker från medelvärdet. På bra rotorer är dessa toppar symmetriska. De bör variera med mindre än 10% från andra toppar i fasen. Mellan 10 % och 15 % är en tidig varning, och en variation över 15 % tyder på en dålig rotor.

Varför är MCA™ så användbart?

Tyvärr har bristen på kunskap om MCA:s™ moderna och beprövade kapacitet för motortester begränsat metodens breda användning. Traditionella metoder har en begränsad förmåga att grundligt analysera induktionsmotorer för trefas växelström. Det finns andra tidskrävande metoder, men de fokuserar fortfarande på GWI, vilket inte ger någon indikation på de vanligare problemen med lindningsisolering och rotor.

Det finns dyrare instrument som tar längre tid att testa men som inte kan avgöra tillståndet hos motorrotorn eller isoleringssystemet.

MCA™ löser dessa problem med en lättanvänd och lättförståelig metod för testning av spänningslösa motorer. Den erbjuder detaljerade, beprövade och exakta bedömningar för dessa trefas AC-motorer. Våra MCA™-instrument, som t.ex.
ALL-TEST PRO 7
™ och
ALL-TEST PRO 34
™, är handhållna, batteridrivna verktyg som erbjuder steg-för-steg-instruktioner för att utföra testerna. De ger också en omedelbar bedömning av motortillståndet på skärmen.

Bättre, enklare och snabbare motorprovning med MCA™ kan ge fördelar som dessa.

• Ökad noggrannhet och framgång vid felsökning: Många motorer har mindre fel som ofta går att reparera, men användarna kasserar dem på grund av de extra testkostnaderna. Vissa anläggningar byter ut besvärliga motorer över en förutbestämd storlek. Genom att exakt identifiera felet kan dessa användare utföra bättre kostnads-/reparationsanalyser för att minska antalet utbyten och minimera kostnaderna för reparationer, stilleståndstid och omfördelad kvalificerad arbetskraft.
• Mer tillförlitliga installationer: Genom att inspektera nya och ombyggda motorer kan en anläggning säkerställa att de får vad de betalar för. Du kan undvika att installera felaktiga motorer eller att slösa bort motorer som fortfarande är i gott skick och lätta att reparera.
• Minskad stilleståndstid: Genom att testa motorer för tecken på försämring kan du byta ut misstänkta eller svaga motorer under ett planerat driftstopp, istället för att låta plötsliga fel stoppa driften och minska din drifttid.

ALL-TEST Pro’s MCA™-utrustning

Börja använda MCA™ och ALL-TEST Pros unika TVS™- och RVSvärden med våra produkter för trefasig motortestning. Vi erbjuder en rad olika testinstrument, och vårt kunniga team hjälper dig gärna att hitta rätt instrument för din verksamhet.
Utforska våra enheter online
eller
kontakta oss
om du har några frågor.