Hur man testar en synkronmotor med modern teknik

För att ytterligare förstå tillämpningen av testning och analys av motorkretsar på synkrona elmotorer (synkronmaskiner) är det viktigt att ha en kort översikt över hur en synkronmotor fungerar, de vanligaste felen, vanliga testmetoder, hur ALL-TEST IV PRO™ (
Nu AT5™
) fungerar med stora synkronmotorer, grundläggande steg för analys av synkrona statorer och rotorer, samt förväntade testresultat (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ är den rekommenderade ersättaren för ATIV™
). I detta dokument kommer vi att diskutera dessa olika aspekter och hänvisa till annat material för ytterligare detaljer.

Om synkrona maskiner

Stora synkronmotorer har två grundläggande funktioner:

• Den första är att förbättra den elektriska effektfaktorn i en anläggning. I alla anläggningar med stora induktiva belastningar, t.ex. motorer och transformatorer, börjar strömmen släpa efter spänningen (dålig effektfaktor). När detta blir tillräckligt allvarligt kräver anläggningen betydligt större mängder ström för att utföra samma mängd arbete. Detta kan orsaka spänningsfall och överhettning av elektriska komponenter. En synkronmotor kan användas på ett sådant sätt att den har liten eller ingen inverkan på effektfaktorn, eller kan användas för att få ström att leda spänning för att korrigera effektfaktorproblem.
• Den andra metoden är att absorbera pulserande belastningar, t.ex. kolvkompressorer. När en synkronmotor har uppnått synkron hastighet har den spolar som “låser sig” i takt med elmotorns roterande magnetfält från statorn. Om en momentpuls uppstår (t.ex. i början av en kolvkompressors slaglängd) kan motorn komma ur synk med de roterande fälten. När detta inträffar absorberar en speciell lindning på rotorn, en så kallad amortisseurlindning (se synkron konstruktion nedan), energin från momentpulsen och håller rotorn synkroniserad.

Den grundläggande konstruktionen av en synkronmotor är okomplicerad. Det finns tre uppsättningar lindningar, en stator, en rotor, lager och antingen en generator (borstlös) eller en “statisk exciter” (borsttyp).

Lindningarna består av:

• En vanlig trefaslindning, mycket lik en vanlig induktionselmotor
• En uppsättning fältspolar, som är likströmsspolar tillverkade av rund tråd för små maskiner och rektangulär tråd eller bandtråd för större maskiner
• En amortisörlindning, som liknar en induktionsmotors rotor med ekorrbur

Startmetoderna för både borsttyp och borstlösa synkronmotorer är likartade. Startfältet kommer att vara olika för båda. Nedan följer en beskrivning av det grundläggande arbetssättet, följt av en kort beskrivning av skillnaderna:

Under startfasen fungerar en synkronmotor på ungefär samma sätt som en vanlig induktionsmotor. Statorn mottar en elektrisk ström och ett roterande magnetfält utvecklas (hastigheten = (120 * tillämpad frekvens) / antal poler). Detta fält genererar en ström i amortisörlindningen, som används för att utveckla startmomentet genom att generera sitt eget magnetfält som interagerar med statormagnetfältet i luftgapet och får rotorn att följa statormagnetfälten. När rotorn börjar komma ikapp statorfälten injiceras likström i rotorfältspolarna, vilket skapar nordliga och sydliga magnetiska par (rotorspolar finns alltid i par). Dessa går i takt med statormagnetfälten och följer med i samma hastighet som statorfälten, medan en vanlig induktionsmotor alltid släpar efter.

I en borstmaskin kommer likströmskällan för rotorfälten vanligtvis från en “statisk” (elektronisk) startmotor, som omvandlar en tillförd växelström till likström. I de flesta fall varieras den utgående likströmmen genom startcykeln. Frekvensomriktaren kan också vara inställd på att kortsluta maskinens fältspolar för att undvika rotormättnad och de extremt höga strömmar på statorn som blir följden. När rotorn börjar snurra tillförs likström för att hjälpa motorn att utveckla vridmoment. Likspänningen matas via ett par släpringar och borstar.

I en borstlös maskin monteras en likströmsgenerator direkt på synkronmotorns axel. När synkronmotorn startar ger generatorn mycket lite likström via sin kommutator. När varvtalet ökar, ökar även likspänningen, vilket hjälper motorn att generera vridmoment och sedan låsa i steg med synkron hastighet. I denna typ av maskin är generatorn kopplad direkt till rotorfälten.

Det finns också maskiner som har en generator monterad på rotoraxeln som matar en separat styrning. Detta används för att först kortsluta lindningarna och sedan kontrollera mängden likström som matas till rotorn, precis som borstmaskinen.

Vanligaste fel på synkronmotorer

Stora synkronmotorer är ofta välbyggda och robusta. De är ofta överbyggda med material för att klara de kraftiga belastningar som förekommer. De vanligaste felen för industriella synkronmaskiner är i tur och ordning

• Lager på grund av allmänt slitage och föroreningar
• Rotorfält – på grund av höga temperaturer brinner dessa ofta upp från insidan och ut
• Amortisörlindningar – mestadels i fram- och återgående laster. På grund av den absorberade energin spricker ofta lindningsstängerna. I synnerhet om rotorfälten börjar gå sönder och är korta, vilket gör det lättare för rotorn att hamna ur “synk”.
• Statorlindningar – allmänt slitage och föroreningar. Statorlindningar i synkronmaskiner tenderar att vara “formlindade” och kraftigt isolerade.

Nästan alla lindningsfel som uppstår i en synkronmotor startar mellan ledare i rotor- eller statorspolarna.

Vanliga testmetoder, styrkor och svagheter

Följande är de traditionella testmetoderna för att utvärdera tillståndet hos en synkronmotor:

• Provning av isolationsresistans: Med hjälp av likspänning enligt IEEE 43-2000 placeras en potential mellan statorlindningarna och jord. Den mäter endast direkta fel mellan statorlindningarna och statorramen. Kan även utföras genom släpringarna på en maskin av borsttyp.
• Polariseringsindex: Detta är ett förhållande mellan 10 minuter och 1 minut för isolationsresistans. Detta har traditionellt använts som en metod för att mäta tillståndet hos isoleringen mellan statorlindningarna och ramen. Precis som vid provning av isolationsresistans kan detta också utföras genom släpringarna på en maskin av borsttyp. Såsom anges i IEEE 43-2000 är denna testmetod endast giltig för isoleringssystem från före 1970.
• Högpotentialprovning: Vanligast på stora maskiner är DC-högpotentialtestning som utförs vid ett värde av två gånger motorns märkspänning plus 1000 volt, gånger kvadratroten av 3. På ett befintligt isoleringssystem reduceras detta värde ofta till 75% av den potentiella spänningen. Detta test belastar isoleringssystemet mycket hårt och är potentiellt skadligt (enligt IEEE Std’s 388 och 389). Denna typ av test får ALDRIG tillämpas på rotorlindningarna i en synkronmotor.
• Testning med jämförelse av överspänning: Utvärderar endast statorns tillstånd från varv till varv genom att jämföra vågformerna för två lindningar när en puls med snabb stigtid på två gånger spänningen plus 1000 volt. Om det finns problem som kan åtgärdas, t.ex. förorenade lindningar, kan detta test skada motorlindningarna.
• Provning av partiell urladdning: Detta är en icke-förstörande testmetod som mäter radiofrekvenser från urladdningar i hålrum i motorlindningarnas isoleringssystem. Detta är effektivt för trender på maskiner som är över 6,6 kV och ger bara en kort varning från 4 kV. Den detekterar inte några fel på rotorn.

• Analys av motorströmssignatur: Utformad för rotortestning av induktionsmotorer.
• Test av spänningsfall: Kräver att motorn demonteras. En växelspänning på 115 V läggs på rotorlindningarna och spänningsfallet mäts med en voltmeter över varje spole. Om det finns en kortslutning kommer spänningsfallet att variera mer än 3%.

I förteckningen ovan ingår inte utrustning för mekanisk provning av synkronmotorer.

Om ALL-TEST Pro-instrumentet

ALL-TEST IV PRO™ (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ är den rekommenderade ersättaren för ATIV™)
är ett enkelt elektroniskt instrument som fungerar på ungefär samma sätt som en multimeter, förutom att det ger en serie avläsningar som täcker AC-parametrarna i motorkretsen. Det är en datainsamlare och testare som skickar en lågspänd likströmssignal för enkel resistansmätning, på samma sätt som en milli-Ohm-mätare, och en lågspänd högfrekvent växelströmssignal för växelströmsmätning. Instrumentet mäter och beräknar sedan testresultaten i tekniska enheter för resistans, impedans, induktans, fasvinkel, ström/frekvensrespons och ett isolationsresistanstest mot jord.

De främsta skillnaderna mellan elektronisk provning av kraftutrustning och traditionella kraftmetoder är följande:

• En mer komplett bild av motorkretsen, inklusive påverkan från förändringar i tillståndet för rotorfältspolens isolering.
• Ett instrument för ett stort urval av utrustningsstorlekar. Testet begränsas endast till instrumentets enkla resistansområde (0,010 Ohm till 999 Ohm).
• Icke-destruktiv – ingen skadlig spänning appliceras.
• Enklare datatolkning – några enkla regler för datatolkning (se datatolkning nedan).
• Handhållen vs. utrustning som kan väga från 40 lbs till långt över 100 lbs.
• Intern strömkälla för instrumentet.

När ett isoleringssystem åldras, eller om isoleringssystemet är förorenat och det påverkar isoleringens integritet, förändras motorns elektriska krets. Eftersom rotorn är en integrerad del av kretsen, reflekteras förändringar i rotorkretsens och isoleringssystemets elektriska integritet direkt genom statorlindningarna också. Detta möjliggör både omedelbar felsökning och långsiktig trendanalys av motorn.

Unik testinformation gör att ALL-TEST Pro-instrumenten kan se tillräckligt många parametrar i isoleringssystemet för att upptäcka och isolera:

• Kortslutna statorlindningar
• Korta rotorfält
• Bruten amortisseur lindningsstänger
• Luftspaltens excentricitet
• Kontaminering av lindning (rotor och stator)
• Fel i jordisolationen

Grundläggande steg för analys av synkronmaskiner med ALL-TEST Pro-instrument

Stegen för att testa synkronmaskiner liknar dem för att utvärdera tillståndet hos standardinduktionsmotorer. Men eftersom det finns fältspolar på motorrotorn krävs ytterligare några steg vid felsökning av ett fel.

Vid provning av en synkronmaskin från motorstyrcentralen eller startmotorn:

• Gör utrustningen spänningslös. Se till att även sekundära kraftkällor är spänningslösa.
• Utför standard ALL-TEST IV PRO™ (nu AT5™) tester på stator genom att följa anvisningarna i instrumentets meny.
• Utvärdera testresultaten (se Förväntade testresultat)
• Om ett fel indikeras, påbörja felsökning:
• Justera rotorns position så mycket som möjligt, upp till 45 grader (om rotorn är svår att vrida går det bra med någon rörelse, men inte mindre än 5 grader)
• Utför testerna igen och granska avläsningarna. Om felet har förskjutits, eller ändrats med mer än en siffra, är det troligt att felet finns i rotorn.
• Om felet förblir stationärt (ändras inte med rotorns läge), koppla bort ledningarna vid motorns kopplingsbox och testa igen. Om ett fel fortfarande indikeras är det troligtvis i statorn, om inte, är det troligtvis i kabeln.

Den genomsnittliga testtiden, utöver felsökning, är cirka 3-5 minuter.

Vid provning av en demonterad synkronmaskin är det viktigt att komma ihåg att mätvärdena kommer att vara mycket annorlunda utan rotorn på plats:

• Utför ALL-TEST IV PRO™ Autotest (AT5
  Z/
  
  
  testläge) på statorn och utvärdera testresultaten. Detta ger en omedelbar indikation på eventuella fel.
• För rotortest:

• Utför autotestet och jämför med en tidigare mätning; eller,

• Utför autotestet och jämför med en “identisk” rotor, eller,
• Utför autotestet över varje fältspole istället för ett spänningsfallstest.
• Alla parametrar för alla tre bör uppfylla utvärderingsgränserna.

På grund av testmetoden kan dessa resultat trendas och jämföras mellan liknande maskiner.

Andra användningsområden för testning av motorkretsar är utvärdering och godkännande samt förebyggande underhåll.

Förväntade testresultat

Som nämnts i det sista avsnittet i detta dokument liknar testresultaten de som hittats i trefasiga induktionsmaskiner. Felmönstren är mycket enkla och gäller oavsett utrustningens storlek, inom testområdet för ALL-TEST Pro Instruments. Nedan följer en kort översikt över testmätningarna och deras resultat för grundläggande felsökning:

• Enkla resistansmätningar: Dessa är en indikator på anslutningar med högt motstånd, lösa anslutningar eller trasiga ledare i kretsen. Detta test är viktigt, särskilt om resistensproblemet är lokaliserat till en enda plats eftersom, baserat på I2R, kommer en resistiv spot att avge en stor mängd värmeenergi (i Watt). Till exempel skulle ett 0,5 Ohm motstånd över en punkt i en krets som utsätts för 100 ampere avge: (100Amps2)(0,5 ohm) = 5 000 watt (5kW) energi. Det är ungefär samma energi som används för att driva en elmotor på 6 hästkrafter.
• Mätning av induktans: Detta är en indikator på den magnetiska styrkan hos en spole och påverkan av andra spolar på en spole. Den påverkas av antalet varv i en krets, spolarnas dimensioner och induktansen hos andra spolar. Detta mått är i sig endast en god indikator på tillståndet hos amortisörens lindning och rotorns excentricitet. Induktans visar bara en kortsluten lindning om den är kraftig.
• Impedansmätning: Detta är mätningen av det komplexa motståndet i kretsen. Den kan, precis som induktansen, användas för att kontrollera amortisörlindningens och rotorns skick. Men när den används tillsammans med induktans kan den användas för att snabbt upptäcka överhettade lindningar och lindningskontaminering. Genom att se förhållandet mellan induktans och impedans mellan varje fas: Om induktansen och impedansen är relativt parallella ligger eventuell induktiv och impedativ obalans i förhållandet mellan rotor och stator (rotorposition); om de inte är parallella är detta ett tecken på ett isoleringsproblem, t.ex. isoleringsbrott eller förorening av lindningen.
• Fasvinkel och I/F (Ström/Frekvens): Dessa är båda indikatorer på isolationsfel mellan varv i stator eller rotor.
• Isolationsresistans: Utvärderar isoleringen mot jord och indikerar endast när isoleringen har brustit.

Rekommendationerna för testgränserna, som beskrivs i “Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers”, är följande:

Tabell 1: Testgränser (topp-till-topp-värden)

*Kan överstiga detta värde om mätningarna är parallella.

Nedan följer en översikt över felsökningsreglerna:

• Korta lindningar:

• Kortslutna lindningar kan utvärderas genom att se fasvinkeln och I/F-avläsningarna från instrumentet på liknande spolar eller mellan faser:
• Fasvinkel (Fi) – Fasvinkeln ska ligga inom 1 siffra från medelvärdet. Till exempel skulle ett värde på 77/75/76 vara bra eftersom det genomsnittliga värdet är 76. Ett värde på 74/77/77 skulle vara dåligt.
• Aktuell frekvensrespons (I/F) – Den aktuella frekvensresponsen bör ligga inom 2 siffror från medelvärdet. Till exempel skulle ett värde på -44/-45/-46 vara bra. Ett värde på -40/-44/-44 skulle vara dåligt. En avläsning som -42/-44/-44 bör dock betraktas som misstänkt.

• Kontaminering av lindning och rotorposition

• Rotorns position i elmotorn kan orsaka en naturlig fasobalans. Föroreningar i lindningen kan också orsaka fasobalanser. Utvärdering av DF kan visa om fasobalansen kommer från rotorn eller förorening.

• Rotorposition – Obalanser i rotorpositionen kan utvärderas genom att se om induktans- och impedansvärdena är rättvist balanserade. Om det t.ex. finns induktanser på 17/18/19 och impedanser på 24/26/29, beror obalansen på rotorns position. Detta kan också vara fallet om induktanserna är 5/5/5 och impedanserna är 8/9/8.
• Kontaminering av lindningar – Detta kan också förekomma i överhettade (brända) lindningar. Dessa förhållanden är resultatet av förändringar i isoleringen på grund av att isoleringssystemet har gått sönder.

Slutsats

Med hjälp av enkla regler och instruktioner är ALL-TEST IV PRO™ (nu AT5™) ett utmärkt verktyg för felsökning och trendmätning av synkrona maskiner. Testet utförs med enkla, icke-förstörande testmätningar som ger en mer fullständig bild av motorns stator- och rotorkrets än något annat test. Testutvärderingen är enkel och direkt, oavsett utrustningens storlek eller typ.

Bibliografi

• Riktlinjer för elektronisk analys av statiska lindningskretsar i roterande maskiner och transformatorer, BJM Corp, ALL-TEST Division, 2001.
• Penrose, Howard W. Analys av motorkretsar: Teori, tillämpning och energianalys, SUCCESS by DESIGN, 2001.