Pulsbreddsmodulerad feldetektering av motordrift med hjälp av analys av elektriska signaturer

Industrins användning av motorstyrningar för växelströmsmotorer fortsätter att öka och pulsbreddsmodulerade styrningar (PWM) har blivit den vanliga industristandarden för applikationer med låg till medelhög hästkraft. Precis som de andra komponenterna i motorsystemet har PWM-enheten olika felfunktioner och för felsökning använder en elektriker ofta en digital multimeter (DMM), ett digitalt oscilloskop och en elkvalitetsanalysator. Dessa tre instrument gör det möjligt för elektrikern att felsöka problem relaterade till inkommande ström och motorstyrningen, men erbjuder begränsad kapacitet för felsökning inom själva motorn och motorns drivna last. Eftersom dessa instrument är separata och kan erbjuda begränsad rapporteringskapacitet kan det dessutom vara svårt att testa för prediktivt underhåll (PdM) eller tillståndsbaserat underhåll (CBM).

Det är här som ESA (Electrical Signature Analysis) erbjuder tydliga fördelar jämfört med DMM, oscilloskop och elkvalitetsanalysatorer för tillförlitlighetstestning. Förutom att utvärdera tillståndet för den inkommande strömmen och motordrivningen, kommer den också att utvärdera tillståndet för motorn och den drivna lasten för många vanliga feltillstånd.

Om ESA

ESA är en on-line testmetod där spännings- och strömvågformer registreras medan motorsystemet är igång och sedan, via en Fast Fourier Transform (FFT), görs en spektralanalys via den medföljande programvaran. Från denna FFT upptäcks fel som är relaterade till inkommande ström, styrkretsen, själva motorn och den drivna lasten och kan sedan trendas för CBM/PdM-ändamål. Vårt ESA-instrument är handhållet, bärbart och batteridrivet.

Alla ESA:s analyssystem kräver information från motorns märkskylt om spänning, varvtal, fullastström och hästkrafter (eller kW). För en mer detaljerad och exakt analys kan man dessutom ange valfri information, t.ex. antal rotor- och statorspår, lagerdelsnummer och information om komponenter för driven last, t.ex. antal blad för en fläkt eller antal kuggar för en växellådsapplikation.

Eftersom ESA är nytt för många människor finns nedan ett diagram som illustrerar de allmänna fel som ESA upptäcker. Se figur 1.

I denna artikel diskuteras tre vanliga fel med en PWM-frekvensomriktare:

1) En öppen ingångsdiod i likriktarbryggan.

2) Felaktiga kondensatorer i den mellanliggande likströmskretsen.

3) Dålig IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Av dessa tre är kondensatorfel svårast att upptäcka tidigt, eftersom det inte finns några omedelbara tecken på detta tillstånd vid övervakning av motorns prestanda.

Om frekvensomriktaren

Figur 2 illustrerar de grundläggande blocken i en PWM-motordrivning: inkommande växelström, fullvågsdiodbrygga som likriktar den inkommande växelspänningen, mellanliggande likströmskrets som innehåller kondensator(er), växelriktarbrygga och motor.

Vid provning med ESA görs spännings- och strömanslutningar till det motorsystem som provas. Detta görs normalt vid motorstyrcentralen och anslutningarna görs med hjälp av medföljande portabla spänningsprovare och portabla strömtransformatorer eller genom tidigare installerade speciella anslutningsboxar. Fördelen med kopplingsboxen är att man kan ta emot data utan att behöva öppna motorns kontrollpanel för att göra de nödvändiga anslutningarna.

Med PWM-tillämpningar bör två uppsättningar data tas fram, en vid PWM-enhetens ingång och den andra vid PWM-enhetens utgång. Hela datainsamlingsprocessen (efter att anslutningarna har gjorts) tar ca 4 minuter och ingen information om motorns märkskylt krävs vid denna tidpunkt. Denna information kan matas in senare när dataanalysen utförs.

Datafilerna visas sedan med den medföljande programvaran och en Microsoft® Word-rapport genereras. Programvaran innehåller lättanvända verktyg för att arbeta med de olika analysspektra. Programvaruresultat kan ses utan att generera den fullständiga rapporten.

Programvaran rapporterar automatiskt följande:

Effektfaktor, strömobalans, spänningsobalans och RMS-spänning till märkplåt, belastning till märkplåt, fasanslutning, rotorhälsa, elektrisk och mekanisk hälsa hos stator, luftgap rotor/stator, total harmonisk distorsion (spänning och ström), indikationer på felinställning/obalans samt lagerhälsa.

Den rapporterar även spänning och ström, topp- och krökfaktor, fasimpedans, effekt (skenbar, verklig och reaktiv), körhastighet och linjefrekvens. För AC-induktionsmotorer och DC-motorer beräknar den även motorns verkningsgrad.

En genomsnittligt skicklig användare kan köra en fullständig analys och generera en rapport på mindre än 10 minuter per motor.

Fall ett

Fall nummer ett är en motordriven enhet som togs emot på EMA Inc:s serviceanläggning i Cortland, NY. Frekvensomriktaren och motorn kördes på en dynamometer för testning.

Två datauppsättningar samlades in. Den första är en vågformsupptagning vid ingången till frekvensomriktaren och den andra uppsättningen togs vid utgången från frekvensomriktaren. Den andra datauppsättningen innehåller en registrering av spännings- och strömvågformer, plus 50 sekunder av spännings- och strömvågformer.

Figur 6 visar den inkommande strömvågformen för fas C. Notera att de negativa topparna saknas. Detta orsakas av en öppen diod.

ESA:s automatiskt genererade rapport identifierar både obalans i strömmen och överdriven harmonisk distorsion, som orsakas av den öppna dioden.

Denna första sida av rapporten är endast en sammanfattning och det finns ytterligare sidor som innehåller detaljer för varje huvudämnesrubrik. En stor fasobalans, som här, skadar PWM-enhetens interna komponenter och kan stressa matningstransformatorn som matar motordrivningen

Fall två

Fall nummer två mottogs av EMA för reparation och involverar åldrande kondensatorer i kondensatorbatteriet. Problemet är att när dessa kondensatorer börjar åldras och försämras kommer motorns prestanda inte att ge några tydliga indikationer. När kondensatorerna börjar gå sönder leds ytterligare ström av de fungerande kondensatorerna, vilket skapar överdriven värme i kondensatorerna, och den ytterligare värmen påskyndar nedbrytningen av de återstående kondensatorerna. Dessa kondensatorer har ventilationsöppningar för att avleda övertryck inuti, men det är möjligt för dessa kondensatorer att explodera om de inte ventileras tillräckligt snabbt. Dessutom kommer den överdrivna rippelspänningen som matas till motorn att leda till att harmonisk ström dras av motorn. Dessa harmoniska strömmar skapar ett negativt sekvensmoment, dålig motorprestanda och ytterligare skadlig värmeutveckling inuti motorn.

Figur 9 visar spänningen vid frekvensomriktarens utgång och detta gäller för en bra frekvensomriktare med kondensatorer i gott skick.

Fall tre

Fall nummer tre mottogs av EMA för reparation. Utgångsvågformen visar en IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) som inte slår på. Detta skapar både en obalans i strömmen och en förvrängning av vågformen.

Slutsats

Sammanfattningsvis ger DMM, oscilloskop och elkvalitetsinstrument god felsökningskapacitet för PWM-motordrifter. De kan dock inte integreras väl i ett tillförlitlighetsprogram för testning av elmotorer på grund av begränsningar i datainsamling och rapportering. Dessutom ger de lite information om vanliga motor- och lastrelaterade problem.

Med elektrisk signaturanalys kan tillförlitlighetsteknikern se hela motorsystemet från den inkommande strömmen till den drivna lasten. Med PWM-applikationer tar datainsamlingen mindre än 4 minuter efter att spännings- och strömanslutningarna har gjorts. Från denna 4-minuters testprocess kan en fullständig 8-analys snabbt identifiera problem som felaktiga likriktardioder, dåliga DC-busskondensatorer och felaktiga IGBT:er innan driv- eller motorfel har orsakat att motorsystemet har gått sönder.

Det är viktigt att notera att i alla tre fallen kan motorn fortfarande vara i drift, beroende på belastning och andra driftfaktorer, men säkerheten för att systemet fortsätter att fungera äventyras. ESA:s förmåga att identifiera dessa fel tidigt, innan ytterligare skador på motorn eller PWM-enheten uppstår, kommer att bidra till att minimera dyra driftstopp, öka utrustningens tillförlitlighet och eventuellt förhindra katastrofala skador på utrustningen eller personskador.

Om författarna

Richard Scott är nationell försäljningschef och Don Haapapuro, CMRP, är Key Account Manager för ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro är en tillverkare av portabel testutrustning för motorkretsanalys (MCA), elektrisk signaturanalys (ESA) och elkvalitetsanalys (PQ) som används för förebyggande underhållstestning, kvalitetskontroll och felsökning av elmotorer, generatorer, transformatorer, spolar och lindningar. ALLTEST PRO® MCA-instrument ger tidig upptäckt av elektriska fel, inklusive: lindningsfel, fasobalans, rotorfel och jordfel. ALL-TEST PRO® ESA och PQ ger automatisk analys från inkommande kraft, elmotorn, genom den drivna lasten, både elektrisk och mekanisk. Instrumenten är handhållna, batteridrivna, lättanvända och kan testa i stort sett alla storlekar och typer av elmotorer, generatorer och transformatorer, även på avlägsna platser. Webbplatsen är www.alltestpro.com.

Dean Williams är Vice President of Technical Services för EMA, Inc och han arbetar från servicecentret i Cortland, NY. EMA säljer och underhåller motorstyrningar samt utbildar i korrekt felsökning av motorstyrningar. Webbplatsen är www.emainc.net.

Microsoft® Word är ett registrerat varumärke som tillhör Microsoft Corporation.

Copyright © 2008 ALL-TEST Pro, LLC Alla rättigheter förbehållna