Tillämpningar för analys av motorströmssignaturer (MCSA)

Tekniken för motordiagnostik har blivit ännu vanligare under 1990-talet och in på det nya århundradet. Tekniken omfattar både motorkretsanalys (MCA) och motorströmssignaturanalys (MCSA) som tillämpas på både spänningssatta och spänningslösa elmotorsystem. Tillämpningarna verkar vara nästan oändliga.

De system som ingår i detta dokument är motorkretsanalysatorn ALLTEST IV PRO 2000, strömsignaturanalysatorn ALL-TEST PRO OL, motorstyrningsprogrammet EMCAT, Power System Manager och programvaran ATPOL MCSA. I ALL-TEST PRO MD-kitet ingår integration av alla dessa system samt programvaran MotorMaster Plus från det amerikanska energidepartementet. Syftet med detta dokument är att betona MCSA-tillämpningen av ALL-TEST PRO MD-systemet som upprätthåller följande:

• MCA-mätningar av resistans, impedans, induktans, fasvinkel, ström/frekvensrespons och mätning av isolation till jord (MegOhm).
• MCSA-kapacitet för spännings- och strömdemodulering, inklusive FFT-analys till 5 kHz.
• Automatiserade analys- och trendfunktioner för både MCA och MCSA via programvara.
• Fullständig dataloggning och analys av elkvalitet, inklusive omedelbar registrering av trefashändelser.

De exempel som finns i detta dokument omfattar många av de potentiella tillämpningar som är tillgängliga genom implementering av teknik för motordiagnostik.

Provning av rotorbalkar

Det grundläggande syftet bakom den ursprungliga utvecklingen av MCSA-tekniken var att upptäcka fel i rotorbalken. Rotorbalkar är svåra att bedöma med traditionella testmetoder, inklusive vibrationsanalys. Det fastställdes att en metod som använder ström skulle kunna användas för att utvärdera rotorstängernas skick. Grundregeln är enkel: Sidoband med polpassfrekvens runt den grundläggande ledningsfrekvensen, när motorn är belastad, indikerar problem med rotorn. Standardregeln har varit att problem med rotorbarren är allvarliga när sidbandstopparna närmar sig inom 35 dB från linjefrekvensens topp.

Figur 1: Rotorstångens frekvenser

Exemplet i figur 1 visar sidband på ca -40 dB från den högsta linjefrekvensen. Detta skulle tyda på minst ett brutet rotorblad i denna 500 HP, 4160 Volt motor på en kompressor.

Figur 2 är ett exempel på en av två möjliga
scenarier:

• Gjutning av hålrum i en aluminiumrotor.
• Mjuk tand (eller tänder) i en utväxlad applikation.

Figur 2: Gjuthål eller “mjuk” kuggtand

Med hjälp av högfrekventa FFT-analyser av demodulerad spänning och ström kan problem som dynamisk och statisk excentricitet, lösa rotorskenor och andra rotorrelaterade fel upptäckas.

Figur 3: Rotorns gnidning vid nollbelastning

Uppgifterna i Figur 3 avser en dränkbar pump på 7,5 hästkrafter, 1800 varv/min, som testats torr utan belastning. Rotorn gnuggade något mot statorkärnan vilket identifierades som statisk och dynamisk excentricitet med flera strömtoppar som visas.

Provning av induktionsmotorer

En- och trefasmotorer kan utvärderas med en kombination av demodulerad spänning och ström. En särskild regel, och styrka, hos en
kombination av spänning och ström, är att om topparna visas i spänning och ström är felet av elektrisk natur, om toppen visas i ström, men inte spänning, är problemet av mekanisk natur. En annan fördel med att utvärdera system med MCSA är att du kan upptäcka strömförsörjnings- och belastningsrelaterade fel.

Figur 4: Mekaniskt fel på stator

Som du kan se i figur 4 identifieras toppar i strömmen, men visas inte i spännings-FFT:en. Detta indikerar att mekaniska fel föreligger. Eftersom de är relaterade till varvtalet och antalet statorspår är det ett mekaniskt fel som är relaterat till lindningarna. Flera andra toppar med enbart ström finns, vilket indikerar belastningsrelaterade fel, i detta fall troligen ett växellådsproblem (notera att detta är högfrekvensdata som relateras till figur 2).

Figur 5: Mekanisk obalans

Motorn som visas i figur 5 hade en mekanisk obalans. Signaturen framträder som ett mönster med två gånger linjefrekvens (LF), fyra gånger linjefrekvens och två gånger linjefrekvens. I det här fallet har rotorn en högre hastighet med LF-sidoband och det återstående mönstret visas.

Provning av likströmsmotorer

DC-motorer utvärderas på ett liknande sätt som vibrationer. Faktum är att signaturerna är desamma i vibration som i MCSA. DC-spänningen och DC-strömmen tas från armaturkretsen.

Figur 6: Fel på DC-frekvensomriktare

I fallet med figur 6, flera övertoner av nätfrekvensen plus flera övertoner av antalet kraftelektronik (SCR) gånger nätfrekvensen (360 Hz, i detta fall), indikerar ett SCR-fel eller en lös anslutning. Detta kan bekräftas genom att titta på spännings- och frekvensrippel i lågfrekvensdata.

Provning av synkron växelströmsgenerator

Synkrona generatorer kan också utvärderas snabbt och enkelt med hjälp av demodulerad spänning och ström. I följande exempel löste en växelströmsgenerator ut på grund av hög temperatur. Både MCA och MCSA användes för att utvärdera systemet.

Figur 7: MCSA-data för synkron växelströmsgenerator (lågfrekvent)

Figur 8: Dynamisk excentricitet för växelströmsgenerator

Generatorn som testades visade en ökning av excentriciteten under en 40 minuters testkörning, rotationsfältsfel och vissa elektriska felsignaturer. Denna information kombinerades med MCA-data som indikerade en kortslutning i lindningen, en kortslutning i kabeln och en betydande minskning av isolationsresistansen under den korta dellastkörningen. Generatorn var en 475 kW, 480 Vac generator som krävde tre parallella kablar per fas. Det finns ett antal alternativ med ATPOL-systemet för större kablar. I nödfall användes dock en av vardera av de tre kablarna i varje fas, så strömvärdena var ungefär 1/3-del.

Figur 9: Strömanslutning för växelströmsgenerator

Frekvensomriktare med variabel frekvens

Variabla frekvensomriktare har varit en utmaning för ett antal MCSA-system. När det gäller ATPOL är detta dock inget problem. Utgångsspänningen och strömsignalerna kan visas (Figur 10).

Figur 10: VFD-spänning och strömvågformer (0,05 sekunders registrering)

Figur 11: VFD-data för låg frekvens

I figur 11, som är lågfrekvensdata (<120 Hz) för samma system som figur 10, visas att frekvensomriktarens utgående nätfrekvens är 43 Hz och att drifthastigheten för motorn med 3600 varv/min är 2570 varv/min.

Figur 12: VFD-data för hög frekvens

Som kan noteras i figur 12 indikerar starka spännings- och strömtoppar fel relaterade till motorsystemet. En del av det extra bullret beror helt och hållet på de spännings- och strömvågformer som kommer från VFD-enheten. Programvaran placerar dock automatiskt ut markörer som är relaterade till olika fel i vågformerna.

Figur 13: Särskild analys av toppvärden

Figur 13 visar samma data, men med de högsta spänningarna och strömmarna visade. Strömmarna med högre frekvens indikerar problem relaterade till spänningsharmonikerna, som visas i den nedre vågformen. Alla kombinerade data visar på ett problem relaterat till inkommande spänning. Vid testning vid 46 Hz blev problemet mer påtagligt och pekade på ett potentiellt fel i försörjningssystemet som blir påtagligt vid över 45 Hz.

Lösningen skulle kunna lindras med filtrering av VFD-enhetens utgång.

Stanspress med motor och virvelströmsdrivning

Det kompletta motorsystemet kan visas, inklusive den drivna lasten.

Figur 14: Laddningscykel för stansmaskin

Figur 14 visar den aktuella cykeln under 10 sekunder. Topp A är en av tre toppar i denna cykel som relaterar till punch (botten) av pressslaget medan punkt C är relaterad till toppen av slaget. Punkt B identifierar någon typ av problem med gnidning eller grepp när systemet närmade sig toppen av stroke. De tre nedersta strecken hjälper till att identifiera att operationen sker 18 gånger per minut.

Figur 15: Sidoband för motorrelaterad linjefrekvens

Figur 15 visar ett högt “brusgolv” och många sidband runt den högsta LF-frekvensen. Detta, tillsammans med högfrekvensdata, hjälper till att peka ut riktningen mot lasten.

Figur 16: Högfrekvensdata för virvelströmskoppling

Figur 16 visar att det finns ett anslutnings- och/eller SCR-fel i DC-matningsspänningen från likriktaren (sex SCR:er). Topparna i den höga
frekvensspektrum identifierar också fel i virvelströmsdrivningen och själva stanspressen, troligen glapp i systemet (relaterade signaturer visar förhöjda ljudnivåer).

MCSA och energitillämpningar

De automatiserade rapporterings- och dataloggningsfunktionerna i ATPOL-systemet omfattar även möjligheten att arbeta tillsammans med det amerikanska energidepartementets programvara MotorMaster Plus.

Ytterligare funktioner finansierades för att inkluderas i MotorMaster Plus av ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors och Pruftechnik för att göra det möjligt att inkludera motordiagnosinformation för analys. Genom att använda både MCA och MCSA kan användaren utvärdera en elmotors skick och sedan fatta ett energirelaterat beslut om reparation eller utbyte med en bekräftbar avkastning på investeringen.

En motor med 40 hästkrafter och 1800 varv/min som testades med MCSA visade t.ex. vissa mekaniska och elektriska fel. Uppgifterna införlivades i en MotorMaster Plus-rapport och driftsfrekvensen fastställdes till 91,5 % effektiv vid 90 % belastning. Med en energikostnad på 0,07 USD/kWh och en efterfrågan på 14 USD/kW, med 2000 (1 skift) i drift per år, identifierades en ersättande premiumeffektiv elmotor med 0,9 års enkel återbetalning och 866% avkastning på investeringen efter skatt.

Data kan också användas av US Department of Energy’s Pump System Assessment Tool (PSAT), AirMaster och andra verktyg.

Motordiagnostik – ALL-TEST PRO MD System

Den kombinerade kraften hos MCA och MCSA som finns i ALL-TEST PRO MD-satsen, integrerad genom EMCAT Motor Management Software-systemet, gör det möjligt att
användaren att utföra följande:

• Automatiserad analys av både MCA- och MCSA-data.
• Payback-beräkning med hjälp av programvarusystemen Power System Manager och MotorMaster Plus.
• Driftsättning av elektriska maskiner
• Felsökning av elektriska maskiner
• Trending av elektriska maskiner
• Orsaksanalys av elektriska maskiner
• Komplett systemvy av den elektriska och mekaniska hälsan
• Utvärdering av AC/DC-system, belastningar genom system med “mjuk koppling” (t.ex. virvelströmsomriktare)
• Energistudier och undersökningar.
• Stöder andra diagnostiska tekniker som vibration, infraröd och mer.

Allt via ett enkelt system för motordiagnostik. Data kan samlas in med hjälp av de handhållna datainsamlarna eller genom “fjärrstyrningsfunktionen” via en dator eller bärbar dator (systemet kan fjärrstyras från en datorskärm).

Slutsats

Syftet med denna vitbok från ALL-TEST Pro var att presentera MCSA-funktionerna i MD-motordiagnostiksystemet ALL-TEST PRO.
De funktioner som demonstreras går långt utöver den enkla analysen av induktionsmotorer och inkluderar:

• AC-motorer och växelströmsgeneratorer
• DC-motorer och generatorer
• En- och trefasiga system
• Virvelströmsmotorer
• Frekvensomriktare med variabel frekvens
• Inkommande elkvalitet
• Driven last
• Mycket mer

Möjligheterna har gått långt utöver de som nämns i detta dokument.

Ytterligare artiklar kommer att presenteras som identifierar möjligheter med hjälp av elkvalitet, MCA, MCSA och belastningsrelaterad feldetektering.