การตรวจจับความผิดปกติของมอเตอร์ไดรฟ์แบบปรับความกว้างพัลส์โดยใช้การวิเคราะห์ลายเซ็นไฟฟ้า

การใช้มอเตอร์ไดรฟ์สำหรับมอเตอร์ AC ของอุตสาหกรรมยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง และไดรฟ์แบบปรับความกว้างพัลส์ (PWM) ได้กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมทั่วไปสำหรับการใช้งานที่มีแรงม้าต่ำถึงปานกลาง เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่นๆ ภายในระบบมอเตอร์ ไดรฟ์ PWM มีโหมดความล้มเหลวที่แตกต่างกัน และเพื่อวัตถุประสงค์ในการแก้ไขปัญหา ช่างไฟฟ้ามักใช้มัลติมิเตอร์แบบดิจิทัล (DMM) ออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล และเครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้า เครื่องมือทั้งสามนี้ช่วยให้ช่างไฟฟ้าสามารถแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับพลังงานขาเข้าและตัวขับเคลื่อนมอเตอร์ แต่มีขีดความสามารถที่จำกัดในการตรวจจับข้อผิดพลาดภายในตัวมอเตอร์และโหลดที่ขับเคลื่อนของมอเตอร์ นอกจากนี้ เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้แยกจากกันและอาจให้ความสามารถในการรายงานที่จำกัด การทดสอบเพื่อการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ (PdM) หรือการบำรุงรักษาตามเงื่อนไข (CBM) อาจเป็นเรื่องยาก

นี่คือจุดที่ การวิเคราะห์ลายเซ็นทางไฟฟ้า (ESA) มีข้อได้เปรียบเหนือ DMM, ออสซิลโลสโคป และเครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้าอย่างชัดเจนเพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบความน่าเชื่อถือ นอกจากนี้ นอกเหนือจากการประเมินสภาพของกำลังขาเข้าและตัวขับเคลื่อนมอเตอร์แล้ว ยังจะประเมินสภาพของมอเตอร์และโหลดที่ขับเคลื่อนสำหรับโหมดความล้มเหลวทั่วไปหลายรูปแบบอีกด้วย

เกี่ยวกับอีเอสเอ

ESA เป็นวิธีการทดสอบออนไลน์ที่บันทึกรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าและกระแสในขณะที่ระบบมอเตอร์กำลังทำงาน จากนั้นทำการวิเคราะห์สเปกตรัมผ่านซอฟต์แวร์ที่ให้มาผ่านการแปลงฟูเรียร์แบบเร็ว (FFT) จาก FFT นี้ ข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับกำลังขาเข้า วงจรควบคุม ตัวมอเตอร์เอง และโหลดที่ขับเคลื่อนจะถูกตรวจพบ จากนั้นจึงสามารถคาดการณ์ได้สำหรับจุดประสงค์ CBM/PdM เครื่องมือ ESA เฉพาะของเราเป็นแบบมือถือ แบบพกพา และใช้แบตเตอรี่

ระบบการวิเคราะห์ ESA ทั้งหมดต้องการข้อมูลป้ายชื่อมอเตอร์เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า ความเร็วในการทำงาน กระแสโหลดเต็ม และแรงม้า (หรือ kW) นอกจากนี้ สามารถป้อนข้อมูลเสริม เช่น แท่งโรเตอร์และจำนวนช่องสเตเตอร์ หมายเลขชิ้นส่วนแบริ่ง และข้อมูลสำหรับส่วนประกอบโหลดที่ขับเคลื่อน เช่น จำนวนใบมีดสำหรับพัดลมหรือจำนวนฟันสำหรับการใช้งานกล่องเกียร์ เพื่อการวิเคราะห์ที่ละเอียดและแม่นยำยิ่งขึ้น

เนื่องจาก ESA ยังใหม่สำหรับคนจำนวนมาก ด้านล่างนี้คือแผนภูมิที่แสดงให้เห็นถึงข้อบกพร่องทั่วไปที่ ESA ตรวจพบ ดูรูปที่ 1

บทความนี้จะกล่าวถึงข้อผิดพลาดทั่วไปสามประการกับไดรฟ์ PWM:

1) ไดโอดอินพุตแบบเปิดในบริดจ์วงจรเรียงกระแส

2) ตัวเก็บประจุล้มเหลวในวงจร DC ระดับกลาง

3) ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกทหุ้มฉนวนไม่ดี (IGBT)

ในบรรดาตัวเก็บประจุทั้งสามตัวที่ชำรุดนั้นตรวจพบได้ยากที่สุดตั้งแต่เนิ่นๆ เนื่องจากไม่มีสัญญาณของสภาวะนี้ในทันทีโดยการตรวจสอบประสิทธิภาพของมอเตอร์

เกี่ยวกับไดรฟ์

รูปที่ 2 แสดงบล็อกพื้นฐานของไดรฟ์มอเตอร์แบบ PWM ซึ่งรวมถึงไฟ AC ขาเข้า สะพานไดโอดแบบเต็มคลื่นที่แก้ไขแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า วงจร DC ระดับกลางที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุ สะพานอินเวอร์เตอร์ และมอเตอร์

เมื่อทดสอบกับ ESA จะมีการเชื่อมต่อแรงดันและกระแสกับระบบมอเตอร์ที่กำลังทดสอบ โดยปกติจะทำที่ศูนย์ควบคุมมอเตอร์ และการเชื่อมต่อทำได้โดยใช้โพรบแรงดันไฟฟ้าแบบพกพาและหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบพกพาที่จัดมาให้ หรือโดยกล่องเชื่อมต่อพิเศษที่ติดตั้งไว้ก่อนหน้านี้ ข้อดีของกล่องเชื่อมต่อคือความสามารถในการรับข้อมูลโดยไม่ต้องเปิดแผงควบคุมมอเตอร์เพื่อทำการเชื่อมต่อที่จำเป็นเหล่านี้

ด้วยแอปพลิเคชัน PWM ควรใช้ข้อมูลสองชุด ชุดหนึ่งที่อินพุตไปยังไดรฟ์ PWM และอีกชุดหนึ่งที่เอาต์พุตของไดรฟ์ PWM กระบวนการรวบรวมข้อมูลทั้งหมด (หลังจากทำการเชื่อมต่อแล้ว) ใช้เวลาประมาณ 4 นาที และไม่จำเป็นต้องมีข้อมูลป้ายชื่อมอเตอร์ในตอนนี้ ข้อมูลนี้สามารถป้อนได้ในภายหลังเมื่อทำการวิเคราะห์ข้อมูล

จากนั้นไฟล์ข้อมูลจะถูกดูโดยใช้ซอฟต์แวร์ที่ให้มา และสร้างรายงาน Microsoft® Word ซอฟต์แวร์นี้มีเครื่องมือที่ใช้งานง่ายสำหรับการทำงานกับสเปกตรัมการวิเคราะห์ต่างๆ สามารถดูการค้นพบซอฟต์แวร์ได้โดยไม่ต้องสร้างรายงานฉบับเต็ม

ซอฟต์แวร์จะรายงานสิ่งต่อไปนี้โดยอัตโนมัติ:

ปัจจัยกำลัง, ความไม่สมดุลของกระแส, แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลและแรงดัน RMS บนแผ่นป้าย, โหลดไปยังแผ่นป้าย, การเชื่อมต่อเฟส, สุขภาพของโรเตอร์, สุขภาพทางไฟฟ้าและทางกลของสเตเตอร์, ช่องว่างอากาศของโรเตอร์/สเตเตอร์, ความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวม (แรงดันและกระแส), การแสดงแนวที่ไม่ตรง/ไม่สมดุล และ สุขภาพแบริ่ง

นอกจากนี้ยังรายงานแรงดันและกระแสสูงสุดและปัจจัยยอด ความต้านทานของเฟส กำลัง (ปรากฏ จริงและปฏิกิริยา) ความเร็วในการทำงาน และความถี่ของเส้น สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับและมอเตอร์กระแสตรง มันจะคำนวณประสิทธิภาพของมอเตอร์ด้วย

ผู้ใช้ที่มีทักษะโดยเฉลี่ยสามารถเรียกใช้การวิเคราะห์แบบเต็มและสร้างรายงานได้ภายในเวลาไม่ถึง 10 นาทีต่อมอเตอร์หนึ่งตัว

กรณีที่หนึ่ง

กรณีที่หนึ่งคือมอเตอร์ไดรฟ์ที่ได้รับที่ศูนย์บริการ EMA Inc, Cortland, NY ไดรฟ์และมอเตอร์ทำงานบนไดนาโมมิเตอร์เพื่อทำการทดสอบ

มีการรวบรวมชุดข้อมูลสองชุด ประการแรกคือการจับรูปคลื่นเฉพาะที่อินพุตไปยังไดรฟ์ จากนั้นชุดที่สองจะถูกจับที่เอาต์พุตของไดรฟ์ ชุดข้อมูลชุดที่สองประกอบด้วยการจับรูปคลื่นของแรงดันและกระแส บวกกับรูปคลื่นของแรงดันและกระแสเป็นเวลา 50 วินาที

รูปที่ 6 แสดงรูปคลื่นกระแสขาเข้าสำหรับเฟส C โปรดทราบว่ายอดลบหายไป สาเหตุเกิดจากไดโอดเปิด

รายงานที่สร้างโดยอัตโนมัติของ ESA จะระบุทั้งความไม่สมดุลในปัจจุบันและการบิดเบือนฮาร์มอนิกที่มากเกินไป ซึ่งมีสาเหตุจากไดโอดแบบเปิด

หน้าแรกของรายงานนี้เป็นเพียงการสรุปเท่านั้น และยังมีหน้าเพิ่มเติมที่ให้รายละเอียดสำหรับหัวเรื่องหลักแต่ละหัวเรื่อง ความไม่สมดุลของเฟสกระแสขนาดใหญ่ ดังที่เห็นในที่นี้ จะทำให้ส่วนประกอบภายในของไดรฟ์ PWM เสียหาย และอาจทำให้หม้อแปลงจ่ายกำลังป้อนมอเตอร์ขับเคลื่อน

กรณีที่ 2

EMA ได้รับเคสหมายเลขสองสำหรับการซ่อมแซมและเกี่ยวข้องกับตัวเก็บประจุที่เสื่อมสภาพในธนาคารตัวเก็บประจุ ปัญหาคือเมื่อตัวเก็บประจุเหล่านี้เริ่มมีอายุและเสื่อมสภาพ ประสิทธิภาพของมอเตอร์จะไม่สามารถบ่งชี้ที่ชัดเจนได้ เมื่อตัวเก็บประจุเริ่มเสียหาย กระแสไฟฟ้าเพิ่มเติมจะถูกพาไปโดยตัวเก็บประจุที่ดี ซึ่งสร้างความร้อนมากเกินไปในตัวเก็บประจุ และความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะเร่งความล้มเหลวของตัวเก็บประจุที่เหลืออยู่ ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีช่องระบายอากาศเพื่อกระจายแรงดันที่มากเกินไปภายใน แต่ตัวเก็บประจุเหล่านี้อาจระเบิดได้หากระบายอากาศไม่เร็วพอ นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าระลอกที่มากเกินไปที่จ่ายให้กับมอเตอร์จะทำให้กระแสฮาร์มอนิกถูกดึงโดยมอเตอร์ กระแสฮาร์มอนิกเหล่านี้จะสร้างแรงบิดลำดับเชิงลบ ประสิทธิภาพของมอเตอร์ต่ำ และความร้อนที่สร้างความเสียหายเพิ่มเติมที่สะสมอยู่ภายในมอเตอร์

รูปที่ 9 แสดงแรงดันไฟฟ้าที่เอาท์พุตของไดรฟ์ และนี่คือสำหรับไดรฟ์ที่ดีที่มีตัวเก็บประจุอยู่ในสภาพดี

 

กรณีที่สาม

EMA received case number 3 for repair. The output waveform showed an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) that was not open. This caused both current imbalance and waveform distortion.

Summary

In summary, DMMs, oscilloscopes, and power quality measurement tools provide good troubleshooting capabilities for PWM motor drives. However, they cannot be effectively integrated into electric motor reliability testing programs due to limitations in data collection and reporting. Furthermore, they offer limited information on common motor and load problems.

Electrical signature analysis allows reliable technicians to visualize the entire motor system from the incoming power through the driven load. With PWM applications, data collection takes less than 4 minutes after voltage and current connections are established. From this 4-minute test process, eight analyses can quickly identify problems such as failed rectifier diodes, bad DC bus capacitors, and failed IGBTs before the drive or motor fails completely, leading to system failure.

It is important to note that in all three cases, the motor may continue to operate depending on the load and other operating factors, but the reliability of the system to continue operating will be reduced. The ESA’s ability to identify these faults early, before further damage occurs to the motor or PWM drive, will help reduce costly downtime, increase equipment reliability, and potentially prevent serious equipment damage or potential personnel injury.

 

About the author

Richard Scott is the National Sales Manager, and Don Haapapuro, CMRP, is the Primary Account Manager for ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro manufactures portable testing equipment for Motor Circuit Analysis (MCA), Electrical Signature Analysis (ESA), and Power Quality Analysis (PQ) used for predictive maintenance testing, quality control, and troubleshooting of electric motors, generators, transformers, windings, and coils. ALL-TEST PRO® MCA instruments provide early detection of electrical faults, including: winding faults, phase imbalance, rotor faults, and ground faults. ALL-TEST PRO® ESA and PQ instruments provide automated analysis from the input power of electric motors through electrically and mechanically driven loads. The instruments are handheld, battery-operated, easy to use, and will test electric motors, generators, or transformers of any size or type, even from remote locations. The website is www.alltestpro.com.

Dean Williams is Vice President of Technical Services for EMA, Inc., and he works at their service center in Cortland, New York. EMA sells and services motor drives, along with training to properly troubleshoot motor drive problems. Their website is www.emainc.net.

Microsoft® Word is a registered trademark of Microsoft Corporation.

Copyright © 2008 ALL-TEST Pro, LLC. All rights reserved.