การทดสอบดัชนีโพลาไรเซชันของมอเตอร์ไฟฟ้าแซงหน้าด้วยวิธีสมัยใหม่แล้ว

สำหรับการทดสอบมอเตอร์ไฟฟ้า ดัชนีโพลาไรเซชัน (PI) เป็นการวัดความต้านทานของระบบฉนวนที่เพิ่มขึ้น (หรือลดลง) เมื่อเวลาผ่านไป

ในขณะที่การทดสอบ PI ได้รับการพิจารณาว่าเป็นการทดสอบเบื้องต้นเมื่อประเมินสภาพของฉนวนของมอเตอร์ แต่กระบวนการของมันกลับล้าสมัยเมื่อเทียบกับวิธีการทดสอบใหม่ๆ ที่ให้การประเมินการวินิจฉัยที่ครอบคลุมมากขึ้นสำหรับสุขภาพโดยรวมของมอเตอร์

บทความนี้ให้ความเข้าใจเชิงปฏิบัติเกี่ยวกับระบบฉนวนของมอเตอร์ ความเข้าใจพื้นฐานของการทดสอบดัชนีโพลาไรเซชัน และวิธีการทดสอบมอเตอร์สมัยใหม่ที่ให้ผลลัพธ์ที่ครอบคลุมมากขึ้นโดยใช้เวลาน้อยลง

ดัชนีโพลาไรเซชัน (PI)

การทดสอบดัชนีโพลาไรเซชัน (PI) เป็นวิธีการทดสอบมอเตอร์ไฟฟ้ามาตรฐานที่พัฒนาขึ้นในปี 1800 โดยพยายามตรวจสอบสภาพของฉนวนขดลวดของมอเตอร์

แม้ว่าการทดสอบ PI จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับระบบฉนวนผนังกราวด์ (GWI) ที่มักติดตั้งก่อนทศวรรษ 1970 แต่ก็ไม่สามารถระบุสภาพที่แม่นยำของฉนวนขดลวดในมอเตอร์สมัยใหม่ได้

การทดสอบ PI เป็นการใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (โดยทั่วไปคือ 500V – 1000V) กับขดลวดของมอเตอร์เพื่อวัดประสิทธิภาพของระบบ GWI ในการจัดเก็บประจุไฟฟ้า

เนื่องจากระบบ GWI สร้างความจุตามธรรมชาติระหว่างขดลวดมอเตอร์และโครงมอเตอร์ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้จะถูกเก็บไว้เป็นประจุไฟฟ้าเช่นเดียวกับตัวเก็บประจุใดๆ

เมื่อตัวเก็บประจุมีประจุเต็ม กระแสจะลดลงจนเหลือแต่กระแสไฟรั่วขั้นสุดท้าย ซึ่งจะกำหนดปริมาณความต้านทานที่ฉนวนมีต่อกราวด์

ในระบบฉนวนใหม่ที่สะอาด กระแสโพลาไรเซชันจะลดลงตามลอการิทึมตามเวลาที่อิเล็กตรอนถูกกักเก็บไว้ ดัชนีโพลาไรเซชัน (PI) คืออัตราส่วนของค่าความต้านทานฉนวนต่อกราวด์ (IRG) ที่ถ่ายทุก 1 และ 10 นาที

PI = IRG 10 นาที/IRG 1 นาที

ในระบบฉนวนที่ติดตั้งก่อนทศวรรษ 1970 การทดสอบ PI จะเกิดขึ้นในขณะที่วัสดุอิเล็กทริกกำลังถูกโพลาไรซ์

หากฉนวนผนังดิน (GWI) เริ่มเสื่อมสภาพ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีทำให้วัสดุไดอิเล็กตริกมีความต้านทานมากขึ้นและมีความจุไฟฟ้าน้อยลง ทำให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกลดลง และลดความสามารถของระบบฉนวนในการเก็บประจุไฟฟ้า สิ่งนี้ทำให้กระแสโพลาไรซ์กลายเป็นเส้นตรงมากขึ้นเมื่อเข้าใกล้ช่วงที่กระแสรั่วไหลครอบงำ

อย่างไรก็ตาม ในระบบฉนวนรุ่นใหม่หลังปี 1970 ด้วยเหตุผลหลายประการ โพลาไรเซชันทั้งหมดของวัสดุไดอิเล็กตริกเกิดขึ้นในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาที และค่า IRG ที่อ่านได้จะสูงกว่า 5,000 เม็กโอห์ม ค่า PI ที่คำนวณได้อาจไม่มีความหมายในการบ่งชี้สภาพของผนังกราวด์

นอกจากนี้ เนื่องจากการทดสอบนี้สร้างสนามไฟฟ้าสถิตระหว่างขดลวดและโครงมอเตอร์ จึงช่วยบ่งชี้สภาพของระบบฉนวนที่พันขดลวดได้น้อยมาก บ่งชี้ข้อผิดพลาดประเภทนี้ได้ดีที่สุดโดยใช้การวัด MCA ของมุมเฟสและการตอบสนองความถี่ปัจจุบัน

วัสดุฉนวน

ในมอเตอร์ไฟฟ้า ฉนวนเป็นวัสดุที่ต้านทานการไหลอย่างอิสระของอิเล็กตรอน ทำให้กระแสไหลผ่านเส้นทางที่ต้องการและป้องกันไม่ให้หนีไปที่อื่น

ตามทฤษฎีแล้ว ฉนวนควรปิดกั้นการไหลของกระแสทั้งหมด แต่แม้แต่วัสดุฉนวนที่ดีที่สุดก็ยังยอมให้กระแสไหลผ่านได้เพียงเล็กน้อย กระแสส่วนเกินนี้เรียกกันทั่วไปว่า กระแสไฟรั่ว

แม้ว่าโดยทั่วไปจะยอมรับกันว่ามอเตอร์มีอายุการใช้งาน 20 ปี แต่ความล้มเหลวของระบบฉนวนเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้มอเตอร์ไฟฟ้าล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

ระบบฉนวนเริ่มเสื่อมสภาพเมื่อฉนวนนำไฟฟ้าได้มากขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมี ส่วนประกอบทางเคมีของฉนวนเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาจากการใช้งานทีละน้อยและ/หรือความเสียหายอื่นๆ กระแสไฟรั่วเป็นตัวต้านทานและสร้างความร้อนซึ่งส่งผลให้ฉนวนเสื่อมสภาพเพิ่มเติมและรวดเร็วยิ่งขึ้น

หมายเหตุ : ลวดเคลือบส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อรับประกันอายุการใช้งาน 20,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิที่กำหนด (105 ถึง 240° C)

ระบบฉนวน

มอเตอร์และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ที่มีขดลวด มีระบบฉนวน 2 ชิ้นแยกจากกันและเป็นอิสระจากกัน

1. ระบบฉนวนของผนังกราวด์จะแยกขดลวดออกจากโครงของมอเตอร์ ป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับขดลวดไม่ให้เล็ดลอดไปยังแกนสเตเตอร์หรือส่วนใดส่วนหนึ่งของโครงมอเตอร์ การพังทลายของระบบฉนวนของผนังดินเรียกว่าความผิดพลาดของดินและก่อให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัย
2. ระบบฉนวนที่คดเคี้ยวเป็นชั้นเคลือบฟันที่ล้อมรอบลวดตัวนำที่ให้กระแสไปยังขดลวดทั้งหมดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กสเตเตอร์ การพังทลายของระบบฉนวนที่คดเคี้ยวเรียกว่าขดลวดสั้นและทำให้สนามแม่เหล็กของขดลวดอ่อนลง

รูปที่ 1: ระบบฉนวนแยก 2 ส่วน

ความต้านทานฉนวนต่อกราวด์ (IRG)

การทดสอบทางไฟฟ้าโดยทั่วไปที่ดำเนินการกับมอเตอร์คือการทดสอบความต้านทานของฉนวนกับพื้น (IRG) หรือ “การทดสอบเฉพาะจุด”

การใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงกับขดลวดมอเตอร์ การทดสอบนี้กำหนดจุดต้านทานต่ำสุดที่ฉนวนของผนังกราวด์แสดงต่อโครงมอเตอร์

ความจุ

ความจุ (C) วัดเป็นฟารัด หมายถึงความสามารถของระบบในการเก็บประจุไฟฟ้า การหาค่าความจุของมอเตอร์ทำได้โดยใช้สมการ: 1 Farad = จำนวนประจุที่เก็บไว้ในคูลอมบ์ (Q) หารด้วยแรงดันไฟฟ้า

ตัวอย่าง: หากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เป็นแบตเตอรี่ 12V และตัวเก็บประจุเก็บประจุได้ 0.04 คูลอมบ์ ตัวเก็บประจุจะมีความจุเท่ากับ .0033 Farads หรือ 3.33 mF หนึ่งคูลอมบ์ของประจุมีค่าประมาณ 6.24 x 10 ¹⁸ อิเล็กตรอนหรือโปรตอน ตัวเก็บประจุ 3.33 mF จะเก็บอิเล็กตรอนได้ประมาณ 2.08 X 10 ¹⁶ เมื่อชาร์จเต็ม

ความจุถูกสร้างขึ้นโดยการวางวัสดุอิเล็กทริกระหว่างแผ่นนำไฟฟ้า ในมอเตอร์ ระบบฉนวนของผนังกราวด์จะสร้างความจุตามธรรมชาติระหว่างขดลวดมอเตอร์และโครงมอเตอร์ ตัวนำที่คดเคี้ยวประกอบกันเป็นแผ่นหนึ่งและโครงมอเตอร์ประกอบกันเป็นอีกแผ่นหนึ่ง ทำให้ฉนวนของผนังดินเป็นวัสดุไดอิเล็กทริก

จำนวนความจุขึ้นอยู่กับ:

1. พื้นที่ผิวที่วัดได้ของเพลต – ความจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ของเพลต
2. ระยะห่างระหว่างจาน – ความจุแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างจาน
3. ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก – ความจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

ความจุต่อกราวด์ (CTG)

การวัดค่า ความจุไฟฟ้าถึงกราวด์ (CTG) บ่งบอกถึงความสะอาดของขดลวดและสายเคเบิลของมอเตอร์

เนื่องจาก ฉนวนผนังกราวด์ (GWI) และระบบฉนวนที่คดเคี้ยวสร้างความจุตามธรรมชาติให้กับกราวด์ มอเตอร์แต่ละตัวจะมี CTG เฉพาะเมื่อมอเตอร์ใหม่และสะอาด

หากขดลวดมอเตอร์หรือ GWI ปนเปื้อน หรือมอเตอร์มีความชื้นเข้า ค่า CTG จะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม หาก GWI หรือฉนวนที่คดเคี้ยวเกิดการเสื่อมสภาพจากความร้อน ฉนวนจะมีความต้านทานมากขึ้นและเก็บประจุได้น้อยลง ทำให้ค่า CTG ลดลง

วัสดุอิเล็กทริก

วัสดุไดอิเล็กตริกเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี แต่รองรับสนามไฟฟ้าสถิต ในสนามไฟฟ้าสถิต อิเล็กตรอนจะไม่แทรกซึมเข้าไปในวัสดุไดอิเล็กตริก และโมเลกุลขั้วบวกและขั้วลบจะจับคู่กันเพื่อสร้างไดโพล (คู่ของโมเลกุลที่มีประจุตรงข้ามซึ่งแยกจากกันตามระยะทาง) และโพลาไรซ์ (ด้านบวกของไดโพลจะเรียงตัวเข้าหาศักย์ไฟฟ้าลบและประจุลบ จะปรับเข้าหาศักยภาพด้านลบ)

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (K)

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (K) คือการวัดความสามารถของวัสดุไดอิเล็กตริกในการเก็บประจุไฟฟ้าโดยการสร้างไดโพล เทียบกับสุญญากาศซึ่งมี K เท่ากับ 1

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวนขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุลที่รวมกันเพื่อสร้างวัสดุ

ค่า K ของวัสดุไดอิเล็กตริกจะได้รับผลกระทบจากความหนาแน่นของวัสดุ อุณหภูมิ ปริมาณความชื้น และความถี่ของสนามไฟฟ้าสถิต

การสูญเสียอิเล็กทริก

คุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุไดอิเล็กตริกคือความสามารถในการรองรับสนามไฟฟ้าสถิต ในขณะที่กระจายพลังงานน้อยที่สุดในรูปของความร้อน ซึ่งเรียกว่า การสูญเสียไดอิเล็กตริก

การสลายไดอิเล็กตริก

เมื่อแรงดันไฟฟ้าทั่ววัสดุไดอิเล็กตริกสูงเกินไปจนทำให้สนามไฟฟ้าสถิตรุนแรงเกินไป วัสดุไดอิเล็กตริกจะนำไฟฟ้าและเรียกว่าการสลายไดอิเล็กตริก ในวัสดุไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง การสลายนี้อาจเป็นแบบถาวร

เมื่อเกิดการแตกตัวของไดอิเล็กตริก วัสดุไดอิเล็กตริกจะผ่านการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีและส่งผลให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเปลี่ยนแปลง

กระแสที่ใช้กับการชาร์จตัวเก็บประจุ

หลายทศวรรษที่ผ่านมา การทดสอบดัชนีโพลาไรเซชัน (PI) ถูกนำมาใช้เพื่อประเมินความสามารถของระบบฉนวนในการเก็บประจุไฟฟ้า เนื่องจากมีกระแสที่แตกต่างกันสามกระแสตามที่อธิบายไว้ข้างต้นซึ่งเกี่ยวข้องกับการชาร์จตัวเก็บประจุ

1. กระแสไฟชาร์จ – กระแสสะสมบนเพลตและขึ้นอยู่กับพื้นที่ของเพลตและระยะห่างระหว่างเพลต กระแสชาร์จมักจะสิ้นสุดใน< กว่า 1 นาที ปริมาณการชาร์จจะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงสภาพของวัสดุฉนวน
2. กระแสโพลาไรเซชัน – กระแสไฟฟ้าที่จำเป็นในการโพลาไรซ์วัสดุอิเล็กทริก หรือจัดตำแหน่งไดโพลที่สร้างขึ้นโดยการวางวัสดุอิเล็กทริกในสนามไฟฟ้าสถิต โดยทั่วไปเมื่อระบบฉนวนติดตั้งในมอเตอร์ (ก่อนปี 1970) เมื่อมีการพัฒนาการทดสอบดัชนีโพลาไรเซชัน ค่าที่กำหนดของระบบฉนวนใหม่ที่สะอาดจะอยู่ในช่วง 100 เมกะโอห์ม (10 ⁶ ) และโดยทั่วไปจะต้องใช้เวลามากกว่า 30 นาที และในบางกรณีอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงจึงจะเสร็จสิ้น อย่างไรก็ตาม ด้วยระบบฉนวนรุ่นใหม่ (หลังทศวรรษ 1970) ค่าระบุของระบบฉนวนใหม่ที่สะอาดจะอยู่ในหน่วยกิกะโอห์มถึงเทราโอห์ม (10 ⁹ , 10 ¹² ) และโดยทั่วไปจะโพลาไรซ์เต็มที่ก่อนที่กระแสไฟชาร์จจะเสร็จสิ้นโดยสมบูรณ์ .
3. กระแสไฟรั่ว – กระแสที่ไหลผ่านวัสดุฉนวนและกระจายความร้อน

กระแสไฟชาร์จ

ตัวเก็บประจุที่ไม่มีประจุมีแผ่นที่มีประจุบวกและลบเท่ากัน

การใช้แหล่งจ่ายไฟ DC กับแผ่นของตัวเก็บประจุที่ไม่มีประจุจะทำให้อิเล็กตรอนไหลจากด้านลบของแบตเตอรี่และสะสมบนแผ่นที่เชื่อมต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่

สิ่งนี้จะสร้างอิเล็กตรอนส่วนเกินบนแผ่นนี้

อิเล็กตรอนจะไหลจากแผ่นที่ต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่และไหลเข้าแบตเตอรี่เพื่อแทนที่อิเล็กตรอนที่สะสมอยู่ที่แผ่นขั้วลบ กระแสจะไหลต่อไปจนกว่าแรงดันบนแผ่นขั้วบวกจะเท่ากับด้านบวกของแบตเตอรี่ และแรงดันที่แผ่นขั้วลบจะบรรลุศักย์ไฟฟ้าด้านลบของแบตเตอรี่

จำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกแทนที่จากแบตเตอรี่ไปยังจานขึ้นอยู่กับพื้นที่ของจานและระยะห่างระหว่างพวกมัน

กระแสนี้เรียกว่า กระแสชาร์จ ซึ่งไม่ใช้พลังงานและถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุ อิเล็กตรอนที่เก็บไว้เหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าสถิตระหว่างจาน

กระแสโพลาไรซ์

การวางวัสดุไดอิเล็กตริกระหว่างแผ่นในตัวเก็บประจุจะเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุที่สัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างแผ่นในสุญญากาศ

เมื่อวัสดุไดอิเล็กตริกวางอยู่ในสนามไฟฟ้าสถิต ไดโพลที่เกิดขึ้นใหม่จะโพลาไรซ์ และปลายด้านลบของไดโพลจะเรียงตัวกับแผ่นขั้วบวก และปลายด้านบวกของไดโพลจะเรียงตัวเข้าหาแผ่นขั้วลบ สิ่งนี้เรียกว่า โพลาไรเซชัน

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุไดอิเล็กตริกยิ่งสูง ยิ่งต้องการจำนวนอิเล็กตรอนมากขึ้น ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความจุของวงจร

กระแสไฟรั่ว

กระแสจำนวนเล็กน้อยที่ไหลผ่านวัสดุไดอิเล็กตริกในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติการเป็นฉนวนนั้นเรียกว่าความต้านทานที่มีประสิทธิภาพ สิ่งนี้แตกต่างจากความเป็นฉนวนซึ่งถูกกำหนดให้เป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้โดยไม่เกิดความผิดพลาด

เมื่อวัสดุฉนวนเสื่อมลง มันจะกลายเป็นตัวต้านทานมากขึ้นและตัวเก็บประจุน้อยลง ทำให้กระแสไฟรั่วเพิ่มขึ้น และลดค่าคงที่ไดอิเล็กตริก กระแสไฟรั่วก่อให้เกิดความร้อนและถือเป็นการ สูญเสียอิเล็กทริก

ปัจจัยการกระจาย

เป็นเทคนิคการทดสอบทางเลือกที่ใช้สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อออกกำลังกายระบบฉนวนผนังดิน (GWI) ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นโดยใช้สัญญาณ DC เพื่อทดสอบกระแสที่แตกต่างกันของ GWI 3 อย่างไรก็ตาม เครื่องมือไม่สามารถแยกความแตกต่างของกระแสอื่นนอกเหนือจากเวลาได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้สัญญาณ AC เพื่อทดสอบ GWI จะสามารถแยกกระแสที่เก็บไว้ (กระแสชาร์จ กระแสโพลาไรเซชัน) ออกจากกระแสต้านทาน (กระแสไฟรั่ว)

เนื่องจากทั้งกระแสชาร์จและกระแสโพลาไรเซชันเป็นกระแสที่เก็บไว้และถูกส่งกลับไปยังวงจร ½ ของฝ่ายตรงข้าม กระแสนำแรงดันไฟฟ้า 90° ในขณะที่กระแสไฟรั่วซึ่งเป็นกระแสต้านทานที่กระจายความร้อนและกระแสอยู่ในเฟสด้วย แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ปัจจัยการกระจาย (DF) เป็นเพียงอัตราส่วนของกระแสตัวเก็บประจุ (I _C ) ต่อกระแสต้านทาน (I _R )

DF = I _C / I _R

สำหรับฉนวนใหม่ที่สะอาด โดยทั่วไป ค่า _IR คือ< 5% ของ _IC หากวัสดุฉนวนปนเปื้อนหรือลดความร้อนลงทั้ง _IC จะลดลงหรือ _IR เพิ่มขึ้น ไม่ว่าในกรณีใด DF จะเพิ่มขึ้น

สรุป

ในช่วงทศวรรษปี 1800 การทดสอบดัชนีโพลาไรเซชันเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการระบุสภาพโดยรวมของมอเตอร์ มีประสิทธิภาพน้อยลง อย่างไรก็ตาม ด้วยระบบฉนวนสมัยใหม่

ในขณะที่การทดสอบ PI ใช้เวลานาน (15+ นาที) และไม่สามารถระบุได้ว่าความผิดปกติอยู่ที่ฉนวนของขดลวดหรือผนังกราวด์หรือไม่ เทคโนโลยีสมัยใหม่ เช่น การวิเคราะห์วงจรมอเตอร์ (MCA ^TM )ระบุปัญหาการเชื่อมต่อ การหมุนต่อเลี้ยว คอยล์ต่อคอยล์ และเฟสต่อเฟสในการพัฒนาข้อบกพร่องของขดลวดในระยะแรกๆ โดยการทดสอบจะเสร็จสิ้นภายในเวลาไม่ถึง 3 นาที

เทคโนโลยีอื่นๆ เช่น DF, CTG และ IRG มอบเงื่อนไขของระบบฉนวนผนังกราวด์ในการทดสอบที่เสร็จสิ้นโดยใช้เวลาน้อยที่สุดเช่นกัน

ด้วยการรวมเทคโนโลยีใหม่ เช่น MCA ^TM , DF, CTG และ IRG วิธีทดสอบมอเตอร์ไฟฟ้าสมัยใหม่ช่วยให้การประเมินระบบฉนวนของมอเตอร์ทั้งหมดครอบคลุมและละเอียดยิ่งขึ้นได้เร็วและง่ายกว่าที่เคย