Modern Teknoloji ile Senkron Motor Nasıl Test Edilir?

Senkron elektrik motorlarında (senkron makineler) motor devre testi ve analizi uygulamasını daha iyi anlamak için, bir senkron motorun çalışması, en yaygın arızalar, yaygın test yöntemleri, ALL-TEST IV PRO™ (
Şimdi AT5™
) büyük senkron motorlarla çalışması, senkron stator ve rotorların analizi için temel adımlar ve beklenen test sonuçları (
Editör- ALL-TEST PRO 5™, ATIV™ için önerilen yedek cihazdır
). Bu makalede, ek ayrıntılar için diğer materyallere atıfta bulunarak bu çeşitli yönleri tartışacağız.

Senkron Makineler Hakkında

Büyük senkron motorların iki temel işlevi vardır:

• Birincisi, bir tesisteki elektrik güç faktörünü iyileştirmektir. Motorlar ve transformatörler gibi büyük endüktif yüklere sahip herhangi bir tesiste, akım gerilimin gerisinde kalmaya başlar (zayıf güç faktörü). Bu durum yeterince şiddetli hale geldiğinde, tesis aynı miktarda işi gerçekleştirmek için önemli ölçüde daha fazla miktarda akıma ihtiyaç duyar. Bu, voltaj düşüşüne ve elektrikli bileşenlerin aşırı ısınmasına neden olabilir. Bir senkron motor, güç faktörü üzerinde çok az etkiye neden olacak veya hiç etkiye neden olmayacak şekilde kullanılabilir veya güç faktörü sorunlarını düzeltmek için akımın gerilimi yönlendirmesine neden olacak şekilde kullanılabilir.
• İkinci çalışma yöntemi, pistonlu kompresörler gibi titreşimli yükleri absorbe etmektir. Bir senkron motor senkron hıza ulaştığında, elektrik motorunun statordan dönen manyetik alanlarıyla adım adım ‘kilitlenen’ bobinlere sahiptir. Bir tork darbesi meydana gelirse (örneğin pistonlu bir kompresör strokunun tepesinde), motor dönen alanlarla senkronize olmayabilir. Bu gerçekleştiğinde, rotor üzerindeki amortisör sargısı adı verilen özel bir sargı (bkz. aşağıdaki senkron yapı) tork darbesinden gelen enerjiyi emerek rotoru senkronize halde tutar.

Bir senkron motorun temel yapısı basittir. Üç takım sargı, bir stator, bir rotor, rulmanlar ve bir jeneratör (fırçasız) veya bir ‘statik uyarıcı’ (fırça tipi) vardır.

Sargılar şunlardan oluşur:

• Standart bir endüksiyon elektrik motoruna çok benzeyen standart bir üç fazlı sargı
• Küçük makineler için yuvarlak telden ve daha büyük makinelerde dikdörtgen veya şerit telden yapılmış DC bobinleri olan bir dizi alan bobini
• İndüksiyon motor rotoru sincap kafesine benzeyen bir amortisör sargısı

Hem fırça tipi hem de fırçasız senkron motorlar için başlatma yöntemleri benzerdir. Başlangıç devresi her ikisi için de farklı olacaktır. Aşağıda temel çalışma modunun bir açıklaması ve ardından farklılıkların kısa bir açıklaması yer almaktadır:

Bir senkron motorun çalıştırma aşamasında, standart bir endüksiyon motoruyla aynı şekilde hareket eder. Stator bir elektrik akımı alır ve dönen bir manyetik alan oluşur (hız = (120 * uygulanan frekans) / kutup sayısı). Bu alan, hava aralığındaki stator manyetik alanıyla etkileşime giren ve rotorun stator manyetik alanlarını takip etmesine neden olan kendi manyetik alanını oluşturarak başlatma torku geliştirmek için kullanılan amortisör sargısında bir akım üretir. Rotor stator alanlarına yetişmeye başladığında, rotor alanı bobinlerine DC akım enjekte edilerek kuzey ve güney manyetik çiftleri oluşturulur (rotor bobinleri her zaman çiftler halinde bulunur). Bunlar stator manyetik alanlarına kilitlenir ve stator alanlarıyla aynı hızda takip eder, oysa standart bir endüksiyon motoru her zaman geride kalır.

Fırçalı bir makinede, rotor alanları için DC kaynağı genellikle verilen AC gücünü DC’ye dönüştüren bir ‘statik’ (elektronik) başlatıcıdan gelir. Çoğu durumda, çıkış DC’si başlatma döngüsü boyunca değişir. Sürücü, rotor doygunluğunu ve bunun sonucunda statorda aşırı yüksek akımları önlemek için makinenin alan bobinlerini kısa devre yapacak şekilde de ayarlanabilir. Rotor dönmeye başladığında, motora tork geliştirmede yardımcı olmak için DC sağlanır. DC voltajı bir çift kayma halkası ve fırça aracılığıyla sağlanır.

Fırçasız bir makinede, bir DC jeneratörü doğrudan senkron motorun şaftına monte edilir. Senkron motor çalışmaya başladığında, jeneratör komütatörü aracılığıyla çok az DC sağlar. Hız arttıkça DC voltajı da artarak motorun tork üretmesine ve ardından senkron hızda adım adım kilitlenmesine yardımcı olur. Bu tip makinelerde jeneratör doğrudan rotor alanlarına bağlanır.

Rotorun şaftına monte edilmiş ve ayrı bir kumandayı besleyen bir jeneratörü olan makineler de vardır. Bu, önce sargıları kısa devre yapmak ve ardından tıpkı fırçalı makinede olduğu gibi rotora beslenen DC miktarını kontrol etmek için kullanılır.

En Yaygın Senkron Motor Arızaları

Büyük senkron motorlar iyi inşa edilmiş ve sağlam olma eğilimindedir. Uygulanan ağır yüklere dayanabilmeleri için genellikle aşırı malzeme ile inşa edilirler. Endüstriyel senkron makineler için en yaygın arızalar sırasıyla şunlardır:

• Genel aşınma ve kirlenme nedeniyle rulmanlar
• Rotor alanları – yüksek sıcaklıklar nedeniyle bunlar genellikle içten dışa doğru yanacaktır
• Amortisör sargıları – çoğunlukla pistonlu yüklerde. Emilen enerji miktarı nedeniyle, sargı çubukları sıklıkla çatlayacaktır. Özellikle rotor alanları arızalanmaya başlamışsa ve kısaysa, rotorun ‘senkronizasyondan’ düşmesini kolaylaştırır.
• Stator sargıları – genel aşınma ve kirlenme. Senkron makinelerdeki stator sargıları ‘form sargılı’ ve ağır izolasyonlu olma eğilimindedir.

Bir senkron motorda meydana gelen sargı arızalarının neredeyse tamamı rotor veya stator bobinlerindeki iletkenler arasında başlar.

Yaygın Test Yöntemleri, Güçlü ve Zayıf Yönleri

Aşağıda, bir senkron motorun durumunu değerlendirmek için kullanılan geleneksel test yöntemleri yer almaktadır:

• İzolasyon direnci testi: IEEE 43-2000 tarafından belirtildiği gibi uygulanan DC gerilimleri kullanılarak, stator sargıları ile toprak arasına bir potansiyel yerleştirilir. Bu sadece stator sargıları ve stator çerçevesi arasındaki doğrudan hataları ölçer. Ayrıca fırça tipi bir makinede kayma halkaları aracılığıyla da gerçekleştirilir.
• Polarizasyon İndeksi: Bu, yalıtım direncinin 10 dakika ile 1 dakika arasındaki oranıdır. Bu, geleneksel olarak stator sargıları ve şasi arasındaki yalıtımın durumunu ölçmek için bir yöntem olarak kullanılmıştır. İzolasyon direnci testinde olduğu gibi, bu da fırça tipi bir makinede kayma halkaları aracılığıyla gerçekleştirilebilir. IEEE 43-2000’de belirtildiği gibi, bu test yöntemi sadece 1970 öncesi yalıtım sistemlerinde gerçekten geçerlidir.
• Yüksek Potansiyel testi: Büyük makinelerde en yaygın olanı, motor plakası voltajının iki katı artı 1000 volt, çarpı 3’ün karekökü değerinde gerçekleştirilen DC yüksek potansiyel testidir. Mevcut bir yalıtım sisteminde bu değer genellikle potansiyel gerilimin %75’ine düşürülür. Bu test yalıtım sistemini oldukça zorlar ve potansiyel olarak zararlıdır (IEEE Std 388 ve 389’a göre). Bu tür bir test, bir senkron motorun rotor sargılarına ASLA uygulanmamalıdır.
• Dalgalanma Karşılaştırma testi: Statorun dönüşten dönüşe durumunu sadece iki sargının dalga formlarını karşılaştırarak değerlendirir. 1000 volt artı voltajın iki katı hızlı bir yükselme süresi darbesi. Kirlenmiş sargılar gibi düzeltilebilir sorunlar varsa, bu test motor sargılarına zarar verebilir.
• Kısmi Deşarj testi: Bu, motor sargılarının yalıtım sistemi içindeki boşluklarda deşarjlardan kaynaklanan radyo frekanslarını ölçen tahribatsız bir test yöntemidir. Bu, 6,6 kV’un üzerindeki makinelerde trend için etkilidir ve yalnızca 4 kV’tan itibaren kısa bir uyarı sağlar. Herhangi bir rotor arızası tespit etmez.

• Motor Akım İmza Analizi: Asenkron motorların rotor testi için tasarlanmıştır.
• Gerilim Düşümü Testi: Motorun demonte edilmesini gerektirir. Rotor sargılarına 115 AC voltaj uygulanır ve voltaj düşüşü her bir bobin boyunca bir voltmetre ile ölçülür. Eğer bir kısa devre varsa, voltaj düşüşü %3’ten fazla değişecektir.

Yukarıdaki liste, senkron motorların mekanik testine yönelik ekipmanı içermemektedir.

ALL-TEST Pro Cihazı Hakkında

ALL-TEST IV PRO™ (
Editör- ALL-TEST PRO 5™, ATIV™ için önerilen yedektir)
motor devresinin AC parametrelerini kapsayan bir dizi okuma sağlaması dışında, bir multi-metre ile aynı şekilde çalışan basit bir elektronik alettir. Basit direnç testleri için mili-Ohm metre ile aynı şekilde düşük voltajlı DC sinyali ve AC okumaları için düşük voltajlı, yüksek frekanslı AC sinyali gönderen bir veri toplayıcı ve test cihazıdır. Cihaz daha sonra test sonuçlarını direnç, empedans, endüktans, faz açısı, akım/frekans yanıtı ve toprağa yalıtım direnci testi gibi mühendislik birimlerinde ölçer ve hesaplar.

Güç ekipmanlarının elektronik testleri ile geleneksel güç yöntemleri arasındaki temel farklar şunlardır:

• Rotor alan bobini yalıtımının durumundaki değişikliklerden kaynaklanan etkiler de dahil olmak üzere motor devresinin daha eksiksiz bir görünümü.
• Geniş bir ekipman boyutu yelpazesi için tek bir cihaz. Test sadece cihazın basit direnç aralığı ile sınırlıdır (0,010 Ohm ila 999 Ohm).
• Tahribatsız – zararlı voltaj uygulanmaz.
• Daha kolay veri yorumlama – Veri yorumlama için birkaç basit kural (Bkz. aşağıda veri yorumlama).
• El tipi ve 40 lbs’den 100 lbs’ye kadar ağırlığa sahip ekipmanlar.
• Cihaz için dahili güç kaynağı.

Yalıtım sistemi eskidikçe veya yalıtım sistemi kirlenmişse ve bu durum yalıtımın bütünlüğünü etkiliyorsa, motorun elektrik devresi değişir. Rotor devrenin ayrılmaz bir parçası olduğundan, rotor devresinin ve yalıtım sisteminin elektriksel bütünlüğünde meydana gelen değişiklikler doğrudan stator sargılarına da yansır. Bu, hem anında sorun gidermeye hem de motorun uzun vadeli trendine olanak tanır.

Benzersiz test bilgileri, ALL-TEST Pro Cihazlarının tespit ve izolasyon için yalıtım sisteminin yeterli parametrelerini görüntülemesini sağlar:

• Kısa devre yapmış stator sargıları
• Kısa devre yapmış rotor alanları
• Kırık amortisör sarma çubukları
• Hava boşluğu eksantrikliği
• Sargı kirlenmesi (rotor ve stator)
• Toprak izolasyon hataları

ALL-TEST Pro Cihazları ile Senkron Makinelerin Analizi için Temel Adımlar

Senkron makinelerin test edilmesine yönelik adımlar, standart endüksiyon motorlarının durumunun değerlendirilmesine yönelik adımlara benzerdir. Bununla birlikte, motor rotorunda alan bobinleri bulunduğundan, bir arıza giderilirken birkaç ek adım söz konusudur.

Bir senkron makineyi motor kontrol merkezinden veya marş motorundan test ederken:

• Ekipmanın enerjisini kesin. İkincil güç kaynaklarının da enerjisinin kesildiğinden emin olun.
• Cihazdaki menü istemlerini izleyerek stator üzerinde standart ALL-TEST IV PRO™ (şimdi AT5™) testlerini gerçekleştirin.
• Test sonuçlarını değerlendirin (Bkz. Beklenen Test Sonuçları)
• Bir arıza gösterilirse, sorun gidermeye başlayın:
• Rotorun konumunu mümkün olduğunca 45 dereceye kadar ayarlayın (rotorun döndürülmesi zorsa herhangi bir hareket yeterli olacaktır, ancak 5 dereceden az olmamalıdır)
• Testleri tekrar gerçekleştirin ve değerleri gözden geçirin. Arıza kaymışsa veya bir basamaktan daha fazla değişmişse, arıza büyük olasılıkla rotorda bulunmaktadır.
• Arıza sabit kalırsa (rotor konumuyla değişmezse), motor terminal kutusundaki kabloları ayırın ve yeniden test edin. Bir arıza hala gösteriliyorsa, büyük olasılıkla statorda, gösterilmiyorsa büyük olasılıkla kablodadır.

Sorun giderme dışında ortalama test süresi yaklaşık 3-5 dakikadır.

Demonte bir senkron makineyi test ederken, rotor yerinde olmadan okumaların çok farklı olacağını unutmamak önemlidir:

• ALL-TEST IV PRO™ Otomatik testini gerçekleştirin (AT5
  Z/
  
  
  test modu) stator üzerinde uygulayın ve test sonuçlarını değerlendirin. Bu, herhangi bir arızanın anında gösterilmesini sağlayacaktır.
• Rotor testi için:

• Otomatik testi gerçekleştirin ve geçmiş bir okumayla karşılaştırın; veya,

• Otomatik testi gerçekleştirin ve ‘özdeş’ bir rotorla karşılaştırın; veya,
• Gerilim düşümü testi yerine her bir alan bobini boyunca Otomatik testi gerçekleştirin.
• Her üçü için de tüm parametreler değerlendirme limitlerini karşılamalıdır.

Test tarzı nedeniyle, bu sonuçlar trend haline getirilebilir ve benzer makineler arasında karşılaştırılabilir.

Motor devresi testi için diğer uygulamalar arasında değerlendirme ve kabul ve kestirimci bakım yer alır.

Beklenen Test Sonuçları

Bu makalenin son bölümünde belirtildiği gibi, test sonuçları üç fazlı endüksiyon makinelerinde bulunanlara benzerdir. Arıza modelleri çok basittir ve ALL-TEST Pro Cihazlarının test aralığı dahilinde ekipman boyutundan bağımsız olarak uygulanır. Aşağıda, temel sorun giderme için test ölçümlerine ve sonuçlarına kısa bir genel bakış yer almaktadır:

• Basit direnç ölçümleri: Bunlar, devredeki yüksek dirençli bağlantıların, gevşek bağlantıların veya kopuk iletkenlerin bir göstergesidir. Bu test, özellikle direnç sorunu tek bir noktadaysa önemlidir, çünkü I2R, dirençli bir nokta büyük miktarda ısı enerjisi (Watt cinsinden) açığa çıkaracaktır. Örneğin, 100 Amper gören bir devredeki bir nokta boyunca 0,5 Ohm’luk bir direnç şunları verecektir: (100Amper2) (0,5 Ohm) = 5.000 Watt (5kW) değerinde enerji. Bu, yaklaşık 6 beygir gücünde bir elektrik motorunu döndürmek için kullanılan enerjiyle aynıdır.
• Endüktans ölçümü: Bu, bir bobinin manyetik gücünün ve diğer bobinlerin bir bobin üzerindeki etkisinin bir göstergesidir. Bir devredeki sarım sayısından, bobinlerin boyutlarından ve diğer bobinlerin endüktansından etkilenir. Bu ölçüm tek başına amortisör sargısının durumu ve rotor eksantrikliği hakkında sadece iyi bir göstergedir. Endüktans sadece şiddetli ise kısa devre sargısını gösterecektir.
• Empedans ölçümü: Bu, devredeki karmaşık direncin ölçümüdür. Endüktans gibi, amortisör sargısını ve rotor durumunu kontrol etmek için kullanılabilir. Bununla birlikte, endüktans ile birlikte kullanıldığında, aşırı ısınmış sargıları ve sargı kirlenmesini hızlı bir şekilde tespit etmek için kullanılabilir. Her faz arasındaki endüktans ve empedans ilişkisine bakarak: Endüktans ve empedans nispeten paralel ise, herhangi bir endüktif ve empedans dengesizliği rotor ve stator (rotor konumu) arasındaki ilişkidedir; Paralel değillerse, bu, yalıtım arızası veya sargı kirlenmesi gibi bir yalıtım sorununun göstergesidir.
• Faz açısı ve I/F (Akım/Frekans): Bunların her ikisi de stator veya rotor dönüşleri arasındaki yalıtım hatalarının göstergeleridir.
• İzolasyon Direnci: Toprağa olan yalıtımı değerlendirir ve yalnızca yalıtım arızalandığında gösterecektir.

“Dönen Makine ve Transformatörlerin Elektronik Statik Sargı Devresi Analizi Kılavuzu “nda belirtildiği gibi test limiti önerileri aşağıdaki gibidir:

Tablo 1: Test Sınırları (tepeden tepeye değerler)

*Ölçümler paralel ise bu değeri aşabilir.

Aşağıda sorun giderme kurallarına genel bir bakış yer almaktadır:

• Kısa devre sargıları:

• Kısa devre sargılar, benzer bobinler üzerinde veya fazlar arasında cihazdan faz açısı ve I/F okumaları görüntülenerek değerlendirilebilir:
• Faz Açısı (Fi) – Faz açısı, ortalama okumanın 1 hanesi içinde olmalıdır. Örneğin, 77/75/76 değerleri iyi olacaktır çünkü ortalama değer 76’dır. 74/77/77’lik bir değer kötü olacaktır.
• Mevcut Frekans Yanıtı (I/F) – Mevcut frekans yanıtı, ortalama okumanın 2 basamağı içinde olmalıdır. Örneğin, -44/-45/-46 değerleri iyi olacaktır. 40/-44/-44 değerleri kötü olacaktır. Ancak -42/-44/-44 gibi bir değer şüpheli olarak değerlendirilmelidir.

• Sargı Kirlenmesi ve Rotor Konumu

• Rotorun elektrik motoru içindeki konumu doğal bir faz dengesizliğine neden olabilir. Sargı kirlenmesi de faz dengesizliklerine neden olacaktır. DF’nin değerlendirilmesi, faz dengesizliğinin rotordan mı yoksa kontaminasyondan mı kaynaklandığını gösterebilir.

• Rotor Konumu – Rotor konumu dengesizlikleri, endüktans ve empedans değerlerinin oldukça dengeli olup olmadığına bakılarak değerlendirilebilir. Örneğin, 17/18/19 değerlerinde endüktanslar ve 24/26/29 değerlerinde empedanslar varsa, dengesizlik rotor konumundan kaynaklanmaktadır. Bu durum, endüktansların 5/5/5 ve empedansların 8/9/8 olması halinde de geçerli olabilir.
• Sargı Kirlenmesi – Bu durum aşırı ısınmış (yanmış) sargılarda da görülebilir. Bu koşullar, yalıtım sisteminin bozulması nedeniyle yalıtımda meydana gelen değişikliklerin sonucudur.

Sonuç

Bir dizi basit kural ve talimat sayesinde ALL-TEST IV PRO™ (şimdi AT5™), senkron makinelerin durumunda sorun giderme ve trend belirleme için mükemmel bir araç sağlar. Test, motor stator ve rotor devresinin diğer tüm testlerden daha eksiksiz bir şekilde görülmesini sağlayan basit, tahribatsız test ölçümleri kullanılarak gerçekleştirilir. Test değerlendirmesi, ekipman boyutu veya türünden bağımsız olarak basit ve doğrudan yapılır.

Kaynakça

• Dönen Makine ve Transformatörlerin Elektronik Statik Sargı Devre Analizi için KılavuzBJM Corp, ALL-TEST Bölümü, 2001.
• Penrose, Howard W. Motor Devre Analizi: Teori, Uygulama ve Enerji Analizi, SUCCESS by DESIGN, 2001.