Ứng dụng phân tích chữ ký dòng điện động cơ (MCSA)

Các công nghệ chẩn đoán động cơ đã trở nên phổ biến hơn trong suốt những năm 1990 và bước sang thế kỷ mới. Các công nghệ này bao gồm cả Phân tích mạch động cơ (MCA) và Phân tích dấu hiệu dòng điện động cơ (MCSA) được áp dụng cho cả hệ thống động cơ điện có điện và không có điện. Các ứng dụng dường như là vô tận.

Các hệ thống có trong bài báo này là máy phân tích mạch động cơ ALLTEST IV PRO 2000, máy phân tích dòng điện động cơ ALL-TEST PRO OL, phần mềm quản lý động cơ EMCAT, phần mềm Power System Manager và phần mềm ATPOL MCSA. Bộ ALL-TEST PRO MD bao gồm sự tích hợp của tất cả các hệ thống này cùng với phần mềm MotorMaster Plus của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Mục đích của bài báo này là nhấn mạnh ứng dụng MCSA của hệ thống ALL-TEST PRO MD duy trì những điều sau:

• Các chỉ số MCA về điện trở, trở kháng, độ tự cảm, góc pha, đáp ứng dòng điện/tần số và thử nghiệm cách điện với đất (MegOhm).
• Các khả năng của MCSA về giải điều chế điện áp và dòng điện, bao gồm phân tích FFT đến 5 kHz.
• Khả năng phân tích và xu hướng tự động cho cả MCA và MCSA thông qua phần mềm.
• Phân tích và ghi dữ liệu Chất lượng điện năng đầy đủ bao gồm ghi lại sự kiện ba pha tức thời.

Các ví dụ được tìm thấy trong bài báo này bao gồm nhiều ứng dụng tiềm năng có sẵn thông qua việc triển khai các công nghệ Chẩn đoán Động cơ.

Kiểm tra thanh cánh quạt

Mục đích cơ bản đằng sau sự phát triển ban đầu của công nghệ MCSA là phát hiện lỗi thanh rôto. Các thanh rôto rất khó đánh giá bằng các phương pháp kiểm tra truyền thống, bao gồm cả phân tích rung động. Người ta đã xác định rằng có thể sử dụng một phương pháp sử dụng dòng điện để đánh giá tình trạng của các thanh rôto. Quy tắc cơ bản rất đơn giản: Tần số cực vượt qua biên xung quanh tần số dòng cơ bản, khi động cơ đang tải, cho biết rôto có vấn đề. Quy tắc tiêu chuẩn đã được xác định rằng các vấn đề về thanh rô-to là nghiêm trọng khi các đỉnh dải biên tiếp cận trong vòng 35 dB so với đỉnh tần số đường truyền..

Hình 1: Tần số thanh rôto

Ví dụ trong Hình 1 cho thấy các dải biên ở khoảng -40 dB so với tần số đường đỉnh. Điều này cho thấy ít nhất một thanh rôto bị gãy trong động cơ 500 mã lực, 4160 Vôn này trên máy nén.

Hình 2 là một ví dụ về một trong hai khả năng
kịch bản:

• Đúc khoảng trống trong một rôto nhôm.
• Răng mềm (hoặc răng) trong ứng dụng bánh răng.

Hình 2: Đúc Void hoặc ‘Soft’ Gear Gear

Sử dụng điện áp được giải điều chế tần số cao hơn và FFT hiện tại, có thể phát hiện các vấn đề như độ lệch tâm động và tĩnh, thanh rôto lỏng lẻo và các lỗi khác liên quan đến rôto.

Hình 3: Rôto chà xát khi không tải

Dữ liệu trong Hình 3 liên quan đến máy bơm chìm 7,5 mã lực, 1800 RPM, được thử nghiệm khô ở chế độ không tải. Rôto cọ xát nhẹ vào lõi stato được xác định là lệch tâm tĩnh và động với nhiều đỉnh dòng điện như hình minh họa.

Kiểm tra động cơ cảm ứng

Động cơ một pha và ba pha có thể được đánh giá bằng cách sử dụng kết hợp điện áp và dòng điện đã được giải điều chế. Một quy tắc cụ thể, và sức mạnh, của một
sự kết hợp giữa điện áp và dòng điện, đó là nếu các đỉnh hiển thị ở điện áp và dòng điện, thì lỗi có bản chất là điện, nếu cực đại hiển thị ở dòng điện, nhưng không phải điện áp thì vấn đề có bản chất cơ học. Một lợi thế khác để đánh giá các hệ thống với MCSA là bạn có thể phát hiện các lỗi liên quan đến nguồn điện và tải.

Hình 4: Lỗi Cơ Stator

Như bạn sẽ lưu ý trong Hình 4, các đỉnh được xác định trong dòng điện, nhưng không hiển thị trong FFT điện áp. Điều này chỉ ra rằng các lỗi cơ khí tồn tại. Vì chúng liên quan đến tốc độ chạy và số rãnh stato, nên đây là lỗi cơ học liên quan đến cuộn dây. Một số đỉnh chỉ dòng điện khác tồn tại, cho biết các lỗi liên quan đến tải, trong trường hợp này, rất có thể là sự cố hộp số (lưu ý rằng đây là dữ liệu tần số cao liên quan đến Hình 2).

Hình 5: Mất cân bằng cơ học

Động cơ thể hiện trong Hình 5 bị mất cân bằng cơ học. Chữ ký hiển thị dưới dạng hai lần tần số dòng (LF), bốn lần tần số dòng rồi hai lần mẫu tần số dòng. Trong trường hợp này, các thanh rôto nhân với tốc độ chạy bằng dải biên LF, sau đó mẫu còn lại xuất hiện.

Kiểm tra động cơ DC

Động cơ DC được đánh giá theo cách tương tự như độ rung. Trên thực tế, các chữ ký có cùng độ rung như trong MCSA. Điện áp và dòng điện một chiều được lấy từ mạch phần ứng.

Hình 6: Lỗi ổ đĩa DC

Trong trường hợp của Hình 6, nhiều sóng hài của tần số đường truyền cộng với nhiều sóng hài của số lượng thiết bị điện tử công suất (SCR) nhân với tần số đường truyền (360 Hz, trong trường hợp này), biểu thị lỗi SCR hoặc kết nối lỏng lẻo. Điều này có thể được xác nhận bằng cách xem gợn sóng điện áp và tần số trong dữ liệu tần số thấp.

Kiểm tra máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ cũng có thể được đánh giá nhanh chóng và đơn giản bằng cách sử dụng điện áp và dòng điện được giải điều chế. Trong trường hợp của ví dụ sau, một máy phát điện bị vấp ở nhiệt độ cao. Cả MCA và MCSA đều được sử dụng để đánh giá hệ thống.

Hình 7: Dữ liệu MCSA trên Máy phát điện đồng bộ (Tần số thấp)

Hình 8: Độ lệch tâm động của máy phát điện

Máy phát điện đang được thử nghiệm cho thấy độ lệch tâm tăng lên trong 40 phút chạy thử, lỗi trường quay và một số dấu hiệu lỗi điện. Thông tin này được kết hợp với dữ liệu MCA cho biết hiện tượng đoản mạch cuộn dây, đoản mạch cáp và giảm đáng kể điện trở cách điện trong thời gian chạy bán phần ngắn. Máy phát điện xoay chiều là máy phát điện xoay chiều 475 kW, 480 Vac, yêu cầu ba dây cáp song song mỗi pha. Có một số tùy chọn với hệ thống ATPOL dành cho cáp lớn hơn. Tuy nhiên, trong một tình huống khó khăn, một trong ba dây cáp của mỗi pha đã được sử dụng, vì vậy các giá trị hiện tại là khoảng 1/3.

Hình 9: Kết nối hiện tại cho Máy phát điện

Các ổ đĩa tần số biến đổi

Biến tần đã là một thách thức đối với một số hệ thống MCSA. Tuy nhiên, trong trường hợp của ATPOL, đây không phải là vấn đề. Có thể xem tín hiệu điện áp và dòng điện đầu ra (Hình 10).

Hình 10: Dạng sóng điện áp và dòng điện VFD (Chụp 0,05 giây)

Hình 11: Dữ liệu tần số thấp VFD

Trong Hình 11, đó là Tần số thấp (< 120 Hz) cho cùng một hệ thống như Hình 10, cho thấy tần số dòng đầu ra của biến tần là 43 Hz và tốc độ hoạt động của động cơ 3600 RPM là 2570 RPM.

Hình 12: Dữ liệu tần số cao VFD

Như có thể lưu ý trong Hình 12, các đỉnh điện áp và dòng điện mạnh biểu thị các lỗi liên quan đến hệ thống động cơ. Một số tiếng ồn bổ sung hoàn toàn là do dạng sóng điện áp và dòng điện đến từ VFD. Tuy nhiên, phần mềm sẽ tự động đặt các con trỏ liên quan đến các lỗi khác nhau trong dạng sóng.

Hình 13: Phân tích đặc biệt về giá trị đỉnh

Hình 13 cho thấy dữ liệu tương tự, nhưng với điện áp và dòng điện cực đại được hiển thị. Dòng điện có tần số cao hơn cho biết các vấn đề liên quan đến sóng hài điện áp, được thể hiện ở dạng sóng thấp hơn. Tất cả dữ liệu kết hợp cho thấy một vấn đề liên quan đến điện áp đến. Khi thử nghiệm ở 46 Hz, vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn và chỉ ra một lỗi tiềm ẩn với hệ thống cung cấp trở nên phổ biến trên 45 Hz.

Giải pháp sẽ được giảm bớt bằng cách lọc áp dụng cho đầu ra biến tần VFD.

Đột dập với động cơ và truyền động dòng điện xoáy

Hệ thống động cơ hoàn chỉnh có thể được xem, bao gồm cả tải được điều khiển.

Hình 14: Chu kỳ nạp máy đột dập

Hình 14 cho thấy chu kỳ hiện tại hơn 10 giây. Đỉnh A là một trong ba đỉnh trong chu kỳ này có liên quan đến cú đấm (đáy) của hành trình nhấn trong khi điểm C có liên quan đến đỉnh của hành trình. Điểm B xác định một số loại vấn đề cọ xát hoặc nắm chặt khi hệ thống tiến gần đến đỉnh của hành trình. Ba nét dưới cùng giúp xác định rằng hoạt động đang diễn ra 18 lần mỗi phút.

Hình 15: Dải biên tần số dòng liên quan đến động cơ

Hình 15 xác định ‘sàn tiếng ồn’ cao và nhiều dải biên xung quanh tần số cực đại của LF. Điều này, cùng với dữ liệu tần số cao, hỗ trợ chỉ hướng về phía tải.

Hình 16: Dữ liệu tần số cao ly hợp dòng điện xoáy

Hình 16 xác định rằng có lỗi kết nối và/hoặc lỗi SCR trong điện áp DC cung cấp từ bộ chỉnh lưu (sáu SCR). Các đỉnh cao
phổ tần số cũng xác định các lỗi trong ổ đĩa dòng xoáy và chính cú đấm, rất có thể là do lỏng lẻo trong hệ thống (các dấu hiệu liên quan cho thấy các tầng tiếng ồn tăng lên).

MCSA và ứng dụng năng lượng

Các tính năng ghi dữ liệu và báo cáo tự động của hệ thống ATPOL cũng bao gồm khả năng hoạt động cùng với phần mềm MotorMaster Plus của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Các tính năng bổ sung đã được tài trợ để đưa vào MotorMaster Plus bởi ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors và Pruftechnik để cho phép đưa thông tin chẩn đoán động cơ vào phân tích. Việc sử dụng cả MCA và MCSA cho phép người dùng đánh giá tình trạng của động cơ điện, sau đó đưa ra quyết định sửa chữa liên quan đến năng lượng so với quyết định thay thế với lợi tức đầu tư có thể xác nhận được.

Ví dụ, một động cơ 40 mã lực, 1800 RPM được thử nghiệm với MCSA đã xác định một số lỗi liên quan đến cơ và điện. Dữ liệu được tích hợp vào báo cáo MotorMaster Plus và tần suất hoạt động được xác định là hiệu suất 91,5% ở mức tải 90%. Giả sử chi phí năng lượng là 0,07 đô la/kWh và nhu cầu là 14 đô la/kWh, với 2000 (1 ca) hoạt động mỗi năm, một động cơ điện hiệu suất cao thay thế được xác định với thời gian hoàn vốn đơn giản 0,9 năm và 866% lợi tức đầu tư sau thuế.

Dữ liệu cũng có thể được sử dụng bởi Công cụ Đánh giá Hệ thống Bơm (PSAT), AirMaster và các công cụ khác của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Công suất chẩn đoán động cơ – Hệ thống ALL-TEST PRO MD

Sức mạnh tổng hợp của MCA và MCSA có sẵn trong bộ ALL-TEST PRO MD, được tích hợp thông qua hệ thống Phần mềm Quản lý Động cơ EMCAT, cho phép
người dùng thực hiện như sau:

• Tự động phân tích cả dữ liệu MCA và MCSA.
• Tính toán hoàn vốn thông qua hệ thống phần mềm Power System Manager và MotorMaster Plus.
• Vận hành máy móc điện
• Khắc phục sự cố máy móc điện
• Xu hướng máy móc điện
• Phân tích nguyên nhân gốc rễ của máy móc điện
• Chế độ xem toàn bộ hệ thống về tình trạng điện và cơ khí
• Đánh giá hệ thống AC/DC, tải thông qua hệ thống ‘khớp nối mềm’ (ví dụ: truyền động dòng xoáy)
• Nghiên cứu và khảo sát năng lượng.
• Hỗ trợ các công nghệ chẩn đoán khác như rung, hồng ngoại và hơn thế nữa.

Tất cả thông qua một hệ thống chẩn đoán động cơ đơn giản. Dữ liệu có thể được thu thập bằng cách sử dụng bộ thu thập dữ liệu cầm tay hoặc thông qua khả năng ‘vận hành từ xa’ thông qua máy tính hoặc máy tính xách tay (hệ thống có thể được vận hành từ xa từ màn hình máy tính).

Phần kết luận

Mục đích của sách trắng ALL-TEST Pro này là trình bày các khả năng MCSA của hệ thống chẩn đoán động cơ ALL-TEST PRO MD.
Các khả năng, như đã được chứng minh, vượt xa sự phân tích đơn giản của động cơ cảm ứng và bao gồm:

• Động cơ AC và Máy phát điện xoay chiều
• Động Cơ DC và Máy Phát Điện
• Hệ thống một pha và ba pha
• Ổ đĩa dòng điện xoáy
• Các ổ đĩa tần số biến đổi
• Chất lượng điện vào
• Tải trọng
• Nhiều hơn nữa

Các khả năng đã vượt xa những khả năng được trích dẫn trong bài báo này.

Các bài báo bổ sung sẽ được trình bày để xác định các cơ hội sử dụng chất lượng điện năng, MCA, MCSA và phát hiện lỗi liên quan đến tải.