Einführung
Die Zustandsüberwachung ist ein wertvolles Werkzeug zur Fehlererkennung und Analyse des Zustands von Motoren. Motoren werden in zahlreichen Industrieanwendungen eingesetzt und können im Laufe der Zeit zahlreiche Probleme aufweisen. Diese Probleme können zu einer verringerten Effizienz, höheren Wartungskosten und einem Motorausfall führen, wenn sie nicht umgehend behoben werden. Die Zustandsüberwachung hilft dabei, diese Fehler frühzeitig zu erkennen, sodass eine rechtzeitige Wartung möglich ist und kostspielige Ausfälle vermieden werden. Die Zustandsüberwachung ist auch wertvoll, um sicherzustellen, dass Motoren in einem Zustand betrieben werden, in dem die Entstehung elektrischer Fehler verhindert wird.
Da Motoren sowohl elektrisch als auch mechanisch sind, kommen beide Fehlerarten häufig vor. Ein häufiges Missverständnis ist, dass die Schwingungsüberwachung nur mechanische Defekte in einem Motor erkennen kann und dass die elektrische Überwachung nur elektrische Fehler in einem Motor erkennen kann. In Wirklichkeit gibt es aufgrund der physikalischen Funktionsprinzipien eines Motors eine Überschneidung dieser Techniken zur Erkennung motorbezogener Fehler.
Der Zweck dieses Artikels besteht darin, elektrische Fehler an Motoren zusammenzufassen und zu erläutern, wie diese Fehler erkannt und vermieden werden können.
Funktionsprinzipien des Motors
Um elektrische Motorfehler besser zu verstehen, müssen einige grundlegende Prinzipien der Motorfunktion verstanden werden. Dies gilt vor allem für Induktionsmotoren, bei denen die Drehzahl des induzierten Magnetfelds (definiert durch die Netzfrequenz und die Anzahl der Motorpole) von der mechanischen Drehzahl des Motors abweicht. Diese Definitionen finden Sie unten:
- Netzfrequenz:Die Netzfrequenz ist die Frequenz des Wechselstroms (AC), der dem Induktionsmotor vom Stromnetz zugeführt wird. In den meisten Regionen beträgt die Standardnetzfrequenz 50 Hz oder 60 Hz. Die Netzfrequenz bestimmt die Rate, mit der die Magnetfelder in den Statorwicklungen ihre Polarität wechseln, was wiederum Ströme im Rotor induziert, um Drehmoment und Rotation zu erzeugen.
- Anzahl der Motorpole:Die Anzahl der Pole eines Induktionsmotors wirkt sich direkt auf seine Betriebseigenschaften und Leistung aus. Motoren mit mehr Polen haben niedrigere Synchrondrehzahlen und höhere Drehmomente. 2- und 4-polige Motoren sind am gebräuchlichsten.
- Synchrondrehzahl des Motors:Die Synchrondrehzahl eines Motors bezieht sich auf die theoretische Drehzahl des Magnetfelds des Motors, das durch die Statorwicklungen erzeugt wird. Sie wird durch die Frequenz des dem Motor zugeführten Wechselstroms (AC) und die Anzahl der Magnetpole im Motor bestimmt.
Die Synchrondrehzahl (Ns) eines Wechselstrommotors ergibt sich aus der folgenden Formel:
Ns = (120 * f) / P
Wo:
Ns = Synchrondrehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM)
f = Netzfrequenz in Hertz (Hz)
P = Anzahl der Pole im Motor
- Rotordrehzahl:Die mechanische Drehzahl von Rotor und Welle. Bei Induktionsmotoren hinkt diese immer der Synchrondrehzahl hinterher. Bei Permanentmagnetmotoren ist sie gleich der Synchrondrehzahl.
- Schlupffrequenz:Die Schlupffrequenz ist die Differenz zwischen der Synchrondrehzahl des rotierenden Magnetfelds im Stator und der tatsächlichen Drehzahl des Rotors. Der Schlupf wird häufig auch als Prozentsatz berechnet (Verhältnis von Schlupfdrehzahl und Synchrondrehzahl), in diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf die Schlupffrequenz, da sie zur Bestimmung der Poldurchgangsfrequenz verwendet wird.
Die Schlupffrequenz (F_s) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
F_s = (Ns - Nr)
Wo:
Ns = Synchrondrehzahl (in Umdrehungen pro Minute oder RPM)
Nr = Rotordrehzahl (in U/min)
- Poldurchgangsfrequenz:Die Poldurchgangsfrequenz ist die Frequenz, mit der die Magnetfelder der Statorwicklungen einander „berühren“, wenn sich der Rotor dreht. Sie ist sowohl von der Netzfrequenz als auch von der Anzahl der Pole im Motor abhängig.
Die Poldurchgangsfrequenz (F_p) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
F_p = F_s * P
Wo:
F_s = Schlupffrequenz
P = Polzahl
- Rotorstab-Durchgangsfrequenz:Der Frequenz, die basierend auf der Anzahl der Rotorstäbe in einem Motor und der Rotordrehzahl erzeugt wird. Diese ist oft schwer zu ermitteln, da es schwierig ist, die Anzahl der Rotorstäbe in einem Motor zu bestimmen, liegt aber im Allgemeinen im höheren Frequenzbereich.
Die Rotorstabdurchgangsfrequenz (F_rb) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
F_rb = #rb * Nr
Wo:
#rb = Anzahl der Rotorstäbe des Motors
Nr = Rotordrehzahl
Die Fähigkeit, elektrische Fehler im Motor zu erkennen, beruht auf der zuverlässigen Entwicklung der Amplitudenwerte dieser Frequenzen.
Der Nutzen der Erfassung des magnetischen Flusses eines Motors
Aus den obigen Definitionen geht ziemlich klar hervor, dass das Berechnen und Ermitteln dieser Frequenzwerte für jede Motorprobe ziemlich zeitaufwändig sein kann. Dies gilt insbesondere für Induktionsmotoren mit unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten. Durch Erfassen des magnetischen Flusses des Motors kann die Netzfrequenz bestimmt werden. Gleichzeitig kann die Rotordrehzahl aus den Daten des Beschleunigungsmessers bestimmt werden. Wenn diese beiden Variablen definiert sind, können die verbleibenden Frequenzen leicht ermittelt und auf Fehlerentwicklung analysiert werden.
Arten von elektrischen Motorfehlern
Elektrische Motorfehler werden normalerweise als Rotorfehler oder Statorfehler klassifiziert. Dies liegt hauptsächlich an ihren Fehlersignaturen und Grundursachen. Die häufigsten Fehler und ihre Signaturen werden unten beschrieben.
Bei Rotorfehlern handelt es sich um Defekte an einem oder mehreren Rotorstäben oder um Rotorexzentrizität. Bei der Diagnose der Rotorexzentrizität sind die zu untersuchenden kritischen Frequenzen ein Vielfaches der Rotordrehzahl (1X, 2X, 3X, 4X, 5X) mit Seitenbändern im Abstand von 2x der Netzfrequenz.
Rotorexzentrizität
Bei Rotorstabproblemen sind die kritischen Frequenzen Vielfache der Rotorstabdurchgangsfrequenz (1X, 2X) mit Seitenbändern im Abstand von 2X der Netzfrequenz oder 2X der Poldurchgangsfrequenz.
Rotorstabdefekte
Die häufigsten Statorfehler sind Statorexzentrizität, Kurzschlüsse in den Lamellen oder lose Verbindungen. Statorexzentrizität und Kurzschlüsse in den Lamellen treten mit hohen Amplituden bei der doppelten Netzfrequenz auf. Aufgrund eines ungleichmäßigen Luftspalts sind sie außerdem stark richtungsabhängig.
Statorexzentrizität, kurzgeschlossene Lamellen
Lose Verbindungen stellen ein Phasenproblem dar und weisen eine hohe Vibration bei der doppelten Leitungsfrequenz auf, wobei der Seitenbandabstand bei ⅓ der Leitungsfrequenz liegt.
Lose oder defekte Verbindungen
Wichtig zu beachten ist, dass diese Fehler durch Vibrationen identifiziert und vom Beschleunigungsmesser erfasst werden. Der Magnetflusssensor ermöglicht einen schnellen und genauen Wert der Netzfrequenz, um diese Frequenzen zu identifizieren und den Fehler zu lokalisieren. Es ist auch wichtig zu erwähnen, dass die Motorlast bei der Identifizierung dieser Fehler eine wichtige Rolle spielt. Eine höhere Motorlast erzeugt ein stärkeres Magnetfeld, was zu ungleichmäßigen Kräften führt, die die Vibration verursachen.
Zusätzliche Nachweismethoden
Neben der Schwingungsüberwachung gibt es noch weitere Methoden, um elektrische Fehler in Motoren aufzudecken. Die bekannteste Methode ist die Motorstromkreisanalyse (MCA), ein Test, der mit dem Motor offline durchgeführt wird und dazu dient, verschiedene Fehler wie Isolationsverlust zu identifizieren. Weitere Methoden wie die Elektrische Signaturanalyse (ESA) und die Motorstromsignaturanalyse (MCSA) können online durchgeführt werden und nutzen Daten von Spannung, Strom oder beidem, um Fehler zu identifizieren.
Diese Methoden sind äußerst wertvoll, wenn sich aufgrund von Problemen mit der Stromqualität Motorfehler entwickeln. Sie können elektrische Fehler normalerweise auch früher erkennen. Eine Übersicht dieser Methoden finden Sie in der folgenden Tabelle.
| MCA | ESA | MCSA |
|---|
Hauptzweck | Testen Sie die Stromkreise und das Isolationssystem eines Elektromotors und suchen Sie dabei vor allem nach Problemen im Zusammenhang mit Isolationsfehlern oder Verunreinigungen. | Analysieren Sie den elektrischen und mechanischen Zustand rotierender Geräte. Kann einige mechanische Fehler in der elektrischen Signatur erkennen. | Zielt speziell auf Elektromotoren und elektrische Fehler durch die Analyse der aktuellen Signaturmuster ab. |
Offline/Online | Erfordert Motorschaltung offline | Erfordert den laufenden Motor | Erfordert den laufenden Motor |
Gemessene Spannung | Ja (für Isolationsprüfungen) | Ja | Nein (nur aktuelle Analyse) |
Gemessener Strom | Ja | Ja | Ja |
Ein weiteres nützliches Werkzeug zur vorausschauenden Überwachung von Motoren ist die Wärmebildgebung. Das Hauptkonzept besteht darin, festzustellen, ob der Motor bei erhöhten Temperaturen läuft, und nach potenziellen lokalen Hotspots zu suchen. Lokale Hotspots können auf partielle Kurzschlüsse im Motorstator hinweisen. Ein Beispiel hierfür finden Sie unten.
Der versteckte Vorteil der kontinuierlichen Überwachung
Elektrische Motorfehler bleiben oft unentdeckt, bis der Ausfallpunkt erreicht ist. Sobald dies geschieht, wird der Motor ausgetauscht. Aufgrund ihrer Komplexität werden sie jedoch oft nicht zerlegt, um die Grundursache des Fehlers zu ermitteln. Dies kann zu wiederholten Ausfällen und chronischen Problemen führen.
Die Zustandsüberwachung hilft, dies zu verhindern, indem sie kontinuierlich Daten für die Variablen liefert, die den Motorzustand beeinflussen. Die Überwachung der Motortemperaturen stellt sicher, dass keine Verschlechterung der Isolierung auftritt. Dies gilt auch für Lagerverschleiß, der zu Luftspaltinkonsistenzen und in einigen Fällen zu Kontakt zwischen Rotor und Stator führen kann. Diese zusätzlichen Informationen können dabei helfen, die Grundursachen der Fehlerentwicklung zu ermitteln. Dies ermöglicht eine Fokusverschiebung von der postmortalen Fehlerursachenanalyse zur Fehlerursachenanalyse, was die Lebensdauer der Anlage maximiert, die Zuverlässigkeit erheblich erhöht und die Gesamtwartungskosten senkt.
Häufige Ursachen für elektrische Motorfehler
Das Erkennen elektrischer Motorfehler und die Behebung dieser Fehler kann die Zuverlässigkeit schnell erhöhen, indem die Arbeit von einem ungeplanten Ausfall zu einer geplanten Reparatur verlagert wird. Diese Erhöhung der Zuverlässigkeit wird im Wartungsbudget oft nicht berücksichtigt. Um die Wartungsausgaben zu senken, ist es wichtig, die Grundursachen der Fehlerentwicklung zu verstehen und einen Plan zur Minimierung dieser Fehler zu erstellen. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den typischen Grundursachen der zuvor besprochenen Fehler.
Elektrische Motorfehler | Häufige Ursachen |
|---|
Rotorexzentrizität | - Ungleichmäßige Lastverteilung auf dem Rotor. |
- Fehlausrichtung zwischen Rotor und Welle. |
- Lagerdefekte oder Verschleiß. |
Rotorstabdefekte | - Überlastung oder häufiges Starten/Stoppen. |
- Übermäßige Temperaturen führen zum Ausfall der Schienenisolierung. |
- Vibrationen oder mechanische Belastungen, die zum Bruch der Stange führen. |
Statorexzentrizität | - Fehlausrichtung zwischen Stator und Gehäuse. |
- Verformung des Motorrahmens durch einen weichen Fuß. |
- Ungleichmäßiger Luftspalt aufgrund von Herstellungs- oder Montageproblemen. |
Kurzgeschlossene Lamellen | - Überhitzung durch hohe Motortemperatur. |
- Übermäßiges Anfahren und Abbremsen führt zu thermischen Belastungen. |
- Lagerdefekte, die eine mechanische Belastung der Blechlamellen verursachen. |
- Verschmutzung der Isolierung. |
Defekte oder lose Anschlüsse | - Vibrationen oder mechanische Belastungen aufgrund von Fluchtungsfehlern oder Lagerdefekten. |
- Thermische Zyklen führen zu einer Ausdehnung/Kontraktion der Verbindungen. |
- Hohe elektrische Ströme führen zur Hitzeentwicklung und Schwächung der Verbindungen. |
Es versteht sich von selbst, dass die Herstellung und Reparatur von Motoren auch eine sehr häufige Ursache für elektrische Motorfehler ist. Die Reparatur eines Motors ist ein komplizierter und aufwändiger Prozess, der ein hohes Maß an Qualitätskontrolle erfordert. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Verbände, die bei der Identifizierung seriöser Reparaturwerkstätten helfen. Eine der bekanntesten Akkreditierungsorganisationen für Motorreparaturarbeiten ist die EASA. Die Wahl einer von der EASA akkreditierten Reparaturwerkstatt kann einen großen Beitrag zur Erlangung zuverlässiger Reparaturarbeiten leisten. Ein zusätzlicher Vorteil der kontinuierlichen Überwachung besteht darin, schlechte Reparaturarbeiten zu erkennen und diese Fälle von Kindersterblichkeit aufzudecken.
Zusammenfassung
Die Zustandsüberwachung zur Erkennung elektrischer Motorfehler kann bei der Bestimmung des Motorzustands hilfreich sein. Um diese Fehler zu identifizieren, muss man mehrere Frequenzen verstehen, die durch die Physik rund um die Konstruktion jedes überwachten Motors erzeugt werden. Die Kenntnis der Netzfrequenz des Motors und der Motordrehzahl vereinfacht das Erfassen dieser kritischen Frequenzen erheblich.
Die Schwingungssignaturen sind für die besprochenen spezifischen elektrischen Fehler gut bekannt und dokumentiert. In der Praxis ist jedoch oft nicht klar ersichtlich, um welchen spezifischen Fehler es sich handelt. Es wird empfohlen, zusätzliche Testmethoden zu verwenden, um den genauen Fehlertyp zu validieren und genauer zu spezifizieren. Die Kombination dieser Methoden führt zu einer äußerst genauen Definition des Fehlertyps und seines Reifegrads.
Der größte Nutzen der Zustandsüberwachung für Motoren ergibt sich aus der Sicherstellung, dass der Motor in einem Zustand betrieben wird, in dem Fehlerentwicklungen verhindert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass sichergestellt wird, dass die Motoren bei der richtigen Temperatur betrieben werden, die Lager in einwandfreiem Zustand sind und dass der Motor keinen zusätzlichen externen Kräften ausgesetzt ist. Ein zusätzlicher Mehrwert entsteht durch die Bereitstellung von Schlüsseldaten zur Ermittlung der wahrscheinlichen Ursache von Fehlerentwicklung oder Ausfall. Dies trägt dazu bei, wiederkehrende Fehler zu verhindern und die direkten Wartungskosten zu senken.
Weitere Ressourcen
-Reparaturwerkstatt-Akkreditierung
-Studie zur Zuverlässigkeit von Elektromotoren
-Video, das die Prinzipien des Induktionsmotors und die wichtigen Frequenzen erklärt
