Invoering
Conditiebewaking is een waardevol hulpmiddel voor het detecteren van storingen en het analyseren van de gezondheid van motoren. Motoren worden veel gebruikt in verschillende industriële toepassingen en kunnen in de loop van de tijd met talloze problemen te maken krijgen. Deze problemen kunnen leiden tot een lagere efficiëntie, hogere onderhoudskosten en motorstoringen als ze niet snel worden aangepakt. Conditiebewaking helpt deze storingen vroegtijdig te identificeren, wat tijdig onderhoud mogelijk maakt en kostbare storingen voorkomt. Conditiebewaking is ook waardevol om ervoor te zorgen dat motoren in een staat werken die de ontwikkeling van elektrische storingen voorkomt.
Omdat motoren zowel elektrisch als mechanisch zijn ontworpen, komen beide soorten fouten veel voor. Een veelvoorkomend misverstand is dat trillingsbewaking alleen mechanische defecten in een motor kan detecteren en dat elektrische bewaking alleen elektrische defecten in een motor kan detecteren. In werkelijkheid is er een overlap in deze technieken om motorgerelateerde defecten te identificeren vanwege de fysieke werkingsprincipes van een motor.
Het doel van dit artikel is om een overzicht te geven van elektrische storingen in motoren, hoe u deze storingen kunt detecteren en welke preventieve maatregelen u kunt nemen.
Motorwerkingsprincipes
Om elektrische storingen in motoren beter te begrijpen, zijn er enkele belangrijke principes rondom de functie van een motor die begrepen moeten worden. Dit is voornamelijk het geval bij een inductiemotor waarbij de rotatiesnelheid van het geïnduceerde magnetische veld (gedefinieerd door de elektrische lijnfrequentie en het aantal motorpolen) verschilt van de mechanische rotatiesnelheid van de motor. Deze definities staan hieronder:
- Lijnfrequentie:De lijnfrequentie is de frequentie van de wisselstroom (AC) die door het elektriciteitsnet aan de inductiemotor wordt geleverd. In de meeste regio's is de standaardlijnfrequentie 50 Hz of 60 Hz. De lijnfrequentie bepaalt de snelheid waarmee de magnetische velden in de statorwikkelingen van polariteit wisselen, wat op zijn beurt stromen in de rotor induceert om koppel en rotatie te produceren.
- Aantal motorpolen:Het aantal polen in een inductiemotor heeft direct invloed op de bedrijfseigenschappen en prestaties. Motoren met hogere polen hebben lagere synchrone snelheden en hogere koppelmogelijkheden. Motoren met 2 en 4 polen zijn het meest gebruikelijk.
- Synchrone motorsnelheid:De synchrone snelheid van een motor verwijst naar de theoretische rotatiesnelheid van het magnetische veld van de motor, gecreëerd door de statorwikkelingen. Het wordt bepaald door de frequentie van de wisselstroom (AC) die aan de motor wordt geleverd en het aantal magnetische polen in de motor.
Het synchrone toerental (Ns) van een wisselstroommotor wordt gegeven door de volgende formule:
Ns = (120 * f) / P
Waar:
Ns = Synchrone snelheid in omwentelingen per minuut (RPM)
f = Lijnfrequentie in Hertz (Hz)
P = Aantal polen in de motor
- Rotorsnelheid:De mechanische rotatiesnelheid van de rotor en de as. Deze loopt altijd achter op de synchrone snelheid voor inductiemotoren. Voor permanente magneetmotoren is deze gelijk aan de synchrone snelheid.
- Slipfrequentie:Slipfrequentie is het verschil tussen de synchrone snelheid van het roterende magnetische veld in de stator en de werkelijke snelheid van de rotor. Slip wordt ook vaak berekend als een percentage (verhouding van de slipsnelheid en synchrone snelheid), maar voor dit artikel richten we ons op de slipfrequentie omdat deze wordt gebruikt bij het bepalen van de poolpassfrequentie.
De slipfrequentie (F_s) kan worden berekend met behulp van de volgende formule:
F_s = (Ns - Nr)
Waar:
Ns = Synchrone snelheid (in omwentelingen per minuut of RPM)
Nr = Rotorsnelheid (in RPM)
- Frequentie van de poolpassage:De poolpassfrequentie is de frequentie waarop de magnetische velden van de statorwikkeling elkaar "passeren" terwijl de rotor draait. Het is een functie van zowel de lijnfrequentie als het aantal polen in de motor.
De poolpassfrequentie (F_p) kan worden berekend met behulp van de volgende formule:
F_p = F_s * P
Waar:
F_s = Slipfrequentie
P = Aantal polen
- Rotorbalk-passfrequentie:De frequentie die wordt gegenereerd op basis van het aantal rotorstaven in een motor en de rotorsnelheid. Dit is vaak moeilijk te verkrijgen vanwege de moeilijkheid om het aantal rotorstaven in een motor te bepalen, maar bevindt zich over het algemeen in de hogere frequenties.
De rotorbalk-passfrequentie (F_rb) kan worden berekend met behulp van de volgende formule:
F_rb = #rb * Nr
Waar:
#rb = Aantal rotorstaven van de motor
Nr = Rotorsnelheid
Om elektrische storingen in motoren te kunnen detecteren, is het nodig dat de amplitudeniveaus van deze frequenties nauwkeurig worden gevolgd.
Het voordeel van het detecteren van de magnetische flux van een motor
Uit de bovenstaande definities blijkt vrij duidelijk dat het berekenen en trenden van deze frequentiewaarden voor elk motormonster behoorlijk tijdrovend kan zijn. Dit geldt met name voor inductiemotoren met variërende snelheden en belastingen. Door de magnetische flux van de motor te detecteren, kan de lijnfrequentie worden bepaald. Tegelijkertijd kan de rotorsnelheid worden bepaald op basis van de accelerometergegevens. Met deze 2 variabelen gedefinieerd, kunnen de resterende frequenties eenvoudig worden verkregen en geanalyseerd op foutontwikkeling.
Soorten elektrische motorstoringen
Elektrische storingen van motoren worden doorgaans geclassificeerd als rotorgerelateerde storingen of statorgerelateerde storingen. Dit komt voornamelijk door hun storingskenmerken en grondoorzaken. De veelvoorkomende storingen en hun kenmerken worden hieronder beschreven.
Rotorfouten zijn gefocust op defecten van een of meerdere rotorstaven, of rotorexcentriciteit. Bij het diagnosticeren van rotorexcentriciteit zijn de kritische frequenties die onderzocht moeten worden veelvouden van het rotortoerental (1X, 2X, 3X, 4X, 5X) met zijbanden die 2X de lijnfrequentie van elkaar gescheiden zijn.
Rotor-excentriciteit
Voor rotorbalkproblemen zijn de kritische frequenties veelvouden van de rotorbalkdoorlaatfrequentie (1X, 2X) met zijbanden die op 2X de lijnfrequentie of 2X de pooldoorlaatfrequentie zijn geplaatst.
Rotorstang defecten
De meest voorkomende statorfouten zijn stator-excentriciteit, kortgesloten laminaties of losse verbindingen. Stator-excentriciteit en kortgesloten laminaties worden aangetroffen met hoge amplitudes bij 2x de lijnfrequentie. Ze zijn ook erg directioneel vanwege een ongelijke luchtspleet.
Stator-excentriciteit, kortgesloten laminaties
Losse verbindingen uiten zich als een faseprobleem en hebben een hoge trilling bij 2x de lijnfrequentie met zijbandruimte op ⅓ van de lijnfrequentie.
Losse of kapotte verbindingen
Belangrijk om op te merken is dat deze fouten worden geïdentificeerd met trillingen en worden opgepikt door de accelerometer. De magnetische fluxsensor zorgt voor een snelle en nauwkeurige waarde van de lijnfrequentie om deze frequenties te identificeren en de fout te lokaliseren. Het is ook belangrijk om te vermelden dat motorbelasting een belangrijke rol speelt bij het identificeren van deze fouten. Een hogere motorbelasting genereert een sterker magnetisch veld, wat resulteert in de ongelijke krachten die de trilling veroorzaken.
Extra detectiemethoden
Naast trillingsbewaking zijn er nog andere methoden om elektrische storingen in motoren te ontdekken. De meest bekende methode is een Motor Circuit Analysis (MCA), een test die wordt uitgevoerd met de motor offline en die wordt gebruikt om verschillende storingen te identificeren, zoals isolatieverlies. Extra methoden zoals Electrical Signature Analysis (ESA) en Motor Current Signature Analysis (MCSA) kunnen online worden uitgevoerd en gebruiken gegevens van de spanning, stroom of beide om storingen te identificeren.
Deze methoden zijn uiterst waardevol wanneer motorstoringen ontstaan door problemen met de stroomkwaliteit. Ze kunnen doorgaans ook elektrische storingen in een eerder stadium detecteren. Een samenvatting van deze methoden wordt weergegeven in de onderstaande tabel.
| MCA | ESA | MCSA |
|---|
Hoofddoel | Test de elektrische circuits en het isolatiesysteem van een elektromotor, waarbij u vooral let op problemen die verband houden met isolatieschade of verontreiniging. | Analyseer de elektrische en mechanische gezondheid van roterende apparatuur. Heeft het vermogen om enkele mechanische fouten in de elektrische handtekening te detecteren | Richt zich specifiek op elektromotoren en elektrische storingen door de huidige kenmerkenpatronen te analyseren. |
Offline/Online | Vereist offline motorcircuit | Vereist dat de motor draait | Vereist dat de motor draait |
Gemeten spanning | Ja (voor isolatietesten) | Ja | Nee (alleen huidige analyse) |
Gemeten stroom | Ja | Ja | Ja |
Een andere handige tool voor voorspellende motorbewaking is thermische beeldvorming. Het hoofdconcept hierbij is om te bepalen of de motor op verhoogde temperaturen draait en om te zoeken naar mogelijke gelokaliseerde hotspots. Gelokaliseerde hotspots kunnen wijzen op gedeeltelijke kortsluitingen in de stator van de motor. Hieronder vindt u een voorbeeld hiervan.
Het verborgen voordeel van continue monitoring
Elektrische storingen in motoren worden vaak pas ontdekt als het punt van falen is bereikt. Zodra dit gebeurt, wordt de motor vervangen en vanwege hun complexiteit worden ze vaak niet gedemonteerd om de hoofdoorzaak van het falen te bepalen. Dit kan leiden tot herhaaldelijke storingen en chronische problemen.
Conditiebewaking helpt dit te voorkomen door continue gegevens te verstrekken voor de variabelen die de gezondheid van de motor beïnvloeden. Door de motortemperaturen te bewaken, wordt ervoor gezorgd dat er geen isolatiedegradatie optreedt. Dit geldt ook voor lagerslijtage, wat kan leiden tot inconsistenties in de luchtspleet en in sommige gevallen contact tussen rotor en stator. Met deze aanvullende informatie kunnen de grondoorzaken van de ontwikkeling van storingen worden vastgesteld. Dit maakt het mogelijk om de focus te verleggen van postmortem-analyse van de grondoorzaak van storingen naar analyse van de grondoorzaak van storingen, wat de levensduur van de activa maximaliseert, de betrouwbaarheid aanzienlijk verhoogt en de totale onderhoudskosten verlaagt.
Veelvoorkomende oorzaken van elektrische motorstoringen
Detectie van elektrische storingen in motoren en corrigerende werkzaamheden rondom deze storingen kunnen zorgen voor een snelle toename van de betrouwbaarheid door werk te verplaatsen van een ongeplande storing naar een geplande reparatie. Deze toename van de betrouwbaarheid wordt vaak niet gerealiseerd in het onderhoudsbudget. Om onderhoudsuitgaven te verminderen, is het belangrijk om de grondoorzaken van de ontwikkeling van storingen te begrijpen en een plan op te stellen om deze te minimaliseren. Hieronder vindt u een tabel met de typische grondoorzaken die verband houden met de eerder besproken storingen.
Elektrische storingen in de motor | Veelvoorkomende grondoorzaken |
|---|
Rotor-excentriciteit | - Ongelijke lastverdeling op de rotor. |
- Uitlijningsfout tussen rotor en as. |
- Lagerdefecten of slijtage. |
Rotorstang defecten | - Overbelasting of frequent starten/stoppen. |
- Te hoge temperaturen kunnen leiden tot falen van de isolatie van de staaf. |
- Trillingen of mechanische spanningen die breuk van de staaf veroorzaken. |
Stator-excentriciteit | - Uitlijningsfout tussen de stator en de behuizing. |
- Motorframe kromtrekken door zachte voet. |
- Ongelijke luchtspleet als gevolg van productie- of montageproblemen. |
Kortgesloten laminaten | - Oververhitting veroorzaakt door een hoge motortemperatuur. |
- Overmatig starten en stoppen, wat leidt tot thermische spanningen. |
- Lagerdefecten die mechanische spanning op de lamellen veroorzaken. |
- Verontreiniging van de isolatie. |
Gebroken of losse aansluitingen | - Trillingen of mechanische spanningen als gevolg van verkeerde uitlijning of lagerdefecten. |
- Thermische cycli die uitzetting/krimp van verbindingen veroorzaken. |
- Hoge elektrische stromen die warmteontwikkeling en verzwakking van de verbindingen tot gevolg hebben. |
Het spreekt voor zich dat motorfabricage en -reparatie ook een veelvoorkomende oorzaak is van elektrische motorstoringen. Het repareren van een motor is een ingewikkeld en complex proces dat veel kwaliteitscontrole vereist. Om deze reden bestaan er verschillende verenigingen om te helpen bij het identificeren van gerenommeerde reparatiewerkplaatsen. Een van de meest bekende accreditatieorganisaties voor motorreparatiewerk is EASA. Het kiezen van een reparatiewerkplaats die EASA-geaccrediteerd is, kan een lange weg zijn in het verkrijgen van betrouwbaar reparatiewerk. Een bijkomend voordeel van continue monitoring is het identificeren van slecht reparatiewerk en het vinden van deze gevallen van kindersterfte.
Samenvatting
Conditiebewaking voor het detecteren van elektrische storingen in motoren kan nuttig zijn bij het bepalen van de gezondheid van de motor. Het identificeren van deze storingen vereist het begrijpen van meerdere frequenties die worden gegenereerd door de fysica rond het ontwerp van elke motor die wordt bewaakt. Het kennen van de lijnfrequentie die naar de motor gaat en de rotatiesnelheid van de motor vereenvoudigt het proces van het verzamelen van deze kritische frequenties aanzienlijk.
De trillingssignaturen zijn bekend en gedocumenteerd voor de specifieke elektrische storingen die worden besproken. In de praktijk zijn de signaturen vaak niet duidelijk zichtbaar over welke specifieke storing er bestaat. Het wordt voorgesteld om aanvullende testmethoden te gebruiken om het exacte type storing te valideren en verder te specificeren. Door deze methoden te combineren, ontstaat een zeer nauwkeurige definitie van het type storing en het volwassenheidsniveau ervan.
Een deel van de beste waarde van conditiebewaking voor motoren wordt verkregen door ervoor te zorgen dat de motor werkt in een staat die foutontwikkeling voorkomt. Dit wordt gedaan door ervoor te zorgen dat motoren werken op de juiste temperatuur, de lagers in een gezonde staat zijn en dat er geen extra externe krachten op de motor worden uitgeoefend. Extra waarde wordt toegevoegd door sleutelgegevens te verstrekken om de waarschijnlijke oorzaak van foutontwikkeling of -storing te bepalen. Dit helpt bij het voorkomen van terugkerende fouten en het verminderen van de directe onderhoudskosten.
Aanvullende bronnen
-Reparatiewerkplaats accreditatie
-Onderzoek naar de betrouwbaarheid van elektromotoren
-Video waarin de principes van inductiemotoren en de belangrijke frequenties worden uitgelegd
