Приборы для проверки обмотки на электроциркулярке: Приборы контроля состояния электрических машин

Испытания электродвигателей | Hioki

Знакомство с электродвигателями и причины, по которым необходимы испытания электродвигателей

Обзор

Электродвигатели используются в различных областях, включая бытовую технику, промышленное оборудование и электромобили (EV), что делает их неотъемлемой частью наша повседневная жизнь. Эти силовые устройства используют взаимодействие магнитного поля и тока для создания вращательного движения. Специализированные измерительные приборы необходимы для проверки электродвигателей, например, в процессах проектирования, разработки и производства.
В этой статье представлены основные методы тестирования электродвигателей и объясняется необходимость тестирования.

Что такое электродвигатель?

Электродвигатели, использующие вращательное движение, используются в самых разных областях, начиная от электрических изделий и заканчивая электромобилями (EV) и промышленным оборудованием. Электродвигатели можно разделить на категории в зависимости от типа источника питания, который их приводит в действие, как двигатели постоянного тока или двигатели переменного тока.

Кроме того, электродвигатели имеют множество названий (включая двигатели постоянного тока, бесщеточные двигатели постоянного тока, шаговые двигатели, двигатели переменного тока, синхронные двигатели и асинхронные двигатели) в зависимости от их назначения, принципов работы, источника питания, конструкции и характеристик.
Электродвигатели преобразуют электрическую энергию во вращательное усилие. Магниты участвуют во вращении электродвигателей. Когда ток течет по катушке, намотанной на железный сердечник, она становится магнитом. Этот тип магнита известен как электромагнит, и он действует как магнит только при протекании тока. Как и обычные магниты, электромагниты имеют северный полюс и южный полюс, а электродвигатели используют силы, заставляющие магнитные полюса притягиваться и отталкиваться друг от друга.

Зачем нужны испытания электродвигателей?

Как было сказано выше, электродвигатели играют чрезвычайно важную роль в различных электрических изделиях, электромобилях и промышленном оборудовании. Кроме того, это чрезвычайно точные устройства, в состав которых входят такие компоненты, как провода, изоляторы, сердечники и постоянные магниты. Таким образом, их производительность, эффективность и безопасность зависят от их конструкции и характеристик. Следовательно, необходимо проводить тщательные испытания, чтобы проверить состояние электродвигателей.

Методы испытаний электродвигателей, которые необходимо знать: проектирование и разработка

Измерение динамических характеристик электродвигателя работа мотора. После измерения функция высокоскоростного расчета сигнала прибора используется для расчета мощности и эффективности двигателя, а также выходной мощности инвертора, а его функция отображения X-Y используется для отображения этих результатов.

Измерение вибрации крутящего момента двигателя

Крутящий момент и вибрация электродвигателя измеряются устройством памяти HiCorder для анализа поведения двигателя во время работы. Функционал прибора для расчета БПФ используется для выполнения частотного анализа с целью выявления непредвиденных частотных составляющих, в том числе резонансных явлений, которые вызваны собственной частотой вибрации двигателя и механизма, а также вибрациями во время работы.

Измерение угла поворота резольвера

Резольверы используются в качестве датчиков для точного измерения углового положения электродвигателей. Двигатели используются в сложных условиях в течение длительного периода времени в суровых условиях, в том числе в промышленном оборудовании, сервоприводах и электромобилях. Сигналы возбуждения и выходные сигналы резольвера измеряются памятью HiCorder, а функция расчета формы волны прибора используется для расчета угла поворота резольвера. Этот угол и его взаимосвязь с другими сигналами можно проанализировать, чтобы отрегулировать последовательность управления двигателем.

Поскольку производители стремятся расширить модельный ряд электромобилей, они должны повысить энергоэффективность управления двигателем, сделав соответствующие алгоритмы более точными.

Методы испытаний электродвигателей, которые необходимо знать: производственные процессы

Измерение сопротивления обмоток электродвигателей

Проверить наличие обрыва проводки можно путем измерения сопротивления обмоток электродвигателей. Если эти измерения производить с помощью высокоточного измерителя сопротивления, производители также могут обнаружить погрешности в толщине провода и количестве витков.

Измерение индуктивности катушки двигателя

В этом тесте измеряется индуктивность обмотки. Таким образом, производители могут проверить фазовый баланс, рабочие характеристики двигателя, неравномерность вращения и согласованность между драйвером и электродвигателем.

• Измеритель LCR IM3536

• Измеритель LCR IM3523

Измерение сопротивления изоляции и испытание на выдерживаемое напряжение электродвигателя и обмотки

Изготовители проводят испытания сопротивления изоляции и испытание на выдерживаемое напряжение. Испытав изоляцию во время досмотра при транспортировке, можно обеспечить высокий уровень безопасности.

Наблюдение за частичным разрядом во время испытаний на выдерживаемое напряжение

Случаи частичного разряда можно обнаружить, наблюдая за формами тока и напряжения во время испытаний на выдерживаемое напряжение. Частичные разряды могут привести к пробою изоляции. Проверяя наличие таких разрядов, производители могут выявить скрытые дефекты катушек.

Проверка на короткое замыкание в обмотках двигателя

Этот процесс помогает производителям обнаруживать нарушения изоляции (короткие замыкания) и ухудшение характеристик обмоток двигателя. Путем количественной оценки форм отклика во время такого тестирования можно обнаруживать дефекты с более высоким уровнем точности, чем это возможно с помощью обычных методов.

Заключение

В качестве силовых устройств, которые используют взаимодействие магнитных полей и тока для создания вращательного движения, электродвигатели используются для питания различных устройств, от бытовых приборов до крупных промышленных машин. Поскольку производительность, эффективность и безопасность электродвигателей зависят от их конструкции и характеристик, производители все чаще подвергают их всесторонним испытаниям.

Как насчет проведения тестов, используя методы тестирования, представленные в этой статье?

Применение

Как использовать

Сопутствующие товары

• Память HiCorder MR6000
• Измеритель сопротивления RM3545
• Измеритель сопротивления RM3548
LCR Измеритель 47 Измеритель LCR IM3523
• Тестер изоляции ST5520
• Импульсный тестер обмотки ST4030A

Новый метод проверки обмоток двигателя/генератора на электрическую целостность

Измерение сопротивления обмоток генераторов и двигателей является одним из основных тестов, используемых при заводских приемочных испытаниях и во время периодических контрольных испытаний. Этот тест может обнаружить различные проблемы в обмотках вращающихся машин, в том числе межвитковое короткое замыкание в обмотках, которое снижает способность двигателя/генератора создавать сбалансированное магнитное поле, и междуфазное короткое замыкание, которое в большинстве случаев случаях приводит к отключению двигателя/генератора и т. д. Обычная процедура измерения сопротивления обмотки заключается в использовании постоянного тока, ожидании стабилизации сопротивления и регистрации значения сопротивления. Значение сопротивления зависит от температуры обмотки; поэтому необходимо скорректировать значение до эталонной температуры.

В последнее время производители вращающихся машин и контрольно-измерительных приборов объединили усилия для разработки нового метода испытаний, способного обнаруживать даже небольшие нарушения целостности обмотки (слабые соединения), которые невозможно обнаружить при традиционном способе проверки сопротивления обмотки. Новый метод требует высокого постоянного испытательного тока не менее 300 А и возможности проведения непрерывного испытания для выделения тепла в слабых местах генератора. Цепь измерения должна непрерывно регистрировать значения сопротивления с очень высокой точностью, чтобы обнаруживать даже очень небольшие изменения сопротивления (в диапазоне нескольких мкОм).

Этот тест имеет большое значение для владельцев активов и производителей крупных генераторов с номинальным током в тысячи ампер. Даже небольшие нарушения в соединениях могут привести к значительному повышению температуры, сконцентрированному в одной точке. Поскольку вращающиеся машины обычно работают в условиях сильной вибрации и механических нагрузок, небольшие отклонения могут привести к серьезным отказам.

ОБСЛУЖИВАНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ МАШИН

Рынок предлагает широкий ассортимент электрических вращающихся машин (двигателей и генераторов). Они являются ключевыми компонентами в энергетическом и промышленном секторах. Электрические машины используются в важных приложениях и должны быть надежными, поскольку отказ может нанести огромный ущерб машинам, а также всей системе, что приведет к большим экономическим потерям. Генераторы в процессе эксплуатации подвергаются различным негативным воздействиям:

• Термический: высокие и низкие температуры, перегрузка, точки перегрева
• Электрика: Частичные разряды, скачки напряжения, перенапряжения
• Окружающая среда: Загрязнение, влажность, частицы
• Механический: Вибрация

Чрезвычайно важно разработать стратегию обслуживания, которая не только найдет отказ, но и предскажет возможные отказы (например, отсутствие показанного здесь клина) и предоставит оценку оставшегося срока службы актива. Стратегия должна включать набор методов испытаний, используемых для исследования состояния различных частей двигателя путем проверки изоляции, соединений, потерь мощности, вибрации и т. д., чтобы повысить надежность актива и продлить срок службы.

Отсутствующий клин в верхней части вызвал отказ катушки.[1]

СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СТАНДАРТЫ

К счастью, соответствующие стандарты и руководства четко определяют процедуры испытаний вращающихся машин. Стандарты и руководства определяются на основе совместной работы и опыта многочисленных соответствующих компаний по всему миру. Важно упомянуть эти соответствующие стандарты:

• IEEE Std. 43-2013, Рекомендованная практика IEEE для проверки сопротивления изоляции электрических машин
• IEEE Std. 112-2017, Стандартная процедура испытаний IEEE для многофазных асинхронных двигателей и генераторов
• IEEE 1415-2006, Руководство IEEE по испытаниям технического обслуживания асинхронных машин и анализу отказов  

Кроме того, производители могут получить справочники и руководства по техническому обслуживанию, созданные в соответствии с применимыми стандартами и собственным опытом.

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

Ротационная машина должна подвергаться испытаниям и проверкам на каждом этапе ее жизненного цикла, включая производственные и заключительные испытания, ввод в эксплуатацию, периодические плановые испытания, после выявления неисправного состояния и после ремонта/восстановления. Доступны и рекомендуются несколько методов электрических диагностических испытаний, позволяющих оценить состояние различных компонентов роторной машины. Общие методы электрических испытаний включают в себя:

• Испытание емкости и тангенса δ
• Испытание на частичный разряд (ЧР)
• Испытание на выдерживаемое напряжение
• Проверка сопротивления изоляции
• Проверка сопротивления обмотки постоянного тока
• Проверка сопротивления соединения
• SFRA (анализ частотной характеристики с разверткой)

В этой статье основное внимание уделяется двум аналогичным тестам: сопротивлению обмотки постоянному току и контактному сопротивлению.

Измерение сопротивления обмотки 

При проверке сопротивления обмотки постоянного тока проверяются обмотки статора и ротора, а также все соединения цепи. Процедуры измерения сопротивления обмотки приведены в стандарте IEEE Std. 118-1978, Стандартный код испытаний IEEE для измерения сопротивления и IEEE Std. 119-1974,  Рекомендуемая практика IEEE для общих принципов измерения температуры применительно к электрическому оборудованию. Процедуры должны соблюдаться при измерении сопротивления обмотки статора и обмотки ротора на машинах с фазным ротором. Результаты испытаний также используются для расчета потерь мощности в обмотках статора ( I2 R).

Измерение сопротивления соединения  

Тест измерения контактного сопротивления направлен только на проверку отдельных контактов. Контактное сопротивление обычно очень мало, от единиц до десятков мкОм. Точное и надежное измерение требует более высокого испытательного тока для создания более высокого падения напряжения (измеряемого сигнала). Во время производственного процесса на заводе важно проверить сопротивление соединения, чтобы убедиться, что все провода, обмотки и выводы подключены правильно, что означает плотный контакт с хорошим давлением без возможности перемещения и тряски. Недостаточный контакт вызовет более высокое сопротивление, за которым последуют более высокие потери мощности в виде нагрева. Нагрев концентрируется в слабом месте (соединение) и может создать большую проблему в виде повреждения обмоток или изоляции.

Прибор для измерения напряжения постоянного тока используется для измерения сопротивления обмотки R . Тестовые кабели должны быть подключены к выходам машины, и сопротивление будет измеряться между этими точками. Постоянное и постоянное напряжение измеряются одновременно для каждой фазы, а сопротивление рассчитывается просто как:

Однако двигатели и генераторы являются индуктивными нагрузками, а обмотки статора и ротора имеют индуктивность L и емкость C в дополнение к сопротивлению Р . Это означает, что досягаемость испытательного тока должна быть немного больше, чем в случае чисто резистивного шунта. Обычно в начале измерения сопротивление немного отличается от ожидаемого, но оно стабилизируется на ожидаемом значении через определенный период, определяемый постоянной времени цепи RLC.

После завершения теста часть индуктивной или емкостной энергии остается в цепи. Испытательное устройство должно иметь безопасную цепь разряда, способную отводить оставшуюся энергию после завершения испытания сопротивления обмотки.

Четырехпроводной метод измерения 

Проверка сопротивления обмотки обычно выполняется с использованием четырехпроводного метода измерения. Это обеспечивает наиболее надежные результаты испытаний и сводит к минимуму влияние испытательной установки, поскольку гарантирует, что сопротивление соединительных токопроводящих кабелей не будет включено в измерение.

Испытательный ток пропускают через обмотки с помощью сильноточных кабелей. Падение напряжения на обмотках измеряется с помощью измерительных кабелей. Расположение кабелей очень важно. Кабели тока всегда должны располагаться вне сенсорных кабелей. Таким образом, сопротивление кабелей и зажимов почти полностью исключается из измерения сопротивления (рис. 1).

Рис. 1: Подключение РМО-М к объекту испытаний[2]

Термокомпенсация сопротивления

Обмотки генератора изготовлены из материалов (обычно Cu), сопротивление которых зависит от температуры. Поскольку испытание сопротивления обмотки является сравнительным методом, значения сопротивления должны быть скорректированы по температуре до эталонной температуры для сравнения результатов. Поправка сопротивления на температуру выполняется в соответствии со следующим уравнением из IEEE Std. 112-2017 ^[3] :

Где:

R _a – измеренное значение сопротивления обмотки при температуре a – температура обмотки в ˚C. при измерении сопротивления R _a

t _b эталонная температура для компенсации сопротивления

b

1 R 22 4 — измеренное значение сопротивления обмотки с поправкой на температуру t _b

k ₁ — удельный температурный коэффициент материала обмотки (например, 234,5 для меди или 2900 для алюминия) Температурный канал тестового устройства позволяет измерять значение температуры всякий раз, когда записывается значение сопротивления. Для повышения точности измерения температуры можно использовать дополнительные датчики температуры. Следует использовать среднюю температуру всех измеренных датчиков, если сопротивление было измеренной температурой обмотки в момент измерения сопротивления. Это необходимо для компенсации значения сопротивления относительно эталонной температуры.

N ПОДХОД К ИСПЫТАНИЯМ EW

Основной целью предлагаемого метода испытаний является обнаружение небольших неоднородностей контактов в обмотках больших генераторов с высоким номинальным током, где даже небольшая неравномерность в обмотках, соединениях или соединениях может создать огромная проблема. Любая неравномерность контакта увеличивает сопротивление.

Потери мощности при нагреве пропорциональны квадрату тока ( P = RI² ). В случае генераторов с высоким номинальным током даже небольшие изменения сопротивления будут создавать значительный нагрев, сосредоточенный в этой точке. Чтобы лучше понять потенциальную проблему, повышенное сопротивление на 10 мкОм при номинальном токе 8000 А приводит к дополнительному нагреву в этой точке на 640 Вт.

Новый тест может иметь огромное преимущество на заводе, так как позволяет убедиться, что все правильно подключено перед транспортировкой генератора к заказчику. Также было бы полезно выполнить этот тест во время ввода в эксплуатацию, чтобы определить, не вызвали ли транспортировка и установка какие-либо проблемы с подключением.

Метод обнаружения изменений заключается в подаче сильного тока через обмотки генератора — достаточно сильного, чтобы инициировать нагрев слабых мест. Инициированный нагрев должен влиять на сопротивление, которое можно определить путем измерения устройства при непрерывной записи значений сопротивления. Также важно, чтобы испытательный ток протекал непрерывно в течение определенного периода времени. В течение этого периода измерения сопротивление обмотки будет периодически записываться (например, каждую секунду). На основании многочисленных экспериментальных испытаний на больших ветряных генераторах предлагается продолжительность испытаний 60 секунд и время выборки 1 секунда.

Соединения и соединения внутри генератора могут представлять собой слабые места, подверженные механическим нагрузкам и производственным дефектам. Метод испытаний должен определять, существуют ли какие-либо отклонения в этих соединениях.

Испытательное устройство должно быть достаточно мощным, чтобы пропускать большой испытательный ток через обмотки генератора в течение длительного времени. Электрическая цепь содержит сопротивление кабеля и сопротивление обмотки. Тестовое устройство (рис. 2), специально разработанное для этого приложения, может обеспечить испытательный ток 300 А постоянного тока в течение 600 секунд (меньший испытательный ток может работать в течение неограниченного времени) и может измерять сопротивление обмотки большинства крупных генераторов с сопротивлением обмотки примерно до 30 мОм.

Рисунок 2a: Типовые клеммные соединения с обмотками генератора (двухобмоточные системы) мкОм-с), испытательное устройство должно иметь высокую точность. Устройство, используемое для этого теста, имеет типичную точность ± (0,1 % показаний + 0,1 % полной шкалы) и разрешение 0,1 мкОм для диапазона 0 мкОм–999,9 мкОм и 1 мкОм для диапазона 1000 мОм–9.0,999 мОм, где rdg — показание, а FS — значение полной шкалы. Стандарт IEEE 112-2017 требует, чтобы испытательное устройство имело действующий сертификат калибровки в течение 12 месяцев и минимальную точность ±0,2% от полной шкалы.

При проверке результатов испытаний необходимо проанализировать сопротивление обмотки и сопротивление поведения в период испытаний (рис. 3). На основе экспериментальных испытаний был сделан вывод, что 60 секунд достаточно, чтобы уловить стабильное значение сопротивления. Этого периода также достаточно, чтобы показать изменение сопротивления, если присутствует некоторая неравномерность.

Рисунок 3: Типовой график измерения сопротивления обмотки, записывающий каждую секунду в течение 60-секундного периода

Если обнаружены и подтверждены непредвиденные значения сопротивления и поведение сопротивления в течение периода измерения, необходимо провести дополнительные испытания и проверки. Это включает в себя визуальный осмотр каждого соединения и стыка в обмотках и измерение сопротивления соединения непосредственно на соединениях с использованием высокого испытательного тока 300 А постоянного тока. Должно быть подтверждено хорошее соединение между соединениями и измерительными проводами.

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

При проведении испытания сопротивления обмотки результаты испытаний обычно следует сравнивать с эталонными результатами между различными фазами или с родственным блоком. Изменение указывает на возможную проблему с подключением или повреждение обмотки. В некоторых методах тестирования важно ориентироваться не только на значение поведения результатов тестирования, но и на заданный период.

ПРИМЕР

Испытываемый генератор представляет собой ветряной генератор с прямым приводом и постоянными магнитами. Постоянная номинальная мощность 11 МВт. Генератор имеет две системы, каждая из которых имеет 3 фазы, подключенные к преобразователю.

Преобразователи управляют генератором и питающей сетью (обычно между 20 кВ и 66 кВ).

Из-за высокого номинального тока две кабельные системы испытуемого генератора необходимо испытывать отдельно. Результаты испытаний между тремя фазами для обеих систем представлены на рис. 4–9.

Рисунок 6: Система измерения сопротивления обмотки генератора 1 фаза U-W Рис. 7: Система измерения сопротивления обмотки генератора, 2 фазы U-V Рис. 8: Система измерения сопротивления обмотки генератора, 2 фазы V-W Рис. 9: Система измерения сопротивления обмотки генератора, 2 фазы U-W 9006 типовой график сопротивления обмоток испытанных ветрогенераторов.

Рисунок 10: График сопротивления обмоток для ветряных генераторов

Примечание. График увеличен, и общее изменение сопротивления довольно мало — примерно 6 мкОм. Однако на графике можно выделить две зоны:

• Первая зона — процесс стабилизации. В этом случае (большой генератор с постоянным магнитом вместо обмоток ротора) доминирующей составляющей является емкость, а не индуктивность. Генератор имеет высокую емкость, которая со временем заряжается и вызывает процесс стабилизации, определяемый постоянной времени RC . Обмотки с большим поперечным сечением, большим количеством изоляционных материалов и большими поверхностными соединениями вызывают высокую емкость между компонентами и компонентами на землю.
• Во второй зоне преобладающим компонентом в цепи является сопротивление R , которое представляет интерес. Изменения значения сопротивления на этом графике, скорее всего, вызваны нагревом. Небольшие различия между образцами (0,5 мкОм) не представляют интереса, так как вызваны несовершенством реального тестового устройства. Нас интересует тенденция изменения значения сопротивления при увеличении наклона графика во второй зоне.

Пример изменения сопротивления, вызванного нагревом, представлен на рисунке 11. Тенденция изменения (увеличения) сопротивления заметна даже во второй части графика.

Рисунок 11: Изменение сопротивления, вызванное нагревом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Понимание того, насколько большие и дорогостоящие проблемы могут возникнуть в случае отказа генератора или двигателя, определит различные стратегии проверки и технического обслуживания. Например, надежность генераторов, используемых в производстве электроэнергии, имеет решающее значение, поэтому стратегия обслуживания довольно строгая и постоянно совершенствуется с использованием новых методов тестирования и онлайн-мониторинга.

Предлагаемый метод испытаний дает преимущества на различных этапах жизненного цикла генератора. Этот метод можно использовать для проверки производственного процесса и устранения возможных производственных дефектов. Тест предоставит информацию о значении сопротивления обмотки, а также о тенденции изменения значения. Сомнительные результаты могли инициировать дополнительную проверку всех соединений и соединений в обмотках генератора.

Тест может быть полезен во время пуско-наладочных испытаний, чтобы убедиться, что транспортировка генератора не привела к повреждению соединений и соединений обмотки. Поскольку генератор ветряной турбины работает в сложных условиях из-за погодных условий, вибрации, механических нагрузок и т. д., может быть полезно периодически выполнять рутинную процедуру.

Поскольку метод является новым, неудачи и опыт, накопленный с течением времени, могут привести к некоторым изменениям в методе. Одним из возможных улучшений является использование более высокого испытательного тока. Более высокий испытательный ток может привести к большему нагреву слабых мест обмоток генератора, что может привести к изменению сопротивления. Однако следует также учитывать номинальный ток генератора, а испытательный ток не должен быть слишком большим; в противном случае он может нагреть всю обмотку и увеличить сопротивление. Это потребует более сложного анализа. Для операторов, которые следуют стандартам ANSI/IEEE, максимальный испытательный ток не должен превышать 15 % от номинального тока. Для тех, кто следует IEC, максимальный испытательный ток должен составлять 10 % от номинального тока.

ССЫЛКИ

[1] Пенроуз, Ховард В. «Почему ветряные генераторы умирают молодыми и как заставить их работать дольше». Ветроэнергетика. Доступ на www.windpowerengineering.com/why-wind-generators-die-young-and-how-to-make-them-work-longer/. [2] Мощность DV. DV Power Manual RMO-GM — M-RXX0MN-307-E. Май 2019 г. Доступ по адресу www.dv-power.com/download/rmo-a-series-user-manual/.

[3] Стандарт IEEE. 112-2017, Стандартная процедура испытаний IEEE для многофазных асинхронных двигателей и генераторов . [4] Стандарт IEEE. 43-2013, Рекомендованная практика IEEE для проверки сопротивления изоляции электрических машин . [5] IEEE 1415-2006, Руководство IEEE по испытаниям технического обслуживания асинхронных машин и анализу отказов .

Эдис Османбасик — специалист по применению и тестированию в DV Power, Швеция.