1. No category

ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2014/09-SE
Examensarbete 15 hp
Januari 2015
Statusbedömning av asynkronmotorer
Arvid Brännholm
Peter Dicksen
Abstract
Fault diagnosis of induction motors
Arvid Brännholm, Peter Dicksen
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet
UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet
Lägerhyddsvägen 1
Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536
751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Induction motors, often referred to as
the workhorse of the industry, play an
important role in production today.
Therefore, it's important to diagnose
any faulty induction motor prior to
failure to avoid costly and time
consuming production stops.
This thesis compares methods for
diagnosing induction motors in
operation, MCSA, Park's vector approach
and the standard method used by Swedish
industries today. By simulating broken
rotor bars and short-circuit in one of
the windings, each method is tested and
the results are compared using matlab.
The results need further verification
due to uncertainties of the condition of
the test motor, even though the
experiment gives a hint of the different
advantages of each method.
A combination of the methods should be
able to tell if the motor needs further
examination.
Handledare: Mattias Hermansson
Ämnesgranskare: Juan de Santiago
Examinator: Nóra Masszi
ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2014/09-SE
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Sammanfattning
Det här examensarbetet är beställt av Forsmark Kraftgrupp AB och behandlar statusbedöming
av asynkronmotorer som varit utsatt för driftstörning.
En betydande del av elektriska motorer är asynkronmotorer. Trots sin robusta konstruktion
går de emellanåt sönder. De vanligaste felen på asynkronmotorn är lagerskador,
lindningsskador, excentricitet och brustna rotorstavar. Vid störningar behövs det genomföras
analyser av motorerna och man vill gärna analysera motorerna medan de fortfarande är i drift
för att udvika ett produktionsstopp.
På Forsmark finns idag ingen generell metod för att undersöka asynkronmotorer och i denna
rapport utreds därför olika metoder för att diagnostisera asynkronmotorer medan de
fortfarande är i drift.
Eftersom statusbedömning av asynkronmotorer har visat sig vara ett mycket brett område och
det redan finns bred kunskap på Forsmark över metoder som vibrationsanalys har rapporten
avgränsats till att behandla metoder som analyserar asynkromotorns statorsströmmar.
De utvalda metoderna - MSCA och Park´s vektormetod - verifieras i ett experiment på en
asynkronmotor med simulerade fel. Metoderna jämförs med varandra och mot de metoder
som är standard i industrin idag.
I rapporten har det konstaterats att både MCSA och Park´s vektormetod ger en god indikation
på asynkronmotorns status. Metoderna lämpar sig däremot olika bra beroende på vilket fel
motorn har varför det rekommenderas att använda en kombination av metoderna.
Nyckelord: Asynkronmotorer, Statusbedömning, MCSA, Park`s vektormetod
I
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Förord
Det här examensarbetet har utförts under sommaren 2014 på Forsmarks kärnkraftverk i
Östhammar. Vi vill tacka våra handledare Karin Westlund och Mattias Hermansson samt vår
ämnesgranskare Juan de Santiago som har möjliggjort detta arbete.
En stor eloge ska även riktas till Forsmarks underhållsingenjörer Johan Eriksson och Mihhail
Alifanov som under två dagar hjälpte oss att testa våra metoder i praktiken.
Arvid Brännholm och Peter Dicksen
Forsmark juli 2014
II
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Figurförteckning
Fig. 2.1 - Rotorstavar och kortslutningsringar som tillsammans bildar rotorburen
Fig. 2.2 - Komplett asynkronmotor med dess komponenter.
Fig. 2.3 - Roterande trefasigt magnetfält
Fig. 2.4 - Induktionsmotorns ekvivalenta krets
Fig. 2.5 - Asynkronmotorns vridmoment som funktion av varvtalet.
Fig. 2.6 - Asynkronmotorns vridmoment som funktion av eftersläpningen.
Fig. 2.7 - Exempel på Fouriertransformerad signal
Fig. 2.8 - Illustration av luftgapsexentricitet
Fig. 2.9 - Illustration av UMP.
Fig. 3.1 - Illustration av Parks vektormetod på en felfri motor.
Fig. 3.2 - Illustration av Parks vektormetod på motor med kortslutning i lindning.
Fig. 3.3 - Illustration av Parks vektormetod på motor med rotorstavbrott
Fig. 3.4 - Illustration av Parks vektormetod på motor med luftgapsexcentricitet
Fig. 4.1 - Märkplåt för ABB MT90S24-2.
Fig. 4.2 - Testriggen med lastmotorn t.v. och testmotorn t.h.
Fig. 4.3 - System för laborationen
Fig. 4.4 - Skapande av kortslutna lindningsvarv med hjälp av en fastlödd kabel
Fig. 4.5 - Skapande av brustna rotorstavar med borrmaskin
Fig. 5.1 - Lastad felfri motor
Fig. 5.2 - Lastad motor med en brusten rotorstav
Fig. 5.3 - Lastad motor med 6 brustna rotorstavar
Fig. 5.4 - Lastad felfri motor
Fig. 5.5 - Lastad motor med kortslutna lindningsvarv
Fig. 5.6 - Olastad felfri motor
III
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 5.7 - Lastad felfri motor
Fig. 5.8 - Lastad motor med en avborrad rotorstav
Fig. 5.9 - Lastad motor med sex avborrade rotorstavar
Fig. 5.10 - Lastad motor med kortslutna lindningsvarv
Fig. 5.11 - Felfri lastad motor.
Fig. 5.12 - En avborrad stav på lastad motor
Fig. 5.13 - 6 avborrade rotorstavar på lastad motor.
Fig. 5.14 - Byglad lindning på lastad motor.
IV
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Innehållsförteckning
1 Introduktion DICKSEN ................................................................................................................................ 1
1.1 Bakgrund BRÄNNHOLM ......................................................................................................................... 1
1.2 Syfte DICKSEN ..................................................................................................................................... 1
1.3 Mål BRÄNNHOLM .................................................................................................................................. 1
1.4 Avgränsningar DICKSEN ...................................................................................................................... 1
2 Teori DICKSEN ............................................................................................................................................ 2
2.1 Asynkronmotorn BRÄNNHOLM ............................................................................................................. 2
2.2.1 Asynkronmotors funktion BRÄNNHOLM ........................................................................................ 3
2.2.2 Ström och spänning DICKSEN ...................................................................................................... 4
2.2.3 Ekvivalent krets BRÄNNHOLM ........................................................................................................ 5
2.2.4 Synkron hastighet DICKSEN ......................................................................................................... 5
2.2.5 Asynkron hastighet BRÄNNHOLM .................................................................................................. 6
2.2.6 Asynkront varvtal BRÄNNHOLM ..................................................................................................... 6
2.2.7 Eftersläpning BRÄNNHOLM ............................................................................................................ 6
2.2.8 Magnetomotorisk kraft DICKSEN ................................................................................................. 7
2.2.9 Vridmoment BRÄNNHOLM ............................................................................................................. 8
2.3 FFT DICKSEN ........................................................................................................................................ 9
2.4 Erfarenhetsinventerier BRÄNNHOLM, DICKSEN ....................................................................................... 10
2.5 Asynkronmotorns fel DICKSEN.......................................................................................................... 11
2.5.1 Kullager DICKSEN ....................................................................................................................... 11
2.5.2 Stator DICKSEN........................................................................................................................... 11
2.5.3 Brustna rotorstavar BRÄNNHOLM ................................................................................................ 13
2.5.4 Luftsgapsexcentricitet BRÄNNHOLM ............................................................................................ 14
3 Metoder BRÄNNHOLM ............................................................................................................................... 16
3.1 MCSA DICKSEN .................................................................................................................................. 16
3.1.1 Brustna rotorstavar BRÄNNHOLM ................................................................................................ 16
3.1.2 Excentricitet BRÄNNHOLM ........................................................................................................... 18
3.2 Parks Vektormetod DICKSEN ............................................................................................................ 20
4 Motorlaboration BRÄNNHOLM, DICKSEN ........................................................................................................ 23
4.1 Setup BRÄNNHOLM, DICKSEN ................................................................................................................... 23
4.2 Simulering av fel BRÄNNHOLM, DICKSEN ................................................................................................. 25
5 Resultat BRÄNNHOLM, DICKSEN ...................................................................................................................... 26
5.1 MCSA BRÄNNHOLM, DICKSEN................................................................................................................... 26
V
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
5.2 Park`s vektor BRÄNNHOLM, DICKSEN ....................................................................................................... 28
5.3 Standardiserade mätningar BRÄNNHOLM, DICKSEN ................................................................................ 30
5.4 Startströmmar BRÄNNHOLM, DICKSEN .................................................................................................... 30
6 Diskussion BRÄNNHOLM, DICKSEN .................................................................................................................. 32
7 Slutsats BRÄNNHOLM, DICKSEN ....................................................................................................................... 33
8 Felkällor BRÄNNHOLM, DICKSEN ..................................................................................................................... 33
9 Appendix BRÄNNHOLM, DICKSEN .................................................................................................................... 34
9.1 Exempelkörning av matlabkod BRÄNNHOLM, DICKSEN ........................................................................... 34
9. 2 Referenser BRÄNNHOLM, DICKSEN .......................................................................................................... 40
VI
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Elektriska motorer är idag mycket vanliga i industrin och står för omkring 40% av världens
totala energiförbrukning[1]. En betydande del av dessa motorer är asynkronmotorer. Vid
störningar eller misstänkta komponenthaverier behöver det genomföras analyser av
motorerna. Eftersom man ofta vill undvika ett produktionsstopp, är det av vikt att en första
statusbedömning görs med metoder som tillåter att motorn fortfarande är i drift. För
asynkronmotorer finns på FKA idag inget bedömningsunderlag och varje störning bedöms
utifrån dess förutsättningar. Det finns därför ett behov att undersöka vilka metoder som finns
för att statusbedöma asynkronmotorer som varit utsatt för driftstörning under ovan nämnda
kriterier.
1.2 Syfte
För att Forsmark ska slippa att bedöma varje enskild drifstörning för sig behövs underlag för
vilka metoder som finns för att statusbedöma asynkronmotorer som fortfarande är i drift.
Syftet med examensarbetet är därför att generellt undersöka metoder för statusbedömning
genom litteraturstudie och erfarenhetsinventerier från andra industrier.
1.3 Mål
Examensarbetet består av två delar. Första delen består av en förstudie där litteratur och
erfarenhetsinventering över diverse metoder generellt studeras. Utifrån detta underlag är
sedan målet att ta fram de mest lovande metoderna för att sedan - i del två av examensarbetet
- testa och utvärdera metodernas tillförlitlighet i praktiken.
1.4 Avgränsningar
Eftersom statusbedömning av asynkronmotorer är ett mycket brett område avgränsas denna
rapport till att endast se till metoder som diagnostiserar motorerna medan de fortfarande är i
drift. Vidare så finns det på FKA redan bred kunskap om metoder som vibrationsmätning
varför denna rapport endast kommer undersöka metoder som använder sig av att mäta och
analysera asynkronmotorns statorströmmar.
1
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2 Teori
2.1 Asynkronmotorn
Asynkronmotorn står idag för en majoritet av alla roterande elektriska maskiner som
konverterar elektriskt energi till mekanisk energi. Man brukar säga att asynkronmotorn kan
ses som industrins arbetshäst. Detta beror på att motorerna är robusta i sin konstruktion,
pålitliga, ekonomiska och kan användas till många olika områden som t.ex. pumpar, fläktar
och kompressorer.
Asynkronmotorn kallas även induktionsmotorn, detta beror på att rotorns elektromagnetiska
fält induceras av statorströmmen. Namnet asynkron kommer från att rotorn snurrar med lägre
hastighet än nätets synkrona hastighet vid motordrift, och med högre hastighet än den
synkrona hastigheten vid generatordrift.
Asynkronmotorns huvudkomponenter är rotorn och statorn. Rotorn består av en rotorbur, ett
skaft och en laminerad kärna. Rotorns huvuddel är rotorburen som bland annat består av
elektriskt ledande stavar av aluminium, se Fig.2.1. Stavarna är kortslutna på båda sidorna med
hjälp av två kortslutningsringar[2].
Fig. 2.1 - Rotorstavar och kortslutningsringar som tillsammans bildar rotorburen
Detta gör att en ström kan cirkulera från den ena till den andra sidan av rotorburen. Stavarna
är placerade horisontellt och nästan parallellt mot rotorns skaft. För att leda magnetfältet från
statorn till rotorn samt ge rotorn mekaniskt stöd är stavarna inkapslade i en laminerad kärna.
2
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 2.2 - Komplett asynkronmotor med dess komponenter.
Statorn består av en ram, laminerad kärna och lindningar. Ramens uppgift är att ge mekaniskt
stöd åt statorn och rotorns kullager. Lindningarna består av en serie kablar med låg resistans
som bildar symmetriskt placerade spolar i statorn. Dessa spolar är sedan kopplade till en ACkälla. På grund av lindningarnas placering uppstår ett roterande magnetiskt fält på insidan av
motorhuset när motorn spänningsätts.
Mellan statorn och rotorn finns ett luftgap som gör att rotorn kan rotera fritt. Rotorn får sin
energi genom induktion från det roterande magnetiska fältet som skapas i statorn.[2]
2.2.1 Asynkronmotorns funktion
Asynkronmotorns funktion är baserad på det synkrona roterande magnetiska fält som
produceras av statorns lindningars som är förskjutna 120°e ifrån varandra.
När en ström, passerar genom en spole så produceras ett magnetiskt fält med två poler, en
nordpol och en sydpol. Detta magnetfält, , är proportionellt mot strömmen,
Det magnetiska fältet är av sinusformad karaktär och byter polaritet varje halvperiod.
Således skapas tre magnetfält, ,
och , när trefasstatorströmmen , och
appliceras på statornlindningarna.
På grund av statorströmmarnas fasförskjutning på 120°e är även magnetfälten förskjutna
120°e realtivt varandra. Det magnetiska fältet går sedan genom rotorn och statorns laminerade
plåt. Det resulterande magnetiska fältet i varje ögonblick är ekvivalent med summan av
magnetfälten ,
och
i det exakta ögonblicket[2].
3
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 2.3 – Roterande trefasigt magnetfält
När det roterande magnetiska fältet skär genom rotorns stavar induceras elektriska strömmar
enligt Lenz lag. Dessa rotorströmmar genererar ett magnetiskt fält med motsatt polaritet mot
statorns magnetiska fält. Eftersom motsatt polaritet attraherar varandra så följer rotorn det
magnetiska fältet som statorn genererar vilket resulterar i en rotation av rotorn med en
hastighet lite långsammare än statorns roterande magnetiska fält. Skillnaden mellan det
roterande magnetfältets hastighet och rotorns hastighet kallas eftersläpning.
2.2.2 Ström och spänning
Asynkronmotorn matas med trefas växelspänning där faserna är förskjutna 120°, eller
radianer, gentemot varandra.
Strömmarna definieras enligt
𝑖 =
𝑚 cos(𝜔𝑡
− ∅)
𝑖 =
𝑚 cos (𝜔𝑡
−∅−
2π
𝑖 =
𝑚 cos (𝜔𝑡
−∅+
2π
(2.1)
3
3
)
(2.2)
),
(2.3)
där 𝑖 är strömmen i fas A, 𝑖 är strömmen i fas B och 𝑖 är strömmen i fas C. 𝑚 är
toppvärdet av strömmen, 𝜔 är vinkelfrekvensen i rad/s och ∅ är en faskonstant som
bestämmer amplituden vid t=0.
4
2π
3
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Precis som strömmen är även spänningen i de tre faserna förskjutna 120°, eller
relation till varandra.
𝑣 = 𝑉𝑚 cos(𝜔𝑡)
2π
3
radianer i
(2.4)
𝑣 = 𝑉𝑚 cos (𝜔𝑡 −
2π
𝑣 = 𝑉𝑚 cos (𝜔𝑡 +
2π
3
3
)
(2.5)
),
(2.6)
Där 𝑣 , 𝑣 och 𝑣 är spänningen för respektive fas, 𝑉𝑚 är toppvärdet av spänningen och 𝜔 är
vinkelfrekvensen i rad/s.
För både ström och spänning gäller att summan av alla faserna blir 0. [3]
2.2.3 Ekvivalent krets
Driftegenskaperna hos en induktionsmotor i stationärt tillstånd undersökt ofta med ett per fasekvivalent kretsschema, se Fig. 2.4.
Den ekvivalenta kretsen är till för att underlätta uträkningar som statorströmmar, inducerat
vridmoment, förluster och effektivitet.[4]
Fig. 2.4 - Induktionsmotorns ekvivalenta krets
2.2.4 Synkron hastighet
Det roterande magnetiska fältets hastighet är den synkrona hastigheten. För en asynkronmotor
med poler så är den synkrona hastigheten, 𝑠 , given i r/min.
𝑠
=
Där
2
är statorns frekvens i Hz och
(2.7)
𝑠
är den synkrona hastigheten i r/min[3].
5
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.2.5 Asynkron hastighet
Den asynkrona hastigheten är rotorns hastighet och beror inte bara på frekvens och antalet
poler utan även på motors lastvridmoment. Högre vridmoment leder till högre eftersläpning
och en långsammare asynkron rotorhastighet. En asynkronmotor som är kopplad till en en
spänningskälla med en konstant frekvens ger således en konstant asynkron hastighet. På grund
av detta så lämpar sig asynkronmotorer bäst att driva maskiner med konstant hastighet.[5]
2.2.6 Asynkront varvtal
Det asynkrona varvtalet, i r/min, kan beräknas med hjälp av.
𝑟
𝑠(
=
Där
𝑠
− )=
( − )
(2.8)
är synkrona varvtalet och s är eftersläpningen.[5]
Fig. 2.5 – Asynkronmotorns vridmoment som funktion av varvtalet.
6
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.2.7 Eftersläpning
Eftersläpningen,
varvtal.
=
Där
𝑛
är definierad som skillnaden mellan synkrona varvtalet och rotorns
𝑛
(2.9)
𝑛
𝑠
är statorns elektiska varvtal och
𝑟
är rotorns mekaniska varvtal.
Eftersläpningen som varierar mellan värdet 0 vid synkront varvtal och 1 när motorn är i vila
bestämmer motorns vridmoment. Eftersom de kortslutna rotorlindningarna har liten resistans
så inducerar en liten eftersläpning en stor ström i rotorn vilket producerar ett starkt
vridmoment. Med full last så brukar eftersläpningen variera mellan 1-5% beroende på
motortyp.[5]
2.2.8 Magnetomotorisk kraft
Magnetomotoriska kraften - är ett mått på magnetfältets styrka och är proportionell
mot antalet varv i en spole samt strömmen som går genom spolen.
Måttet på magnetomotoriska kraften - i en spole kallas amperevarv,
T.ex. en ström på 2A som flödar genom en spole på 10 varv producerar en
på 20AT.
Således ökar
om strömmen eller antalet varv på spolen ökas.
I en trefas asynkronmotor så är
𝐹 ( 𝑡) =
3
𝐹
2 𝑚
given av följande formel
cos( − 𝜔𝑡)
(2.10)
Där t är tiden, är vinkelförskjutningen av rotorn i elektriska radianer, 𝜔 är vinkelfrekvensen
i elektriska radianer/sek och 𝐹𝑚 är topvärdet på
som ges av formel.
𝐹𝑚
=
4
𝑝
√
(2.11)
Där
𝑠 är antalet seriekopplade varv per fas,
är fasströmmens rms-värde.[5]
är lindningsfaktorn,
7
är antalet poler och
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.2.9 Vridmoment
Vridmoment är ett mått på en krafts förmåga att vrida ett objekt kring en axel. Vridmomentet
beror av kraften som verkar på hävarmen samt hävarmens längd. Vridmoment mäts i enheten
newtonmeter,
, och beräknas med följande formel.
=𝐹
(2.12)
Där F är kraften som verkar på hävarmen och r är hävarmens längd.
En asynkronmotors vridmoment produceras av växelverkan mellan magnetomotoriska kraften
- och det resulterande luftgapsflödet. Vridmomentet skapas när rotorn snurrar med en
frekvens lite lägre än det roterande magnetiska fältets frekvens.[5]
Fig. 2.6 – Asynkronmotorns vridmoment som funktion av eftersläpningen.
8
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.3 FFT
FFT står för Fast Fourier Transform och är en algoritm som beräknar en diskret
fouriertransform och dess invers. Fouriertransformering möjliggör en visualisering av en
signal i frekvensdomän istället för tidsdomän och vice versa.[6]
𝑋𝑘 = ∑𝑛= 𝑥𝑛 𝑒
𝑘=
…
𝑖2 𝑘
𝑛
𝑁
(2.13)
−
Fig. 2.7 – Exempel på Fouriertransformerad signal
9
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.4 Erfarenhetsinventerier
För att se hur andra företag statusbedömer sina asynkronmotorer har kontakt via e-mail tagits.
De företag som kontaktats och svarat är Oskarhamn kärnkraftverk(OKG), Ringhals
kärnkraftverk och Boliden. E-mail har även skickats ut till Svenska Cellulosa AB, Adity
Abirla Group, Mondigroup, Iggesunds bruk, Stora Enso, BillerudKorsnäs, Lessebo bruk,
Arctic paper, Ovako, Norrmejerier och Arlafoods utan att få några svar.
För att sammanfatta svaren så säger Oskarshamn att den mest förekommande mekaniska
störningen är dåliga motorlager. Handlar det inte om ett redan inträffat haveri så
vibrationsmäts motorns lager under drift. För att göra detta används instrument och mjukvara
från SKF. Vid elektriska störningar görs isolationsresistansmätning - meggning - mellan
motorns faslindningar och jord samt mellan faslindningarna för att kontrollera statusen på
isolationen. Detta görs med spänning så nära fasspänning som möjligt under ca. 3-10 minuter.
Ohm-mätning görs även på motorns lindningar, detta för att få en enkel statusindikering över
tid.
Ringhals säger att man på verkstadsöversyn av 6kV motorer gör isolationsresistansmätning.
Detta görs med 2500V i ca. 10 minuter. Man utför även spänningstålighetstest av
märkspänningen i ca. 1min samt resistansmätning av lindningarna. Vad gäller lågspända
motorer - 500V - så utförs även här isolationsresistansmätning så nära märkspänningen som
möjligt i ca. 1 minut, spänningstålighetstest på 1000V under ca. 1 minut samt
resistansmätning av lindningarna.
Boliden säger att statusbedömnings av asynkronmotorer under drift oftast sker med
isolationsresistansmätning samt ohm-mätning av lindningarna. Vid svårare fall så mäter
Boliden motorerna med hjälp av oscilloskop.
10
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.5 Asynkronmotorns fel
Trots att asynkronmotorn är en robust elektrisk maskin råkar den emellanåt ut för fel och går
sönder. Ett fel som inte blir identifierat i ett tidigt stadium kan få allvarliga konsekvenser för
motorn och vill det sig riktigt illa kan det hända att motorn går sönder med oförutsedda
produktionsstopp som konsekvens. Detta är mycket kostsamt för industrin och någonting som
man försöker undvika. Det finns många olika elektriska och mekaniska fel som ofta delas in i
fyra huvudområden. Dessa är listade i tabell 2.1 nedan [8].
Tabell 2.1
Trasig komponent
Lager
Lindning
Rotor
Övrigt
Sannolikhet för fel
41
37
10
12
2.5.1 Kullager
De vanligaste typerna av fel som uppstår i en asynkronmaskin är mekaniska fel i lager. [8].
Kullager håller vanligtvis rotorn på plats för att minimera friktionen och öka effektiviteten.
På lång sikt är denna friktion dock inte helt skonsam för ett kullager. Långvarig drift sliter
dessa lager till den grad att de måste bytas ut. Bortsett från normala förslitningsskador som
uppkommer kan även termisk, elektrisk eller mekanisk inverkan skada dessa lager. [9]
De skador som vanligtvis förekommer orsakas oftast av en dålig uppriktning mellan motor
och drivet objekt, dåligt balanserade kopplingar eller att motorn är monterad på någonting
som vibrerar eller inte håller.
De skador man då syftar på är på det inre spåret, yttre spåret eller på kulan. Skadorna ger ofta
upphov till vibrationer, ökad temperatur och försämrad noggrannhet. Detta kan i sin tur leda
till luftgapsexentricitet.
Några av de vanliga skadorna som kan uppkomma är möjliga att mäta med hjälp av
vibrationsmätning. Detta är en av de vanligaste metoderna, men dessa skador kan även mätas
med MCSA, Park´s vektormetod, hillberttransform eller wavelets. [10,11]
2.5.2 Stator
Det näst mest förekommande felet i asynkronmaskiner är fel i statorn.[8]
Statorns isolering åldras och detta medför en försämrad funktionalitet. När motorn utsätts för
olika påfrestningar kan dessa isoleringar åldras extra snabbt.
De delar som kan komma att skadas i statorn är främst lindningarna. Kortslutningar mellan
lindningsvarv i samma fas, mellan olika spolar i samma fas, mellan olika faser eller alla faser.
Det är inte heller omöjligt att någon av lindningarna kortsluts mot jord. De senare två felen
utlöser sannolikt någon form av säkring som tar motorn ur drift. [12]
Om skadan är värre än så brukar ofta obalans i matningen eller bortfall av en fas föreligga.
11
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
För att undersöka statorn brukar ofta en lindningsresistansmätning och en
isolationsresistansmätning mot jord utföras. Den sistnämnda mätningen går ut på att
resistansen mätes mellan fas och jord, medans lindningsresistansmätningen mäts mellan fas
och fas.
Mätningen utförs alltså mellan L1-L2, L1-L3, och L2- L3. Resistansen varierar beroende på
motorns storlek. Det som då är viktigt är att resistansen är jämn över alla tre lindningar.
De riktlinjer som finns för isolationsresistansmätningen är att motståndet i isoleringen ej bör
understiga följande värde[9]:
2 U
𝑅𝑖𝑠𝑜𝑙 ⩾
+2P
𝑈=𝐷 𝑖 𝑡
=𝐸
(2.14)
(𝑀 ℎ )
ä
𝑖 𝑔(𝑉)
𝑒𝑘𝑡(𝑘𝑊)
Lite mer matematiska metoder finns även för en undersökning av dessa lindningar. Det finns
bland annat en rad artiklar som handlar om det magnetiska flödet i luftgapet.[13,14] Där ges i
stora drag kortslutningskomponenten av följande formel:
𝑛( 𝑠)
𝑠( 𝑝 )±𝑘
𝑠𝑡
=
𝑠𝑡
= Kortslutningskomponent
𝑠
(2.15)
= Nätets frekvens,
n = 1,2,3, ....,
k =1,3,5 ,....,
p = Polpar
s = Eftersläpning
Enligt Thomson [15] kan man, i lågspända motorer, även undersöka kortslutna lindningsvarv i
statorn med hjälp av MCSA. Statorströmsanalysen blir en indirekt metod att undersöka
luftgapsflödet, då detta flöde ger upphov till inducerade strömmar i statorns lindningar. Detta
leder i sin tur till att frekvenskomponenten ges av samma formel som frekvenskomponenten
som undersöks i luftgapsflödet. Eftersom denna metod förekommer på flera håll och kan
påvisa lagerskador, rotorstavsbrott, luftgapsexcentricitet och kortslutningar i statorn så
kommer denna rapport delvis fokusera på just MCSA.
12
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.5.3 Brustna rotorstavar
Rotorburen består av rotorstavar och två kortslutningsringar. Ett vanligt fel som kan
uppkomma på asynkronmotorn är att en eller flera av rotorstavarna får sprickor eller går av.
Rotorstavarna går oftats sönder i leden mellan rotorstav och korslutningsring. Detta beror på
att rotorstavarna måste motstå de accelererande eller bromsande krafterna på
kortslutningsringarna som sker när motorn ändrar hastighet.
En asynkronmotor med brustna rotorstavar har flera nackdelar. En av dessa är att brustna
rotorstavar gör så att asynkronmotorns effektivetetsgrad minskar vilket får till följd att
elektricitetskostnaderna ökar. En trasig rotorstav orsakar överhettning hos närliggande stavar
vilket skadar lindningarna. Delar från de brustna rotostavarna kan lossna från rotorn och leta
sig in i lufthålet och statorn. Detta kan leda till att statorlindningarnas isolation förstörs och ett
lindningsfel uppstår vilket kan resultera i dyra reparationer och driftsstopp.[16]
Trasiga rotorstavar uppkommer generellt när rotorn blivit utsatt för repeterade påfrestningar.
Dessa inkluderar magnetiska påfrestningar orsakade av elektromagnetiska krafter, termiska
påfrestningar, tillverkningsfel som otillräcklig gjutning av rotorn, överbelastning samt
bristande underhåll[17]. Den absolut vanligaste orsaken till brustna rotorstavar är vid uppstart
av asynkronmaskinen. Detta beror på att man generellt inom industrin bara startar motorn
utan att rampa upp den vilket medför att motorn blir utsatt för en startström som är 5-8 gånger
större än märkströmmen. Detta skapar höga centrifugalkrafter på kortslutningsringarna.
Brustna rotorstavar uppkommer som regel alltid intill varandra. Detta beror på att den
rotorstav som ligger närmast den brustna blir utsatt för ett större strömflöde än resterande
stavar.[18]
Asynkronmotorn är ett symmetriskt system. Under ideala förhållanden - när asynkronmotorn
drivs av en balanserad trefaskälla - så produceras ett symmetriskt och periodiskt framåtgående
roterande magnetfält med synkron hastighet. Vid förekomst av brustna rotorstavar så
produceras det dock även ett roterande magnetfält i motsatt riktning med samma frekvens som
eftersläpningen. Detta beror på att rotorns fysika form ändras vilket ändrar rotorns resistans
och induktans. Detta gör att en motsatt ström induceras tillbaka till statorlindningen. Ett
välkänt symptom på detta är uppkomsten av sidoband. Dessa sidoband kan hittas genom att
fouriertransformera och titta på statorströmmens spektrum. Sidobanden finns lokaliserade på
vänster och höger sida om grundfrekvensen och har själva frekvensen[19].
𝑟
=(
+
k.s)
(2.16)
𝑠
Där:
k = 1, 2, 3…,
𝑟 = frekvensen på brustna rotorstavar
𝑠 = synkrona frekvensen, s = eftersläpningen i p.u
13
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
2.5.4 Luftsgapsexcentricitet
Det finns två typer av luftgapsexcentricitet: statisk och dynamisk
Fig. 2.8 – Illustration av luftgapsexentricitet
Statisk excentricitet kännetecknas av en förskjutning av rotationsaxeln där luftgapets
minimilängd är fixerad. Detta kan orsakas av att statorn är oval eller genom felaktig
positionering av rotorn eller statorn när motorn byggdes. Eftersom rotorn inte är centrerad
inuti statorn så ger det upphov till ett ojämnt magnetiskt flöde i luftgapet. Detta skapar då en
kraft kallad UMP - Unbalanced Magnetic Pull - som försöker få rotorn ytterligare ur position
och verkar i samma riktning som minimiluftgapet se Fig.2.9.
Dynamisk excentricitet kännetecknas av att rotorn inte roterar runt sin egen axel och att
minimiluftgapet därför cirkulerar med motorn och är en funktion av tid och rum. Denna typ
av excentricitet kan uppkomma på grund av mekanisk resonans, statisk excentricitet eller
kullagerskador. Dynamisk excentricitet skapar en roterande UMP som verkar på och roterar i
samma hastighet som rotorn.
14
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 2.9 - Illustration av UMP.
Båda typerna av excentricitet skapar onödiga påfrestningar på motorn vilket kan öka skadorna
på motorns kullager.
Vid riktigt allvarliga luftgapsexcentriciteter skapas en mycket stor UMP som i värsta fall kan
leda till att rotorn och statorn slår i varandra vilket kan skada rotorstavarna eller
statorlindningarnas isolering.[20]
15
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
3 Metoder
Ett flertal vetenskapliga artiklar över metoder för att statusbedöma asynkronmotorer har
studerats, [21][22][23][24][25]. Utifrån dessa har två metoder - de som fått bäst recensioner
och anses vara mest vedertagna samt enklast att genomföra - plockats ut. I detta kapitel finns
en mer ingående beskrivning av dessa metoder. Hur de fungerar, vad de kan diagnostisera
samt hur man går tillväga.
3.1 MCSA
MCSA, Motor Current Signal Analysis, går ut på att sampla en eller flera av
statorströmmarna, göra en fouriertransformation av dessa och sedan grafiskt eller numeriskt
granska resultatet. Denna analys kan påvisa de flesta fel i asynkronmaskiner till exempel
skador på kullager, kortslutna lindningsvarv, rotorstavbrott eller luftgapsexcentricitet. [7]
3.1.1 Brustna rotorstavar
När asynkronmotorn har brustna rotorstavar kan man genom att uföra en MCSA se sidoband
till höger och vänster sida om grundfrekvensen .
Som tidigare nämnts så produceras det vid förekomsten av brustna rotorstavar ett roterande
magnetiskt fält i motsatt riktning mot det synkrona magnetiska fältet. Detta fält roterar med
samma frekvens som eftersläpningen och inducerar en ström och spänning i
statorlindningarna med frekvensen[19].
𝑟𝑠
=
(
+
𝑘 )
(3.1)
Där k = 1,2,3. . . ,
och även [18]
𝑟𝑠
Där
=
2𝑘
* 𝑘(
𝑠 +
)
+Hz
(3.2)
= 1,5,7,11,13.
Amplituden på dessa sidoband beror på hur allvarlig skadan är och minskar när k i ekvation
3.1 och 3.2 ökar. När antalet brustna rotorstavar är mycket mindre än totala antalet stavar så
syns endast ( + ), dvs första sidobanden i strömspektrumet. Alltså gäller att desto fler
rotorstavar som är skadade desto fler övertoner skapas.[18]
𝑟𝑠
brukar namnges som dubbla eftersläpsfrekvensen pga brustna rotorstavar.
16
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
På grund av olika variabler som påverkar sidobandens frekvens och magnitud måste man när
man diagnostiserar en asynkronmotor ha följande saker i åtanke.


Olika belastningsförhållanden
Mekaniska lastegenskaper
Dessa faktorer kan påverka diagnostiseringen och för att kunna utföra en trovärdig MCSA på
en asynkronmotor måste därför dessa beaktas.[21]
Eftersläpningen - S - är beroende av rotorns hastighet och motorns last. Vid för låg last så
kommer första sidobandsfrekvensen ( + ) att vara mycket nära grundfrekvensen och den
blir därför svår att upptäcka. Därför rekommederas det att alltid köra motorn med full last när
en MCSA uförs[18]
När det kommer till MCSA och brustna rotorstavar är huvudmålet att genomföra en
högupplöst Fouriertransform av asynkronmotorns statorström och där indentifiera den dubbla
eftersläpsfrekvensens sidoband. Eftersom motorn körs med olika belastningsförhållanden
måste man tänka på att eftersläpningen - S - varierar och grunfrekvensen - - inte
nödvändigvis behöver vara densamma som på märkningsplåten. Variationer i dessa variabler
påverkar värdet på sidobanden i Hz. Eftersom det bara är strömmen som analyseras i MCSA
så måste sidobandens frekvens förutses vid varje enskilt fall av motorns driftförhållande[16].
Ytterligare ett problem som kan uppstå är att sidobandsfrekvensen - ( + ) - kan synas
trots att motorn är felfri. Detta beror på att motorn vid tillverkningen blivit felinriktad eller
assymetrisk och detta kan göra det svårt att bedöma om brustna rotorstavar finns eller inte.
För att avgöra om sidobanden beror på brustna rotorstavar eller om de finns på grund av
felinriktning eller assymetri behövs en tröskelgräns. För att beräkna tröskelamplituden för
brustna rotorstavar kan man enligt Bellini[26] använda följande empiriska formel.
=
5
Där 𝑟𝑠 är amplituden av (
är motorns totala antal stavar.
Formeln säger att om kvoten
(3.3)
+
) sidobanden,
>
5
är statorströmmens grundfrekvens och
så förekommer brustna rotorstavar och om
<
5
så
är motorn intakt.
En annan metod för att sätta tröskelvärden finns skriven av Kliman[27]. Denna säger att om
skillnaden i amplitud mellan grundfrekvensen - - och sidobandsfrekvensen ( + ) är
större än 50dB så finns det brustna rotorstavar. Om skillnaden åtminstone är 54dB så finns det
troligtvis brustna rotostavar och är skillnaden större än 60dB så är rotorn troligtvis intakt.
17
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
3.1.2 Excentricitet
Genom att anväda sig av MCSA för att fastställa luftgapsexcentricitet försöker man identifiera
karateristiska mönster i strömmen som uppkommer på grund av excentricitet
Två metoder har hittats för att fastställa excentricitet med hjälp av MCSA.
Den första kollar på strömmens beteende vid rotorspårfrekvensens sidoband.
Sidobandsfrekvensen som beror på excentricitet fås genom följande formel. [20][21]
𝑠𝑙𝑜𝑡+
=
𝑠
*(𝑘𝑅 +
)(
𝑠 +
𝑝
)
𝑠+
(3.4)
Där:
= elektriska matningsfrekvensen
k = 1, 2, 3, ...;
R = antalet rotorspår
= excentricitetsordningen ( = 0 för statisk excentricitet samt
excentricitet)
s = eftersläpningen i per unit
p = antalet polpar
𝑠 = MMF harmonisk översväng = 1, 3 ,5, 7
𝑠
+
för dynamisk
Det har visat sig att bara vissa typer av kombinationer av polpar - p - och rotorspår - R - ger
upphov till betydande endast statiska eller endast dynamiska excentricitetskomponenter.
Metoden har fördelen att den skiljer spektrumkomponenterna som skapas av brustna
rotorstavar från de som skapas av luftgapsexcentricitet. Den har dock nackdelen att man
behöver ha mycket information om motorn som t.ex. antalet rotorspår.[22]
Från början trodde man att sidobanden i ovanstående metod endast var en funktion av
dynamisk luftgapsexcentricitet men man har genom flertalet experiment sett att när den
statiska excentriciteten ökar så ökar även spektrumkomponenterna - som endast skulle bero på
dynamisk excentricitet - i magnitud. Finita elementstudier, laborationer och fallstudier har
därför visat att dessa sidoband i själva verket är en funktion av både statisk och dynamisk
excentricitet.[21]
Enligt Thomson[28] så fungerar ovanstående formel bra för att mäta generell excentricitet.
Eftersom en hög statisk excentricitet skapar dynamiska excentricitetskomponenter så kan inte
metoden säga vilken typ av excentricitet det rör sig om.
18
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
För att hitta sidobandskomponenterna orsakade av excentricitet med hjälp av första metoden
så rekommenderas det att reducera magnituden på grundfrekvenskomponenten med hjälp av
ett högpassfilter. Det har dock rapporterats att det kan vara svårt att spela in så små signaler
då andra frekvenskomponenter lätt kan maskera excentricitetssignalen.[28]
Den andra metoden studerar frekvenskomponenterna som uppkommer på grund av inducerad
elektromotorisk kraft. Metoden fungerar endast när motorn har blandad excentricitet - både
statisk och dynamisk - och ger lågfrekventa sidobandskomponenter nära grundfrekvensen. De
lågfrekventa komponenterna ger också upphov till högfrekventa komponenter enligt följande
formel.[23]
=|
+
𝑘 𝑟| =
*
+
𝑘(
𝑠
𝑝
)+
(3.5)
Där:
k = 1,2,3 ...
= grundfrekvensen
𝑟 = rotorns frekvens
s = eftersläpningen
p = antalet polpar
Metoden fungerar för alla trefasasynkronmotorer och har fördelen att man inte behöver ha
någon information om motorns konstruktion.[22]
Det är alltid rekommenderat att fastställa excentricitet med båda metoderna. Eftersom första
metoden är mer komplex än den andra kan det dock hända att det - på grund av brus och
störningar i signalen - inte går att indentifiera några komponenter med denna metod. Det är då
rekommenderat att endast försöka fastställa excentriciteten med hjälp av den andra
metoden.[28]
19
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
3.2 Parks Vektormetod
Ett annat sätt att undersöka problem i statorn är att använda parks vektormetod. Här används
följande formel för att få två olika vektorer, och 𝑞 .
𝑞
= √3
2
− √6
= √2
− √2
Där
,
,
− √6
(3.7)
(3.8)
är strömmarna för respektive fas.
Under ideala förhållanden kan man även räkna ut
𝑞
och
𝑞
med följande formel:
=
√6
2
s (𝜔𝑡)
(3.9)
=
√6
2
s
(3.10)
(𝜔𝑡 − (2 ))
Där IM är toppvärdet av fasströmmen, 𝜔 är vinkelfrekvensen i rad/s och t är tiden i sekunder.
Tidigare rapporter har visat att det grafiskt går att diagnostisera en motor med hjälp av denna
metod. Då letar man efter deformationer i den cirkulära plot som förekommer hos en felfri
maskin. [29]
Vissa menar att denna metod är ett bättre alternativ för statusbedömning än MCSA, då den
senare är svårtolkad. De frekvenskomponenter som syns i FFT-spektrumet kan lika gärna vara
en produkt av någon annan periodisk ojämnhet.[30]
20
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 3.1 – Illustration av Parks vektormetod på en felfri motor.
En felfri motor kommer teoretiskt att visa en rund figur i grafen.
Fig. 3.2 – Illustration av parks vektormetod på motor med kortslutning i lindning.
Om motorn har kortslutna lindningsvarv kommer grafen att deformeras åt det ovala hållet se
Fig.3.2
21
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Parks Vektormetod sägs även kunna identifiera rotorstavsbrott[31]. Åter igen plottas samma
graf, men här blir ringen istället tjockare, se Fig.3.3
Fig. 3.3 – Illustration av parks vektormetod på motor med rotorstavsbrott.
Man kan även använda denna metod för att undersöka luftgapsexcentricitet[32]. Där splittras
istället ringen se Fig.3.4.
Fig. 3.4 – Illustration av parks vektormetod på motor med luftgapsexcentricitet.
22
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
4 Motorlaboration
4.1 Setup
För att testa metodernas tillförlitlighet genomfördes en motorlaboration. Syftet med
laborationen var att skapa fel på en fullt fungerande asynkronmotor för att sedan analysera
strömmarna i motorn och jämföra dem med strömmarna när motorn var intakt. På grund av
tidsbrist kunde motorn endast förses med två fel, kortslutna lindningsvarv och brustna
rotorstavar.
Till laborationen användes en induktionsmotor från ABB av modell MT90S24-2. Motorn har
följande märkplåt.
Fig. 4.1 – Märkplåt för ABB MT90S24-2.
Som last till motorn i Fig. 4.1 användes en annan motor med liknande egenskaper. De båda
motorerna kopplades samman i skaften, se Fig. 4.2. För att förhindra att lasten blev för stor så
Y-kopplades lastmotorn till nätet medan testmotorn Δ-kopplades
Fig. 4.2 – Testriggen med lastmotorn t.v. och testmotorn t.h.
23
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
För att ta mätvärden på strömmarna användes Argus CC och tre strömtransformatorer, en för
vardera fas. Argus är ett mätverktyg från ABB som övervakar och samlar in mätvärden från
elektrisk och produktionsteknisk utrustning. Mätsystemet har kapacitet att mäta ett stort antal
signaler med hög upplösning under lång tid[33]. I laborationen samplades varje signal i ca. 20
sek med en samplingsfrekvens på 10kHz. Argus kopplades sedan till en dator där mätdatan
samlades in.
Fig. 4.3 – System för laborationen
24
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
4.2 Simulering av fel
Genom att löda fast en kabel mellan lindningsvarven på en av polerna - se Fig.4.4 - så
orsakades kortslutning mellan lindningvarven. Lindnings – samt isolationsresistansmätning
utfördes både före och efter det orsakade felet. Statorströmmarna mättes med Argus.
Fig. 4.4 – Skapande av kortslutna lindningsvarv med hjälp av en fastlödd kabel
För att orsaka brustna rotorstavar i motorn så borrades rotorstavarna av. Först borrades ett hål
och sedan borrades 6 hål, se Fig.4.5. Mellan borrningarna mättes statorströmmarna med
Argus.
Fig. 4.5 – Skapande av brustna rotorstavar med borrmaskin
25
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
5 Resultat
5.1 MCSA
FFT-spektrum av statorström för att bestämma brustna rotorstavar.
Fig. 5.1 – Lastad felfri motor
Fig. 5.2 – Lastad motor med en brusten rotorstav
Fig. 5.3 – Lastad motor med 6 brustna rotorstavar
26
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
FFT-Spektrum över statorström för att bestämma kortslutna lindningsvarv.
Fig. 5.4 – Lastad felfri motor
Fig. 5.5 – Lastad motor med kortslutna lindningsvarv
27
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
5.2 Park`s vektor
Fig. 5.6 – Olastad felfri motor
Fig. 5.7 – Lastad felfri motor
28
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 5.8 – Lastad motor med en avborrad rotorstav
Fig. 5.9 – Lastad motor med sex avborrade rotorstavar
Fig. 5.10 – Lastad motor med kortslutna lindningsvarv
29
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
5.3 Standardiserade mätningar
Tabell 5.1 - standardiserade mätningar
5.4 Startströmmar
Fig. 5.11 – Felfri lastad motor.
Fig. 5.12 – En avborrad stav på lastad motor.
30
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 5.13 – 6 avborrade rotorstavar på lastad motor.
Fig. 5.14 – Byglad lindning på lastad motor.
31
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
6 Diskussion
MCSA är enligt många källor en bra och säker metod att fastställa fel. Trots det är det svårt att
hitta riktiga tröskelvärden för fel då detta är beroende av vilken motortyp och under vilka
förutsättningar denna körs. Det är också svårt att för varje enskild motor få information om
antalet rotorstavar, antalet lindningsvarv och hur motorn är lindad. Detta eftersom tillverkaren
ofta ser detta som en företagshemlighet.
Vi kan däremot tydligt se förändringar i frekvensspektrat. När ett hål borrats i rotorn förändras
utseendet på toppen som ligger runt 98Hz. Vid sex hål borrade blir grafen taggig och det blir
tydligt att se att någonting är fel på motorn. Med byglad lindning förändrades istället toppen
vid 148Hz.
Parks vektormetod gav ett mycket bra resultat när det gäller kortslutna lindningsvarv. Den
ovala formen syntes klart och tydligt i diagrammet. Vad gäller de brustna rotorstavarna är det
svårare att se när man inte har en felfri motor att referera till. Vi kan däremot ana att
någonting är fel eftersom att den cirkulära plotten är tjockare. Även här drar grafen åt det
ovala hållet.
Lindningsresistansmätningen som gjordes visade även att någonting var fel i lindningarna.
Beroende på vem som är ansvarig för mätningen varierar dock noggrannheten och denna
motor skulle troligtvis kunna passera en sådan mätning.
Isolationsresistansmätningen visade över 500 Mohm i samtliga fall, vilket bör vara godkänt då
mätinstrumentet som användes inte kunde visa något högre värde.
Även på startströmmarna kan man ana att någonting är fel på motorn. Vi har dock - på grund
av tidsbrist - inte forskat vidare på det även om resultatet är anmärkningsvärt. En mätning av
startströmmarna kräver även att motorn stoppas och startas igen, vilket inte prioriteras då vi
vill kunna bedöma status utan att störa driften.
32
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
7 Slutsats
Efter att ha kontaktat industrier och pratat med underhållsingenjörer vid svenska
kärnkraftverk kan vi konstatera att varken MCSA eller Parks vektormetod verkar användas i
svensk industri. De metoder som används som standard idag säger väldigt lite om motorns
status. En motor med stavbrott eller kortslutna lindningsvarv skulle mycket väl kunna passera
en kvalitetskontroll.
Gällande MCSA och Parks vektormetod ger dessa en god indikation på motorskada genom
oväntade toppar i statorströmmarnas FFT-spektra eller om plotten från Parks vektormetod
skulle visa t.ex. en oval, tjock eller sprucken cirkelform. Det är däremot svårt att veta exakt
vad som är fel på motorn. I statorströmmarnas FFT-spektrum ger flera olika typer av fel
upphov till ökning av samma frekvenskomponenter. Även i fallet med Parks vektor är det
svårt att säga vad det exakta felet är. Det verkar som att även rotostavbrotten ger upphov till
en oval form på grafen. Cirkeln var dessutom inte helt rund utan simulerade fel och för att
avgöra om cirkeln är för tjock krävs en referens.
Trots att resultatet som presenteras ovan är otillförlitligt och det ibland kan vara svårt att
avgöra vilket fel motorn egentligen har så kan man med hjälp av både MCSA och Parks
vektormetod få en mycket god indikation på om någonting är fel på motorn. Man har därför
en anledning att ta motorn ur drift och titta närmare på den.
Enligt resultaten som presenteras kan man se att de olika metoderna är bra i olika avseenden.
Vad gäller MCSA verkar den bättre på att visa rotorstavbrott medan Parks vektormetod
tydligare visade kortslutning i lindningsvarven. Man bör därför använda en kombination av
dessa metoder för att få bästa fingervisning på asynkronmotorns status.
8 Felkällor
Först och främst är testerna utförda på en motor som en gång tagits ur drift. Det är alltså
någon som beslutat att denna motor inte skall användas. Om den var hel, eller om fel förekom
på motorn redan från början är därför svårt att avgöra.
I vårt fall användes även en frekvensomriktare som kopplades före lasten. Även denna
apparatur skulle kunna påverka vårt resultat.
33
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
9 Appendix
9.1 Exempelkörning av matlabkod
Den valda samplingen är en sampling av strömmarna när sex hål hade borrats i rotorn.
Efter att filen är inladdad i matlab, skrivs Status och följande 4 grafer visas:
Fig. 9.1 – Överblick över samplingen.
Fig. 9.2 – Närmare undersökning av fas A.
34
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Fig. 9.3 – Parks vektormetod.
Fig. 9.4 – Justerbart lågpassfilter.
I matlabkoden finns möjlighet att göra inställningar så att önskade tröskelvärden plottas. Detta
innebär att hjälplinjer plottas ut i Fig. 9.2 - Närmare undersökning av fas A.
Tanken med denna del av koden är att det skall gå lättare att bestämma vilken typ av fel
motorn har.
35
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Matlabkod:
%Ladda in de samplade strömmarna som Ia, Ib och Ic.
%---------------------------ALLMÄNT---------------------------------------Varvtal = 2860; %Asynkront varvtal
fs
= 10000; %Samplingsrekvens
pp
= 2;
%Polpar
%Intsällningar för plot av FFT
n
= 3;
%Antal sidobandskomponenter i FFT spektrum
k
= 3;
%K i formeln för kortslutna lindningsvarv
%treshbb = -50; %Tröskelvärde för brustna rotorstavar
%treshsc = -25; %Tröskel för korstlutna lindningsvarv
%-------------------------------------------------------------------------%---------------------------Lågpassfilter---------------------------------order
cutoff
P2P
SBA
= 3;
%Filterordning
= 200; %Cutoff
= 0.5; %Peak2Peak dB
= 60;
%Försvagning (Stopband Attenuation)
[B,A]
= ellip(order, P2P, SBA, cutoff/(0.5*fs), 'Low');
freqz(B, A, 5000, fs);
Iaf = filter(B,A,Ia);
Ibf = filter(B,A,Ib);
Icf = filter(B,A,Ic);
%Filtrering av signaler.
%-------------------------------------------------------------------------%----------------------------FFT------------------------------------------m
l
f
fIa
fIb
fIc
fIaf
fIbf
fIcf
= length(Ia);
% Fönsterlängd
= pow2(nextpow2(m)); % Transformlängd
= (0:l-1)*(fs/l);
% Frekvensomfång
= fft(Ia,l);
= fft(Ib,l);
= fft(Ic,l);
= fft(Iaf,l);
= fft(Ibf,l);
= fft(Icf,l);
% DFT av fas a,b,c och totalt.
% DFT av filtrerade signaler.
%-------------------------------------------------------------------------%----------------------------RIKTLINJER------------------------------------%
%{
% Här räknas teoretiska värden ut för eftersläpningen, brustna rotorstavar,
36
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
%och kortslutna lindningsvarv.
%
index = find(fIaf == max(fIaf(:))); %Hittar högsta amplituden i FFT, Ia.
fm = f(index(1));
% Hittar frekvensen för högsta amplituden
slip
= (fm*60 - varvtal)/(fm*60);
i
n
k
iii
= 1;
= n*2;
= k*2;
= 1;
while i<n
fbb(i) = fm*(1-(2*i*slip));
i = i + 1;
fbb(i) = fm*(1+(2*(i-1)*slip));
ii
= 1;
while ii<k
fsc(iii) = fm*((i*(1-slip)/pp)+ii);
iii = iii + 1;
fsc(iii) = fm*((i*(1-slip)/pp)-(ii-1));
iii = iii + 1;
ii = ii + 2;
end
i = i + 1;
end
%}
%-------------------------------------------------------------------------%----------------------------PARKS VECTOR---------------------------------%Ofiltrerad
Iq
= (1/sqrt(2)*Ib)-((1/sqrt(2)*Ic));
Id
= ((sqrt(2/3)*Ia)-((1/sqrt(6))*Ib)-((1/sqrt(6))*Ic));
%-------------------------------------------------------------------------%----------------------------GRAFER----------------------------------------
37
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
lfIa = 20*log10((abs(fIa)/l)); %Logaritmisk omskalning av ofiltrerad fas
lfIb = 20*log10((abs(fIb)/l));
lfIc = 20*log10((abs(fIc)/l));
lfIaf = 20*log10((abs(fIaf)/l));%Logaritmisk omskalning av filtrerad fas
lfIbf = 20*log10((abs(fIbf)/l));
lfIcf = 20*log10((abs(fIcf)/l));
figure;
%överblick signaler
subplot(311);
plot(f, lfIa, f, lfIb, f, lfIc);
%set(gca,'YScale','log');
xlim([0 500]); grid; title('FFT av Ia, Ib, Ic (0 - 500 Hz)'); xlabel('Frekvens(Hz)');
ylabel('Magnitud(dB)');
subplot(312);
plot(f, lfIaf, f, lfIbf, f, lfIcf);
%set(gca,'YScale','log');
xlim([25 75]); grid; title('FFT av Ia, Ib, Ic (25 - 75 Hz)'); xlabel('Frekvens(Hz)');
ylabel('Magnitud(dB)');
subplot(313);
plot(Time, Ia, Time, Ib, Time, Ic); grid;
title('Ia, Ib, och Ic av t'); xlabel('Tid(s)');
ylabel('Amplitud(A)');
figure;
hold all;
%Fönster för statusbedömning
g = gausswin(10); %Bestämmer hur pass mjuk fft kurvans röda del blir
g = g/sum(g);
slfIaf = conv(lfIaf, g, 'same');
%slfIaf = smooth(f,lfIaf,0.25,'rloess');
plot(f, lfIaf, 'g', 'linewidth', 1);
plot(f, slfIaf, 'r', 'linewidth', 2)
%set(gca,'YScale','log');
%{
%-------------------Plottar riktlinjer för statusbedömning----------------% Detta fungerar endast om exakt rätt varvtal används. Kontrollera även att
% nätets frekvens blir rätt.
i
= 1;
38
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
ii
= 1;
while i<n
%Plottar x värden för brustna rotorstavar och kortslutningar
yL = get(gca,'YLim');
line([fbb(i) fbb(i)],yL,'Color','r');
line([fsc(ii) fsc(ii)],yL,'Color','g');
ii = ii + 1;
line([fsc(ii) fsc(ii)],yL,'Color','g');
i = i + 1;
end
xL = get(gca,'XLim'); %Plottar tröskelvärden för skador
line(xL,[treshbb treshbb],'Color','r');
line(xL,[treshsc treshsc],'Color','g');
%}
xlim([10 160]);grid;xlabel('Frekvens (Hz)'); ylabel('Amplitud(dB)');
title('Undersökning av Fas A')
figure;
%parks vector
plot(Iq, Id); axis('equal'); set(gca,'XTick',[-8:1:8]);
set(gca,'YTick',[-8:1:8]); ylabel('Id'); xlabel('Iq'); grid;
title('Parks vektormetod')
39
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
9. 2 Referenser
1. Miloje Kostic, ” Effects of Voltage Quality on Induction Motors’ Efficient Energy
Usage”
Electrical Engineering Institute “Nikola Tesla”, Belgrade University, Belgrade,
November 2012
2. Aderiano M. da Silva, B. S, ”INDUCTION MOTOR FAULT DIAGNOSTIC AND
MONITORING METHODS”
Marquette University, Milwaukee Wisconsin, May 2006.
3. B. K Bose, “Modern power electronics and AC drives”,
Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002
4. Jerry R. Bednarczyk, “Induction Motor Theory”
PDH Center, Meadow Estates Drive, 2012
5. "Induction (Asychronous) Motors". Mississippi State University Dept of Electrical and
Computer Engineering, Course ECE 3183, 'Electrical Engineering Systems for non-ECE
majors'. 2012.
6. Rampil, Ira Jay. ”Fast Fourier Transformation of EEG Data”. Fast Fourier
Transformation of EEG Data. JAMA. Läst 4 september 2012.
7. S. E. Zouzou, M. Sahraoui, A. Ghoggal, S. Guedidi, ”Detection of Inter-Turn ShortCircuit and broken Rotor Bars in Induction Motors Using the Partial
Relative Indexes: Application on the MCSA ”, XIX International Conference on
Electrical Machines - ICEM 2010, Rome
8. I. C Report, ”Report of Large Motor Reliability Survey of Industrial
and Commercial Installations, Part I” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY
APPLICATIONS, VOL. IA-21, NO. 4, JULY/AUGUST 1985
9. ABB Motors, ”Broschyr A 10-2004”, ReklamCenter AB Västerås 1988-06 Tryckcentra
AB, Västerås
10. Wajdi SAADAOUI, Kahled Jelassi, ”Induction motor bearing damage detection using
stator current analysis”, Proceedings of the 2011 International Conference on Power
Engineering, Energy and Electrical Drives. May 2011.
11. Luleå Tekniska Universitet ”Diagnos av lagerfel - LTU - Luleå tekniska universitet”,
http://www.ltu.se *Online+. Available:
http://www.ltu.se/research/subjects/control/Forskningsprojekt/Diagnos-av-lagerfel1.111812 *Accessed: Sep. 19, 2014+.
40
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
12. William T. Thomson “ON-LINE MCSA TO DIAGNOSE SHORTl3D TURNS IN LOW
VOLTAGE STATOR WINDINGS OF 3-PHASE INDUCTION MOTORS PRIOR TO FAILURE” ,
Electric Machines and Drives Conference, 2001. IEMDC 2001. IEEE International
13. Fruchenecbt S, Pittius E and Seinsch H, 1989, “A Diagnostic System for Three-phase
Asynchronous Machines”, Proc IEE, EMDA’89, Vol 310, pp 163- 171
14. Penman J, Sedding H G, Lloyd B A and Fink W T, 1994, “Detection and Location of
Inter-turn Short Circuits in the Stator Windings of Operating Motors”, IEEE
Transactions on Energy Conversion,
Vol9, No 4,
15. W. T. Thomson, ” ON-LINE DIAGNOSIS OF STATOR SHORTED TURNS IN MAINS AND
INVERTER FED LOW VOLTAGE INDUCTION MOTORS”,
International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 16-18 April
2002 : venue, University of Bath, UK., Institution of Electrical Engineers, 2002
16. William T. Thomson, Mark Fenger “Current Signature Analysis to Detect Induction
Motor Faults”
Industry Applications Magazine, IEEE (Volume:7 , Issue: 4 ), August, 2002.
17. Ying Xie, “Investigation of Broken Rotor Bar Faults in Three-Phase Squirrel-Cage
Induction Motors”
Harbin University of Science and Technology, China.
18. Shuo Chen, “Induction Machine Broken Rotor Diagnostics Using Prony Analysis”
School of Electrical and Electronic Engineering of the University of Adelaide,
Adelaide, Austraila, 2008.
19. Messaoudi, L.Sbita. “Multiple Faults Diagnosis in Induction Motor Using the MCSA
Method”.
Department of Electrical Engineering, Gabes, Tunisien, 2010.
20. Mohamed Drif, A.J. Marques Cardoso.
“Airgap Eccentricity Fault Diagnosis,in Three-Phase Induction Motors, By the
Instantaneous Power Signature Analysis”
University of Coimbra,Department of Electrical and Computer Engineering
Polo II Pinhal de Marrocos, Coimbra, Portugal, April 2008.
21. William T. Thomson and Ronald J. Gilmore, “MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS
TO DETECT FAULTS IN INDUCTION MOTOR DRIVES – FUNDAMENTALS , DATA,
41
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
INTERPRETATION AND INDUSTRIAL CASE HISTORIES”
Alford, Aberdeenshire, Scotland, 2003.
22. Mohamed El Hachemi Benbouzid, Senior Member, “IEEE. A review of induction
motors signature analysis as a medium for faults detection”
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 47, NO. 5, OCTOBER 2000
23. Subhasis Nandi and Hamid A. Toliyat “CONDITION MONITORING AND FAULT
DIAGNOSIS OF ELECTRICAL MACHINE”
Industry Applications Conference. Thirty-Four IAS Annual Meeting. Phoenix, AZ, USA,
1999.
24. Neelam Mehala, “ CONDITION MONITORING AND FAULT DIAGNOSIS OF INDUCTION
MOTORS USING MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS“
ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT NATIONAL INSITUTE OF TECHNOLOGY,
KURUKSHETRA, INDIA, October, 2010
25. Arfat Siddique, G.S. Ydava and Bhim Singh, “A Review of Stator Fault Monitoring
Techniques of Induction Motors”
IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CENVERSION. VOL. 20. NO. 1. MARCH 2005
26. A. Bellini, F. Filipp etti, G. Franceschini, C. Tassoni, R. Passaglia, M. Saottini, G. Tontini, M. Giovannini, and A. Rossi, “Enels experience with on-line
diagnosis of large induction motors cage failures”
Conference: Industry Applications Conference. Conference Record of the 2000 IEEE,
Volume: 1, 2000.
27. G. B. Kliman, R. A. Ko egl, J. Stein, and R. D. Endicott, “Noninvasive detection of
broken rotor bars in operating induction motors”,
Energy Conversion, IEEE Transactions on (Volume:3 , Issue: 4 ), August 2002.
28. W.T.Thomson, D.Rankin and D.G.Dorrell, "On-line current monitoring To diagnos
Airgap eccentricity in large induction motors – Industrial case histories verify The
predictions",IEEE Trans. On Energy Conv.,vol.14, Dec.1999.
29. A. J. Marques Cardoso, S. M. A. Cruz, D. S. B. Fonseca, ”Inter-Turn Stator Winding
Fault Diagnosis in Three-phase Induction Motors, by Park's Vector Approach ” IEEE
Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No. 3, September 1999
30. Dionysios V. Spyropoulos, Epaminondas D. Mitronikas, “Induction Motor Stator Fault
Diagnosis Technique Using Park Vector Approach and Complex Wavelets” Electrical
Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on 2-5 Sept. 2012
42
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
31. A. J. Marques Cardoso, S. M. A. Cruz, J. F. S. Carvalho, E. S. Saraiva, ”Rotor Cage Fault
Diagnosis in Three-phase Induction Motors, by Park's Vector Approach”
Industry Applications Conference, 1995. Thirtieth IAS Annual Meeting, IAS '95.,
Conference Record of the 1995 IEEE (Volume:1 )
32. A. J. Marques Cardoso, Student Member, IEEE, and E. S. Saraiva, Member, IEEE
”Computer-Aided Detection of Airgap Eccentricity in Operating Three-phase Induction
Motors by Park’s Vector Approach”
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 29, NO. 5,
SEPTEMBEWOCTOBER 1993
33. ABB. Argus mätsystem.
www.abb.se/product/ap/seitp322/4e40a5a2cec79969c1257514004ab50d.aspx(hämt
ad 2014-07-20)
43
Examensarbete: STATUSBEDÖMNING AV ASYNKRONMOTORER
Bilder:
Fig. 2.6 - Asynkronmotorns vridmoment som funktion av eftersläpningen.
Svjo. (2012, January 20). ” 500px-Torque_as_function_of_slip.svg.png” in Own work*Online+
Available:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/91/Torque_as_function_of_slip.
svg/500px-Torque_as_function_of_slip.svg.png [Sept 18, 2014]
Fig. 2.5 - Asynkronmotorns vridmoment som funktion av varvtalet.
Svjo. (2012, January 20). “500px-Torque_asynch_motor-2.svg.png” in Wikipedia*Online+
Available:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f1/Torque_asynch_motor2.svg/500px-Torque_asynch_motor-2.svg.png[Sept 18, 2014]
Fig. 2.3 - Roterande trefasigt magnetfält
Svjo. ” 500px-Rotating-3-phase-magnetic-field.svg.png” in Wikipedia*Online+
Available:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8c/Rotating-3-phase-magneticfield.svg/500px-Rotating-3-phase-magnetic-field.svg.png[Sept 18, 2014]
Fig. 2.1 - Rotorstavar och kortslutningsringar som tillsammans bildar rotorburen
Meggar.(2004, October 20) “Squirrel_cage.jpg” in Wikipedia
Available:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/da/Squirrel_cage.jpg[Sept 18, 2014]
Fig. 2.2 - Komplett asynkronmotor med dess komponenter.
Zureks.(2008) ” Stator_and_rotor_by_Zureks.JPG”
Available:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stator_and_rotor_by_Zureks.JPG[Sept 18, 2014]
Fig. 2.7 – Exempel på Fouriertransformerad signal
Pdchem.(2011, June 3) “Time_domain_to_frequency_domain.jpg”
Available:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Time_domain_to_frequency_domain.jpg[Sept 18,
2014]
Fig. 2.4 - Induktionsmotorns ekvivalenta krets
Cblambert.(2012, December 3) ” IMEQCCT.jpg”
Available:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:IMEQCCT.jpg[Nov 30, 2014]
44