Bei der Prüfung von Elektromotoren ist der Polarisationsindex (PI) ein Maß dafür, wie sehr sich der Widerstand des Isolationssystems im Laufe der Zeit verbessert (oder verschlechtert).
Während der PI-Test als primärer Test für die Bewertung des Zustands der Motorisolierung galt, ist sein Verfahren im Vergleich zu neueren Testmethoden, die eine umfassendere diagnostische Bewertung des Gesamtzustands eines Motors ermöglichen, veraltet.
Dieser Artikel vermittelt ein praktisches Verständnis des Isolationssystems eines Motors, ein grundlegendes Verständnis der Polarisationsindexprüfung und wie moderne Motortestmethoden umfassendere Ergebnisse in kürzerer Zeit liefern.
POLARISATIONSINDEX (PI)
Der Polarisationsindex-Test (PI) ist eine Standardmethode zur Prüfung von Elektromotoren, die in den 1800er Jahren entwickelt wurde und mit der versucht wird, den Zustand der Wicklungsisolierung eines Motors zu bestimmen.
Während der PI-Test Informationen über die Isolierung von Erdwänden (GWI) liefert, die typischerweise vor den 1970er Jahren installiert wurden, kann er den Zustand der Wicklungsisolierung in modernen Motoren nicht genau bestimmen.
Bei der PI-Prüfung wird eine Gleichspannung (typischerweise 500V – 1000V) an die Motorwicklung angelegt, um die Wirksamkeit des GWI-Systems zur Speicherung einer elektrischen Ladung zu messen.
Da das GWI-System eine natürliche Kapazität zwischen den Motorwicklungen und dem Motorrahmen bildet, wird die angelegte Gleichspannung als elektrische Ladung gespeichert, genau wie bei jedem anderen Kondensator.
Wenn der Kondensator vollständig aufgeladen ist, nimmt der Strom ab, bis nur noch der endgültige Ableitstrom übrig bleibt, der den Widerstand der Isolierung gegen Erde bestimmt.
In neuen, sauberen Isoliersystemen nimmt der Polarisationsstrom mit der Zeit logarithmisch ab, da die Elektronen gespeichert werden. Der Polarisationsindex (PI) ist das Verhältnis des Isolationswiderstandes zur Erde (IRG), der in Abständen von 1 und 10 Minuten gemessen wird.
PI = 10 Minuten IRG/1 Minute IRG
Bei Isolationssystemen, die vor 1970 installiert wurden, werden PI-Tests durchgeführt, während das dielektrische Material polarisiert wird.
Wenn sich die Bodenisolierung (GWI) zu zersetzen beginnt, kommt es zu einer chemischen Veränderung, die dazu führt, dass das dielektrische Material widerstandsfähiger und weniger kapazitiv wird, wodurch die Dielektrizitätskonstante sinkt und die Fähigkeit des Isolationssystems, elektrische Ladung zu speichern, abnimmt. Dies führt dazu, dass der Polarisationsstrom linearer wird, wenn er sich dem Bereich nähert, in dem der Leckstrom vorherrscht.
Bei neueren Isolationssystemen, die nach den 1970er Jahren entwickelt wurden, tritt jedoch aus verschiedenen Gründen die gesamte Polarisierung des dielektrischen Materials in weniger als einer Minute ein, und die IRG-Messwerte liegen über 5.000 Meg-Ohm. Der berechnete PI ist möglicherweise nicht aussagekräftig als Hinweis auf den Zustand der Grundmaueranzeige.
Da bei diesem Test ein elektrostatisches Feld zwischen den Wicklungen und dem Motorrahmen erzeugt wird, liefert er außerdem nur sehr wenige oder gar keine Hinweise auf den Zustand des Isolationssystems der Wicklungen. Der beste Hinweis auf diese Art von Fehlern ist die Verwendung von MCA-Messungen des Phasenwinkels und des aktuellen Frequenzgangs.
ISOLIERMATERIALIEN
In Elektromotoren ist die Isolierung das Material, das dem freien Fluss der Elektronen widersteht, den Strom durch einen gewünschten Pfad leitet und ihn daran hindert, an anderer Stelle zu entweichen.
Theoretisch sollte die Isolierung den gesamten Stromfluss blockieren, aber selbst das beste Isoliermaterial lässt einen kleinen Teil des Stroms hindurch. Dieser überschüssige Strom wird im Allgemeinen als Leckstrom bezeichnet.
Obwohl allgemein angenommen wird, dass Motoren eine Lebensdauer von 20 Jahren haben, ist das Versagen des Isoliersystems der Hauptgrund für den vorzeitigen Ausfall von Elektromotoren.
Das Isoliersystem beginnt sich zu verschlechtern, wenn die Isolierung aufgrund einer Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung leitfähiger wird. Die chemische Zusammensetzung der Isolierung verändert sich im Laufe der Zeit durch allmähliche Nutzung und/oder andere Schäden. Der Leckstrom ist ohmsch und erzeugt Wärme, die zu einer zusätzlichen und schnelleren Zersetzung der Isolierung führt.
Hinweis: Die meisten Lackdrähte sind so konstruiert, dass sie eine Lebensdauer von 20.000 Stunden bei Nenntemperaturen (105 bis 240° C) garantieren.
ISOLIERSYSTEME
Motoren und andere elektrische Geräte mit Spulen haben 2 separate und unabhängige Isoliersysteme.
Erdungsisolationssysteme trennen die Spule vom Motorrahmen und verhindern, dass die an die Wicklungen angelegte Spannung in den Statorkern oder einen Teil des Motorrahmens gelangt. Eine Unterbrechung der Erdungsisolierung wird als Erdschluss bezeichnet und stellt ein Sicherheitsrisiko dar.
Wicklungsisolationssysteme sind Lackschichten, die den leitenden Draht umgeben, der die gesamte Spule mit Strom versorgt, um das Magnetfeld des Stators zu erzeugen. Eine Unterbrechung des Isolationssystems der Wicklung wird als Wicklungskurzschluss bezeichnet und schwächt das Magnetfeld der Spule.
ISOLATIONSWIDERSTAND GEGEN ERDE (IRG)
Die häufigste elektrische Prüfung, die bei Motoren durchgeführt wird, ist die Prüfung des Isolationswiderstands gegen Erde (IRG) oder “Spot-Test”.
Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Motorwicklung bestimmt dieser Test den Punkt des geringsten Widerstandes, den die Erdungswandisolierung zum Motorrahmen aufweist.
KAPAZITÄT
Die Kapazität (C), gemessen in Farad, ist definiert als die Fähigkeit eines Systems, eine elektrische Ladung zu speichern. Die Kapazität eines Motors lässt sich anhand der folgenden Gleichung ermitteln: 1 Farad = die Menge der gespeicherten Ladung in Coulomb (Q) geteilt durch die Versorgungsspannung.
Beispiel: Wenn die angelegte Spannung eine 12-V-Batterie ist und der Kondensator eine Ladung von 0,04 Coulomb speichert, hat er eine Kapazität von 0,0033 Farad oder 3,33 mF. Ein Coulomb ist eine Ladung von etwa 6,24 x 1018 Elektronen oder Protonen. Ein 3,33 mF Kondensator würde bei voller Ladung etwa 2,08 X 1016 Elektronen speichern.
Eine Kapazität wird erzeugt, indem ein dielektrisches Material zwischen leitende Platten gelegt wird. In Motoren bilden Erdungsisolationssysteme eine natürliche Kapazität zwischen den Motorwicklungen und dem Motorrahmen. Die Wicklungsleiter bilden eine Platte und der Motorrahmen die andere, so dass die Isolierung der Erdungswand das Dielektrikum bildet.
Die Höhe der Kapazität hängt ab von:
Die gemessene Fläche der Platten – Die Kapazität ist direkt proportional zur Fläche der Platten.
Der Abstand zwischen den Platten – Die Kapazität ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Platten.
Die Dielektrizitätskonstante – Die Kapazität ist direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante
KAPAZITÄT GEGEN ERDE (CTG)
Die Messung der Kapazität gegen Erde (CTG) ist ein Indikator für die Sauberkeit der Wicklungen und Kabel eines Motors.
Da die Erdungswandisolierung (GWI) und die Wicklungsisolationssysteme eine natürliche Kapazität zur Erde bilden, hat jeder Motor eine einzigartige CTG, wenn der Motor neu und sauber ist.
Wenn die Motorwicklungen oder der GWI verschmutzt sind oder Feuchtigkeit in den Motor eingedrungen ist, erhöht sich das CTG. Wenn jedoch entweder das GWI oder die Isolierung der Wicklung thermisch geschädigt wird, wird die Isolierung widerstandsfähiger und weniger kapazitiv, wodurch das CTG sinkt.
DIELEKTRISCHES MATERIAL
Ein dielektrisches Material ist ein schlechter Leiter für Elektrizität, unterstützt aber ein elektrostatisches Feld. In einem elektrostatischen Feld durchdringen die Elektronen das dielektrische Material nicht und die positiven und negativen Moleküle paaren sich, um Dipole zu bilden (Paare entgegengesetzt geladener Moleküle, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind) und sich zu polarisieren (die positive Seite des Dipols richtet sich auf das negative Potenzial aus und die negative Ladung auf das negative Potenzial).
DIELEKTRIZITÄTSKONSTANTE (K)
Die Dielektrizitätskonstante (K) ist ein Maß für die Fähigkeit eines dielektrischen Materials, eine elektrische Ladung durch die Bildung von Dipolen zu speichern, im Vergleich zu einem Vakuum, das eine K von 1 hat.
Die Dielektrizitätskonstante von Isoliermaterial hängt von der chemischen Zusammensetzung der Moleküle ab, die das Material bilden.
Das K eines dielektrischen Materials wird von der Dichte des Materials, der Temperatur, dem Feuchtigkeitsgehalt und der Frequenz des elektrostatischen Feldes beeinflusst.
DIELEKTRISCHER VERLUST
Eine wichtige Eigenschaft dielektrischer Materialien ist die Fähigkeit, ein elektrostatisches Feld aufrechtzuerhalten und dabei nur wenig Energie in Form von Wärme abzugeben, was als dielektrischer Verlust bezeichnet wird.
DIELEKTRISCHER DURCHSCHLAG
Wenn die Spannung über einem dielektrischen Material zu hoch wird und dadurch das elektrostatische Feld zu stark wird, leitet das dielektrische Material Strom und wird als dielektrischer Durchschlag bezeichnet. In festen dielektrischen Materialien kann dieser Durchbruch dauerhaft sein.
Bei einem dielektrischen Durchschlag ändert sich die chemische Zusammensetzung des dielektrischen Materials, was zu einer Änderung der Dielektrizitätskonstante führt.
STRÖME, DIE MIT EINEM LADEKONDENSATOR VERWENDET WERDEN
Vor einigen Jahrzehnten wurde der Polarisationsindex-Test (PI) eingeführt, um die Fähigkeit des Isolationssystems zu bewerten, eine elektrische Ladung zu speichern. Da beim Laden eines Kondensators, wie oben beschrieben, im Wesentlichen drei verschiedene Ströme fließen.
Ladestrom – Der Strom, der sich auf den Platten ansammelt, hängt von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ab. Der Ladestrom endet normalerweise in < als 1 Minute. Die Höhe der Aufladung ist unabhängig vom Zustand des Isoliermaterials die gleiche.
Polarisationsstrom – Der Strom, der erforderlich ist, um das dielektrische Material zu polarisieren oder die Diploe auszurichten, die entstehen, wenn das dielektrische Material in ein elektrostatisches Feld gebracht wird. Bei den Isolationssystemen, die in den Motoren (vor 1970) installiert waren, als die Polarisationsindexprüfung entwickelt wurde, lag der Nennwert eines neuen, sauberen Isolationssystems typischerweise im Bereich von 100 Megaohm (106) und erforderte mehr als 30 Minuten und in einigen Fällen sogar mehrere Stunden. Bei einem neueren Isolationssystem (nach 1970) liegt der Nennwert eines neuen, sauberen Isolationssystems jedoch im Giga-Ohm- bis Tera-Ohm-Bereich (109, 1012) und ist in der Regel vollständig gepolt, bevor der Ladestrom vollständig beendet ist.
Leckstrom – Der Strom, der durch das Isoliermaterial fließt und Wärme ableitet.
LADESTROM
Ein ungeladener Kondensator hat Platten, die eine gleiche Anzahl positiver und negativer Ladungen aufweisen.
Wenn Sie eine Gleichstromquelle an die Platten eines ungeladenen Kondensators anlegen, fließen Elektronen von der negativen Seite der Batterie und sammeln sich auf der Platte, die mit dem negativen Pol der Batterie verbunden ist.
Dadurch entsteht ein Überschuss an Elektronen auf dieser Platte.
Die Elektronen fließen von der Platte, die mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist, in die Batterie, um die Elektronen zu ersetzen, die sich auf der negativen Platte angesammelt haben. Der Strom wird so lange fließen, bis die Spannung an der positiven Platte mit der positiven Seite der Batterie übereinstimmt und die Spannung an der negativen Platte das Potenzial der negativen Seite der Batterie erreicht.
Die Anzahl der Elektronen, die von der Batterie zu den Platten verdrängt werden, hängt von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ab.
Dieser Strom wird als Ladestrom bezeichnet. Er verbraucht keine Energie und wird im Kondensator gespeichert. Diese gespeicherten Elektronen erzeugen ein elektrostatisches Feld zwischen den Platten.
POLARISATIONSSTROM
Das Anbringen eines dielektrischen Materials zwischen den Platten in einem Kondensator erhöht die Kapazität eines Kondensators im Vergleich zum Abstand zwischen den Platten in einem Vakuum.
Wenn ein dielektrisches Material in ein elektrostatisches Feld gebracht wird, polarisieren sich die neu gebildeten Dipole. Das negative Ende des Dipols richtet sich an der positiven Platte aus und das positive Ende des Dipols richtet sich an der negativen Platte aus. Dies wird als Polarisierung bezeichnet.
Je höher die Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Materials ist, desto mehr Elektronen werden benötigt, wodurch sich die Kapazität der Schaltung erhöht.
LECKSTROM
Die geringe Strommenge, die durch das dielektrische Material fließt, während seine isolierenden Eigenschaften erhalten bleiben, wird als effektiver Widerstand bezeichnet. Dies ist etwas anderes als die Durchschlagfestigkeit, die als die maximale Spannung definiert ist, die ein Material aushalten kann, ohne zu versagen.
Wenn sich ein Isoliermaterial verschlechtert, wird es widerstandsfähiger und weniger kapazitiv, wodurch der Leckstrom steigt und die Dielektrizitätskonstante sinkt. Der Leckstrom erzeugt Wärme und wird als dielektrischer Verlust betrachtet.
VERLUSTFAKTOR
Ist eine alternative Prüftechnik, die ein Wechselstromsignal verwendet, um die Isolierung von Erdwänden (GWI) zu prüfen. Wie oben erläutert, werden bei der Verwendung eines Gleichstromsignals zum Testen des GWI 3 verschiedene Ströme angetroffen. Das Gerät ist jedoch nicht in der Lage, die Ströme außer nach der Zeit zu unterscheiden. Durch Anlegen eines Wechselstromsignals zum Testen des GWI ist es jedoch möglich, die gespeicherten Ströme (Ladestrom, Polarisationsstrom) von den Widerstandsströmen (Leckstrom) zu trennen.
Da sowohl der Lade- als auch der Polarisationsstrom gespeicherte Ströme sind und im entgegengesetzten ½-Zyklus wieder in den Strom zurückgeführt werden, läuft der Strom der Spannung um 90° voraus, während der Leckstrom, der ein Widerstandsstrom ist, der Wärme ableitet, und der Strom gleichphasig mit der angelegten Spannung ist. Der Verlustfaktor (DF) ist einfach das Verhältnis zwischen dem kapazitiven Strom (IC) und dem ohmschen Strom (IR).
DF = IC / IR
Bei einer sauberen, neuen Isolierung beträgt die IR typischerweise < 5% der IC. Wenn das Isoliermaterial verunreinigt wird oder sich thermisch verschlechtert, sinkt entweder die IC oder die IR steigt. In beiden Fällen wird das DF steigen.
MOTORSTROMKREISANALYSE (MCA™)
Die Motorstromkreisanalyse (MCA™), auch als Motorstromkreisbewertung (MCE) bezeichnet, ist eine stromlose, zerstörungsfreie Testmethode zur Beurteilung des Zustands eines Motors. Dieses Verfahren wird vom Motor Control Center (MCC) oder direkt am Motor selbst initiiert und bewertet den gesamten elektrischen Teil des Motorsystems, einschließlich der Verbindungen und Kabel zwischen dem Testpunkt und dem Motor.
Während der Motor ausgeschaltet und ohne Strom ist, verwenden Geräte wie der AT7 und der AT34 von ALL-TEST Pro MCA zur Bewertung:
- Erdungsfehler
- Fehler in der internen Wicklung
- Offene Verbindungen
- Rotor-Fehler
- Kontamination
Motorentests mit MCA™-Tools sind sehr einfach zu implementieren, und der Test dauert weniger als drei Minuten, im Vergleich zu Polarisationsindex-Tests, die in der Regel mehr als 10 Minuten in Anspruch nehmen.
WIE FUNKTIONIERT DIE MOTORSTROMKREISANALYSE?
Der elektrische Teil des Drehstrommotorsystems besteht aus ohmschen, kapazitiven und induktiven Schaltkreisen. Wenn eine niedrige Spannung angelegt wird, sollten gesunde Schaltkreise auf eine bestimmte Weise reagieren.
Die ALL-TEST Pro Motor Circuit Analysis Tools wenden eine Reihe von zerstörungsfreien, sinusförmigen AC-Signalen mit niedriger Spannung auf den Motor an, um die Reaktion auf diese Signale zu messen. Dieser stromlose Test dauert nur ein paar Minuten und kann sogar von einem Techniker auf Anfängerniveau durchgeführt werden.
MCA-Maßnahmen:
- Widerstand
- Impedanz
- Induktivität
- Fi (Phasenwinkel)
- Dissipationsfaktor
- Isolierung gegen Erde
- I/F (aktueller Frequenzgang)
- Testwert Statisch (TVS)
- Dynamische Stator- und Rotorsignaturen
Und anwendbar auf:
- AC/DC-Motoren
- AC/DC Traktionsmotoren
- Generatoren/Alternatoren
- Motoren für Werkzeugmaschinen
- Servomotoren
- Steuertransformatoren
- Übertragungs- und Verteilungstransformatoren
ZUSAMMENFASSUNG
In den 1800er Jahren war der Polarisationsindex-Test eine effektive Methode, um den Gesamtzustand eines Motors zu bestimmen. Mit modernen Dämmsystemen ist sie jedoch weniger wirksam geworden.
Während der PI-Test zeitaufwändig ist (15+ Minuten) und nicht feststellen kann, ob der Fehler in der Wicklung oder in der Isolierung der Erdungswand liegt, können moderne Technologien wie MOTOR CIRCUIT ANALYSIS (MCATM) Verbindungsprobleme, Fehler in der Wicklung von Windung zu Windung, von Spule zu Spule und von Phase zu Phase in einem sehr frühen Stadium erkennen, wobei die Tests in weniger als 3 Minuten abgeschlossen sind.
Andere Technologien, wie DF, CTG & IRG, liefern einen Zustand des Bodenisolationssystems in Tests, die ebenfalls in kürzester Zeit durchgeführt werden.
Durch die Kombination neuer Technologien wie MCA, DF, CTG und IRG ermöglichen moderne Prüfverfahren für Elektromotoren eine viel umfassendere und gründlichere Bewertung des gesamten Isolationssystems eines Motors – schneller und einfacher als je zuvor.
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