電気モーター試験に関して、分極指数(PI)は、絶縁システムの抵抗が時間とともにどの程度改善(または劣化)するかを示す尺度である。

PIテストはモータの絶縁状態を評価する際の主要なテストと見なされてきましたが、そのプロセスは、モータの全体的な健全性をより包括的に診断評価する新しいテスト方法に比べて時代遅れになっています。

この記事では、モータの絶縁システム、分極指数試験の基本的な理解、最新のモータ試験法がより短時間でより包括的な結果を提供する方法について、実践的な理解を提供します。

偏光指数

分極指数(PI)試験は、1800年代に開発された標準的な電動機試験方法で、電動機の巻線絶縁の健全性を判定しようとするものです。

PI試験は、1970年代以前に一般的に設置された地上壁絶縁(GWI)システムに関する情報を提供するが、最新のモーターにおける巻線絶縁の正確な状態を提供することはできない。

PI試験では、モーターの巻線に直流電圧(通常500V~1000V)を印加し、電荷を蓄えるGWIシステムの有効性を測定する。

GWIシステムはモーター巻線とモーターフレームの間に自然静電容量を形成するので、印加された直流電圧は他のコンデンサーと同じように電荷として蓄えられる。

コンデンサーが完全に充電されると、電流は減少し、最終的に残るのは漏れ電流だけとなる。

新しいクリーンな絶縁システムでは、電子が蓄積されるにつれて分極電流は時間とともに対数的に減少する。 極性指数(PI)は、1分間隔と10分間隔で測定された対地絶縁抵抗(IRG)値の比である。

PI = 10分IRG/1分IRG

1970年代以前に設置された絶縁システムでは、PI試験は誘電体材料の分極中に行われます。

地上壁絶縁材(GWI)が劣化し始めると、化学変化を起こして誘電体材料が抵抗性、容量性ともに低下し、誘電率が低下して絶縁システムの電荷蓄積能力が低下する。 これにより、分極電流は、漏れ電流が支配的な範囲に近づくにつれて、より直線的になる。

しかし、1970年代以降の新しい絶縁システムでは、さまざまな理由により、誘電体の分極全体が1分以内に起こり、IRGの測定値は5,000メガオームを超えます。 算出されたPIは、地盤の壁の状態を示す指標としては意味をなさないかもしれない。

さらに、この試験は巻線とモーターフレームとの間に静電界を発生させるため、巻線の絶縁システムの状態を示す指標はほとんど得られません。 位相角と電流周波数応答のMCA測定を使用することで、これらのタイプの故障を最もよく示すことができる。

断熱材

電気モーターでは、絶縁は電子の自由な流れに抵抗する材料であり、電流を目的の経路に導き、他の場所に逃げないようにする。

理論的には、絶縁体はすべての電流の流れを遮断するはずだが、どんなに優れた絶縁体でも、わずかな電流は通す。 この過剰電流は一般に漏れ電流と呼ばれる。

一般的にモーターの寿命は20年と言われているが、電気モーターが早期に故障する主な原因は絶縁システムの故障である。

絶縁システムが劣化し始めるのは、絶縁体の化学組成が変化して導電性が高まったときである。 断熱材の化学組成は、徐々に使用されたり、その他の損傷により、時間とともに変化する。 漏れ電流は抵抗となり、熱を発生させ、絶縁をさらに急速に劣化させる。

注:ほとんどのエナメル線は、定格温度(105~240℃)で20,000時間の寿命を保証するように設計されています。

断熱システム

モーターやその他のコイル付き電気機器には、2つの独立した絶縁システムがある。

アースウォール絶縁システムは、コイルをモータのフレームから分離し、巻線に供給される電圧がステータコアやモータフレームのどの部分にも漏れるのを防ぎます。 地中壁絶縁システムの故障は地絡と呼ばれ、安全上の危険を引き起こす。

巻線絶縁システムは、コイル全体に電流を供給して固定子磁界を形成する導電線を取り囲むエナメル層である。 巻線絶縁システムの破壊は巻線ショートと呼ばれ、コイルの磁場を弱める。

対地絶縁抵抗(IRG)

モーターで実施される最も一般的な電気試験は、対地絶縁抵抗(IRG)試験または「スポット試験」である。

モーター巻線に直流電圧を印加することにより、この試験は、接地壁の絶縁がモーターフレームに示す最小抵抗点を決定する。

キャパシタンス

キャパシタンス(C)はファラッドで測定され、電荷を蓄えるシステムの能力として定義される。 モータの静電容量は、次の式で求められる:1ファラド=クーロン(Q)単位の蓄積電荷量÷電源電圧。

例印加電圧が12Vバッテリーで、コンデンサが0.04クーロンの電荷を蓄える場合、静電容量は0.0033ファラッドまたは3.33mFとなる。 1クーロンの電荷は約6.24×1018個の電子または陽子である。 3.33mFのコンデンサーは、完全に充電されると約2.08×1016個の電子を蓄えることになる。

キャパシタンスは、導電性プレートの間に誘電性物質を配置することで生じる。 モーターでは、アースウォール絶縁システムがモーター巻線とモーターフレームの間に自然な静電容量を形成する。 巻線導体が一方の板を形成し、モーターフレームが他方の板を形成し、接地壁の絶縁体を誘電材料とする。

キャパシタンスの大きさは、以下によって決まる:

測定されたプレートの表面積 – キャパシタンスはプレートの面積に正比例する。

プレート間の距離 – キャパシタンスはプレート間の距離に反比例する。

誘電率 – キャパシタンスは誘電率に正比例する。

対地静電容量(CTG)

静電容量対地間(CTG)測定は、モーターの巻線とケーブルの清浄度を示す。

接地壁絶縁(GWI)と巻線絶縁システムは接地に対して自然な静電容量を形成するため、モータが新しくきれいな状態では、各モータは固有のCTGを持つ。

モータ巻線やGWIが汚染されたり、モータに水分が侵入したりすると、CTGは上昇する。 しかし、GWIまたは巻線の絶縁体のいずれかが熱劣化を起こすと、絶縁体の抵抗が大きくなり、容量性が低下してCTGが低下する。

誘電体

誘電体は電気をあまり通さないが、静電界をサポートする。 静電場では、電子は誘電体を透過せず、プラス分子とマイナス分子は対になって双極子(距離で隔てられた、反対に帯電した分子の対)を形成し、分極する(双極子のプラス側はマイナス電位に、マイナス電荷はマイナス電位に整列する)。

誘電率 (k)

誘電率(K)とは、誘電体が双極子を形成することによって電荷を蓄える能力を、Kが1である真空との相対値で表したものである。

絶縁材料の誘電率は、その材料を形成するために結合した分子の化学的構成に依存する。

誘電体材料のKは、材料の密度、温度、含水率、静電場の周波数によって影響を受ける。

誘電損失

誘電体材料の重要な特性は、誘電損失として知られる熱の形で最小限のエネルギーを散逸させながら、静電場を支える能力である。

絶縁破壊

誘電体材料にかかる電圧が高くなりすぎて静電場が強くなりすぎると、誘電体材料は電気を通すようになり、これを絶縁破壊と呼ぶ。 固体誘電体材料では、このブレークダウンは永久的なものかもしれない。

絶縁破壊が起こると、誘電体材料はその化学組成が変化し、誘電率が変化する。

充電コンデンサーに使用される電流

数十年前、電荷を蓄える絶縁システムの能力を評価するために、分極指数試験(PI)が導入された。 コンデンサーの充電には、前述のように基本的に3つの異なる電流が流れる。

充電電流– プレートに蓄積される電流で、プレートの面積とプレート間の距離に依存する。 充電電流は通常、< 1分未満で終了する。 充電量は、絶縁材料の状態にかかわらず同じである。

分極電流– 誘電体材料を分極するために必要な電流、または誘電体材料を静電界に置くことによって生じる二重焦点を合わせるために必要な電流。 通常、分極指数試験が開発された1970年代以前のモーターに取り付けられていた絶縁システムでは、新しくきれいな絶縁システムの公称値は100数十メガオーム(106)の範囲であり、完了するまでに通常30分以上、場合によっては何時間も必要でした。 しかし、新しくてきれいな絶縁システム(1970年代以降)の公称値は、ギガ・オームからテラ・オーム(109、1012)になり、通常、充電電流が完全に終了する前に完全に分極する。

漏れ電流– 絶縁材料を横切って流れ、熱を放散する電流。

充電電流

充電されていないコンデンサーは、プラスとマイナスの電荷を同数ずつ共有するプレートを持つ。

充電されていないコンデンサのプレートに直流電源を印加すると、電子が電池のマイナス側から流れ出し、電池のマイナスポストに接続されたプレートに蓄積する。

これにより、このプレート上に過剰な電子が発生する。

電子はバッテリーのプラス・ポストに接続されたプレートから流れ、マイナス・プレートに蓄積された電子と入れ替わるようにバッテリー内に流れ込む。 プラス・プレートの電圧がバッテリーのプラス側と同じになるまで電流は流れ続け、マイナス・プレートの電圧はバッテリーのマイナス側の電位に達する。

バッテリーからプレートへ移動する電子の数は、プレートの面積とプレート間の距離に依存する。

この電流は充電電流と呼ばれ、エネルギーを消費せずコンデンサーに蓄えられる。 この蓄積された電子がプレート間に静電場を作り出す。

分極電流

コンデンサのプレート間に誘電体材料を配置すると、真空中のプレート間隔に比べてコンデンサの静電容量が増加する。

誘電体材料が静電場中に置かれると、新たに形成された双極子は分極し、双極子のマイナス端はプラス板に、双極子のプラス端はマイナス板に向かって整列する。 これは偏光と呼ばれる。

誘電体の誘電率が高いほど、より多くの電子が必要となり、回路の静電容量が増加する。

漏れ電流

絶縁特性を維持したまま誘電体全体に流れるわずかな電流量を実効抵抗という。 これは、材料が破壊することなく耐えられる最大電圧として定義される絶縁耐力とは異なる。

絶縁材料が劣化すると、抵抗が大きくなり、容量が小さくなるため、漏れ電流が増加し、誘電率が低下する。 漏れ電流は熱を発生させ、誘電損失とみなされる。

散逸係数

交流信号を用いて地上壁絶縁(GWI)システムを運動させる代替試験技術。 GWIをテストするためにDC信号を使用する上で説明したように、3つの異なる電流が発生するが、測定器は時間以外に電流を区別することができない。 しかし、GWIをテストするためにAC信号を印加することで、蓄積電流(充電電流、分極電流)と抵抗電流(漏れ電流)を分離することができる。

充電電流と分極電流はともに蓄積電流であり、1/2サイクルで電圧に戻されるため、電流は電圧を90°リードする。 損失係数(DF)は、単純に容量性電流(IC)と抵抗性電流(IR)の比である。

DF = IC / IR

清潔で新しい絶縁材では、通常IRはICの< 5%である。絶縁材が汚染されたり、熱的に劣化したりすると、ICが減少するかIRが増加する。 いずれの場合もDFは増加する。

モーター回路解析 (MCA™)

モータ回路解析(MCA™)は、モータ回路評価(MCE)とも呼ばれ、モータの健全性を評価するために使用される非通電非破壊試験方法です。 このプロセスは、モータ・コントロール・センタ(MCC)から、またはモータ自体から直接開始され、テストポイントとモータ間の接続やケーブルを含め、モータシステムの電気部分全体を評価します。

モーターがオフで非電源状態の間、ALL-TEST Pro社のAT7やAT34のようなツールは、MCAを使って評価を行う:

  • 地絡
  • 巻線内部故障
  • オープン・コネクション
  • ローターの故障
  • 汚染

MCA™ツールを使ったモーターテストは非常に簡単に実施でき、通常10分以上かかる偏光指数テストに比べ、3分もかかりません。

モーター回路解析の仕組み

三相モーターシステムの電気部分は、抵抗性回路、容量性回路、誘導性回路で構成されている。 低電圧が印加されると、健全な回路は特定の反応を示すはずである。

ALL-TESTプロモータ回路解析ツールは、一連の低電圧非破壊正弦波AC信号をモータに印加し、これらの信号の応答を測定します。 この非通電検査は数分しかかからず、初級技術者でも行うことができる。

MCA対策:

  • 抵抗
  • インピーダンス
  • インダクタンス
  • Fi(位相角)
  • 散逸係数
  • 絶縁~アース
  • I/F(現在の周波数特性)
  • テストバリュー・スタティック(TVS)
  • ダイナミック・ステーターとローターのシグネチャー

そして、その先も続く:

  • AC/DCモーター
  • AC/DCトラクション・モーター
  • ジェネレーター/オルタネーター
  • 工作機械用モーター
  • サーボモーター
  • 制御トランス
  • 変圧器

概要

1800年代には、分極指数試験はモーターの全体的な状態を判断する効果的な方法でした。 しかし、最近の断熱システムでは、その効果は薄れている。

PI検査は時間がかかり(15分以上)、故障が巻線にあるのか接地壁の絶縁にあるのかを判断できませんが、MCATM(MOTOR CIRCUIT ANALYSIS)のような最新の技術では、接続の問題、ターンからターン、コイルからコイル、位相から位相へと発展する巻線の故障を、非常に早い段階で特定することができ、検査は3分未満で完了します。

DF、CTG、IRGのような他の技術も、最小限の時間で完了する試験で、地上壁断熱システムの状態を提供する。

MCA、DF、CTG、IRGなどの新技術を組み合わせることで、最新の電動機試験法は、これまでよりもはるかに包括的で徹底的な電動機全体の絶縁システムの評価を迅速かつ簡単に行うことができます。

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