Jeśli chodzi o testowanie silników elektrycznych, wskaźnik polaryzacji (PI) jest miarą tego, jak bardzo rezystancja układu izolacyjnego poprawia się (lub pogarsza) w czasie. Podczas gdy test PI był uważany za podstawowy test przy ocenie stanu izolacji silnika, jego proces stał się przestarzały w porównaniu z nowszymi metodami testowania, które zapewniają bardziej kompleksową ocenę diagnostyczną ogólnego stanu silnika. Niniejszy artykuł przedstawia praktyczne zrozumienie systemu izolacji silnika, podstawową wiedzę na temat testowania indeksu polaryzacji oraz tego, w jaki sposób nowoczesne metody testowania silników zapewniają bardziej kompleksowe wyniki w krótszym czasie.
INDEKS POLARYZACJI (PI)
Test indeksu polaryzacji (PI) to standardowa metoda testowania silników elektrycznych opracowana w XIX wieku, która próbuje określić stan izolacji uzwojenia silnika. Podczas gdy test PI dostarcza informacji na temat systemów izolacji ścian uziemiających (GWI) zwykle instalowanych przed 1970 rokiem, nie zapewnia on dokładnego stanu izolacji uzwojenia w nowoczesnych silnikach. Test PI polega na przyłożeniu napięcia stałego (zazwyczaj 500V – 1000V) do uzwojenia silnika w celu zmierzenia skuteczności systemu GWI do przechowywania ładunku elektrycznego. Ponieważ system GWI tworzy naturalną pojemność między uzwojeniami silnika a ramą silnika, przyłożone napięcie DC będzie przechowywane jako ładunek elektryczny, tak samo jak każdy kondensator. Gdy kondensator zostanie w pełni naładowany, prąd będzie się zmniejszał, aż pozostanie tylko końcowy prąd upływu, który określa ilość rezystancji, jaką izolacja zapewnia uziemieniu. W nowych, czystych systemach izolacyjnych prąd polaryzacji maleje logarytmicznie wraz z upływem czasu, ponieważ elektrony są magazynowane. Wskaźnik polaryzacji (PI) jest stosunkiem wartości rezystancji izolacji do uziemienia (IRG) w odstępach 1- i 10-minutowych. PI = 10-minutowy IRG/1-minutowy IRG W systemach izolacji zainstalowanych przed 1970 rokiem, testowanie PI odbywa się podczas polaryzacji materiału dielektrycznego. Jeśli izolacja ściany uziemiającej (GWI) zaczyna ulegać degradacji, ulega zmianie chemicznej, powodując, że materiał dielektryczny staje się bardziej rezystancyjny i mniej pojemnościowy, obniżając stałą dielektryczną i zmniejszając zdolność systemu izolacyjnego do przechowywania ładunku elektrycznego. Powoduje to, że prąd polaryzacji staje się bardziej liniowy, gdy zbliża się do zakresu, w którym dominuje prąd upływu. Jednak w nowszych systemach izolacyjnych po 1970 roku, z różnych powodów cała polaryzacja materiału dielektrycznego następuje w czasie krótszym niż jedna minuta, a odczyty IRG przekraczają 5000 megaomów. Obliczony PI może nie mieć znaczenia jako wskazanie stanu wskazania ściany uziemiającej. Dodatkowo, ponieważ test ten wytwarza pole elektrostatyczne między uzwojeniami a ramą silnika, dostarcza on bardzo niewiele, jeśli w ogóle, wskazań dotyczących stanu układu izolacji uzwojenia. Najlepszym wskaźnikiem tego typu usterek są pomiary MCA kąta fazowego i bieżącej odpowiedzi częstotliwościowej.
MATERIAŁY IZOLACYJNE
W silnikach elektrycznych izolacja jest materiałem, który opiera się swobodnemu przepływowi elektronów, kierując prąd przez pożądaną ścieżkę i zapobiegając jego ucieczce w inne miejsce. Teoretycznie izolacja powinna blokować cały przepływ prądu, ale nawet najlepszy materiał izolacyjny przepuszcza niewielką ilość prądu. Ten nadmiar prądu jest powszechnie określany jako prąd upływu. Chociaż ogólnie przyjmuje się, że żywotność silników wynosi 20 lat, uszkodzenie układu izolacyjnego jest główną przyczyną przedwczesnej awarii silników elektrycznych. System izolacyjny zaczyna ulegać degradacji, gdy izolacja staje się bardziej przewodząca z powodu zmiany jej składu chemicznego. Skład chemiczny izolacji zmienia się z czasem w wyniku stopniowego użytkowania i/lub innych uszkodzeń. Prąd upływowy jest rezystancyjny i wytwarza ciepło, co powoduje dodatkową i szybszą degradację izolacji. Uwaga: Większość emaliowanych przewodów jest zaprojektowana tak, aby zagwarantować żywotność 20 000 godzin w temperaturach znamionowych (od 105 do 240°C).
SYSTEMY IZOLACJI
Silniki i inne urządzenia elektryczne z cewkami mają 2 oddzielne i niezależne systemy izolacyjne. Systemy izolacji uziemienia oddzielają cewkę od ramy silnika, zapobiegając przedostawaniu się napięcia dostarczanego do uzwojeń do rdzenia stojana lub jakiejkolwiek części ramy silnika. Uszkodzenie systemu izolacji uziemienia nazywane jest zwarciem doziemnym i stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa. Systemy izolacji uzwojeń to warstwy emalii otaczające przewodzący drut, który dostarcza prąd do całej cewki w celu wytworzenia pola magnetycznego stojana. Uszkodzenie systemu izolacji uzwojenia nazywane jest zwarciem uzwojenia i osłabia pole magnetyczne cewki.
REZYSTANCJA IZOLACJI DO MASY (IRG)
Najczęstszym testem elektrycznym przeprowadzanym na silnikach jest test rezystancji izolacji do masy (IRG) lub “test punktowy”. Poprzez przyłożenie napięcia stałego do uzwojenia silnika, test ten określa punkt minimalnej rezystancji izolacji ściany uziemiającej do ramy silnika.
KAPITAŁ
Pojemność (C), mierzona w faradach, jest definiowana jako zdolność systemu do przechowywania ładunku elektrycznego. Pojemność silnika określa się za pomocą równania: 1 Farad = ilość zmagazynowanego ładunku w kulombach (Q) podzielona przez napięcie zasilania. Przykład: Jeśli przyłożone napięcie to bateria 12V, a kondensator przechowuje .04 kulombów ładunku, to jego pojemność wynosiłaby .0033 Faradów lub 3,33 mF. Jeden kulomb ładunku to około 6,24 x 1018 elektronów lub protonów. Kondensator o pojemności 3,33 mF przechowywałby około 2,08 x 1016 elektronów po pełnym naładowaniu. Pojemność jest tworzona poprzez umieszczenie materiału dielektrycznego pomiędzy płytkami przewodzącymi. W silnikach systemy izolacji ścian uziemiających tworzą naturalną pojemność między uzwojeniami silnika a ramą silnika. Przewodniki uzwojenia tworzą jedną płytę, a rama silnika tworzy drugą, dzięki czemu izolacja ściany uziemiającej jest materiałem dielektrycznym. Wielkość pojemności zależy od Zmierzonej powierzchni płyt – pojemność jest wprost proporcjonalna do powierzchni płyt. Odległości między płytami – pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między płytami. Stałej dielektrycznej – pojemność jest wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej.
POJEMNOŚĆ DO MASY (CTG)
Pomiar pojemności do masy (CTG) wskazuje na czystość uzwojeń i kabli silnika. Ponieważ izolacja ściany uziemienia (GWI) i systemy izolacji uzwojenia tworzą naturalną pojemność względem masy, każdy silnik będzie miał unikalny CTG, gdy silnik jest nowy i czysty. Jeśli uzwojenia silnika lub GWI ulegną zanieczyszczeniu lub do silnika dostanie się wilgoć, CTG wzrośnie. Jeśli jednak GWI lub izolacja uzwojenia ulegnie degradacji termicznej, izolacja stanie się bardziej rezystancyjna i mniej pojemnościowa, powodując zmniejszenie CTG.
MATERIAŁ DIELEKTRYCZNY
Materiał dielektryczny jest słabym przewodnikiem elektryczności, ale wspiera pole elektrostatyczne. W polu elektrostatycznym elektrony nie przenikają przez materiał dielektryczny, a dodatnie i ujemne cząsteczki łączą się w pary, tworząc dipole (pary przeciwnie naładowanych cząsteczek oddzielonych odległością) i polaryzując się (dodatnia strona dipola ustawi się w kierunku potencjału ujemnego, a ujemny ładunek ustawi się w kierunku potencjału ujemnego).
STAŁA DIELEKTRYCZNA (K)
Stała dielektryczna (K) jest miarą zdolności materiału dielektrycznego do przechowywania ładunku elektrycznego poprzez tworzenie dipoli, w odniesieniu do próżni, dla której K wynosi 1. Stała dielektryczna materiału izolacyjnego zależy od składu chemicznego cząsteczek połączonych w celu utworzenia materiału. Na K materiału dielektrycznego wpływa jego gęstość, temperatura, zawartość wilgoci i częstotliwość pola elektrostatycznego.
STRATY DIELEKTRYCZNE
Ważną właściwością materiałów dielektrycznych jest zdolność do podtrzymywania pola elektrostatycznego, przy jednoczesnym rozpraszaniu minimalnej ilości energii w postaci ciepła, znanej jako straty dielektryczne.
PRZEBICIE DIELEKTRYCZNE
Gdy napięcie na materiale dielektrycznym staje się zbyt wysokie, powodując, że pole elektrostatyczne staje się zbyt intensywne, materiał dielektryczny będzie przewodził prąd elektryczny i jest określany jako przebicie dielektryczne. W przypadku stałych materiałów dielektrycznych przebicie to może być trwałe. Kiedy dochodzi do przebicia dielektrycznego, materiał dielektryczny ulega zmianie składu chemicznego, co skutkuje zmianą stałej dielektrycznej.
PRĄDY STOSOWANE Z KONDENSATOREM ŁADUJĄCYM
Kilkadziesiąt lat temu wprowadzono test indeksu polaryzacji (PI) w celu oceny zdolności systemu izolacji do przechowywania ładunku elektrycznego. Ponieważ istnieją zasadniczo trzy różne prądy, jak opisano powyżej, zaangażowane w ładowanie kondensatora. Prąd ładowania – prąd zgromadzony na płytkach i zależy od powierzchni płytek i odległości między nimi. Prąd ładowania zwykle kończy się w ciągu < niż 1 minuty. Wielkość ładowania będzie taka sama niezależnie od stanu materiału izolacyjnego. Prąd polaryzacji – prąd wymagany do spolaryzowania materiału dielektrycznego lub wyrównania dipoli utworzonych przez umieszczenie materiału dielektrycznego w polu elektrostatycznym. Zazwyczaj w przypadku systemów izolacyjnych zainstalowanych w silnikach (przed 1970 rokiem), kiedy opracowano testowanie indeksu polaryzacji, wartość nominalna nowego, czystego systemu izolacyjnego mieściłaby się w zakresie 100 megaomów (106) i zazwyczaj wymagałaby więcej niż 30 minut, aw niektórych przypadkach wielu godzin. Jednak w przypadku nowszych systemów izolacyjnych (po 1970 roku) wartość nominalna nowego, czystego systemu izolacyjnego będzie w zakresie od giga-omów do tera-omów (109, 1012) i zazwyczaj w pełni spolaryzuje się przed całkowitym zakończeniem prądu ładowania. Prąd upływu – prąd, który przepływa przez materiał izolacyjny i rozprasza ciepło.
PRĄD ŁADOWANIA
Nienaładowany kondensator ma płyty o równej liczbie ładunków dodatnich i ujemnych. Przyłożenie źródła prądu stałego do płyt nienaładowanego kondensatora spowoduje przepływ elektronów z ujemnej strony akumulatora i gromadzenie się ich na płycie podłączonej do ujemnego bieguna akumulatora. Spowoduje to powstanie nadmiaru elektronów na tej płycie. Elektrony przepłyną z płyty podłączonej do dodatniego bieguna akumulatora i wpłyną do akumulatora, aby zastąpić elektrony gromadzące się na płycie ujemnej. Prąd będzie płynął tak długo, aż napięcie na płycie dodatniej będzie takie samo jak po stronie dodatniej akumulatora, a napięcie na płycie ujemnej osiągnie potencjał strony ujemnej akumulatora. Liczba elektronów przemieszczanych z akumulatora do płyt zależy od powierzchni płyt i odległości między nimi. Prąd ten jest określany jako prąd ładowania, który nie zużywa energii i jest przechowywany w kondensatorze. Te zmagazynowane elektrony tworzą pole elektrostatyczne między płytami.
PRĄD POLARYZUJĄCY
Umieszczenie materiału dielektrycznego między płytkami w kondensatorze zwiększa pojemność kondensatora w stosunku do odstępu między płytkami w próżni. Gdy materiał dielektryczny zostanie umieszczony w polu elektrostatycznym, nowo utworzone dipole spolaryzują się, a ujemny koniec dipola wyrówna się z płytą dodatnią, a dodatni koniec dipola wyrówna się w kierunku płyty ujemnej. Jest to określane jako polaryzacja. Im wyższa stała dielektryczna materiału dielektrycznego, tym większa liczba elektronów jest wymagana, zwiększając tym samym pojemność obwodu.
PRĄD UPŁYWU
Niewielka ilość prądu przepływającego przez materiał dielektryczny przy jednoczesnym zachowaniu jego właściwości izolacyjnych jest określana jako rezystancja efektywna. Różni się ona od wytrzymałości dielektrycznej, która jest definiowana jako maksymalne napięcie, które materiał może wytrzymać bez uszkodzenia. Gdy materiał izolacyjny ulega degradacji, staje się bardziej rezystancyjny i mniej pojemnościowy, zwiększając prąd upływu i zmniejszając stałą dielektryczną. Prąd upływu wytwarza ciepło i jest uważany za stratę dielektryczną.
WSPÓŁCZYNNIK ROZPROSZENIA
Jest to alternatywna technika testowa, która wykorzystuje sygnał AC do ćwiczenia systemu izolacji ścian uziemiających (GWI). Jak wyjaśniono powyżej, przy użyciu sygnału DC do testowania GWI występują 3 różne prądy, jednak przyrząd nie jest w stanie rozróżnić prądów innych niż czas. Jednakże, stosując sygnał AC do testowania GWI, możliwe jest oddzielenie prądów, które są przechowywane (prąd ładowania, prąd polaryzacji) od prądu rezystancyjnego (prąd upływu). Ponieważ zarówno prądy ładowania, jak i polaryzacji są prądami zmagazynowanymi i powracają do przeciwnego cyklu ½, prąd przewodzi napięcie o 90°, podczas gdy prąd upływu, który jest prądem rezystancyjnym, który rozprasza ciepło i prąd jest w fazie z przyłożonym napięciem. Współczynnik rozpraszania (DF) to po prostu stosunek prądu pojemnościowego (IC) do prądu rezystancyjnego (IR). DF = IC / IR Na czystej, nowej izolacji zazwyczaj IR wynosi < 5% IC, jeśli materiał izolacyjny zostanie zanieczyszczony lub ulegnie degradacji termicznej, albo IC spadnie, albo IR wzrośnie. W obu przypadkach DF wzrośnie.
ANALIZA OBWODU SILNIKA (MCA™)
Analiza obwodu silnika (MCA™), określana również jako ocena obwodu silnika (MCE), jest nieniszczącą metodą testową stosowaną do oceny stanu silnika. Proces ten, inicjowany z centrum sterowania silnikiem (MCC) lub bezpośrednio na samym silniku, ocenia całą część elektryczną układu silnika, w tym połączenia i kable między punktem testowym a silnikiem. Podczas gdy silnik jest wyłączony i niezasilany, narzędzia takie jak AT7 i AT34 firmy ALL-TEST Pro wykorzystują MCA do oceny:
- Usterki uziemienia
- Usterki uzwojenia wewnętrznego
- Otwarte połączenia
- Usterki wirnika
- Zanieczyszczenie
Testowanie silnika za pomocą narzędzi MCA™ jest bardzo łatwe do wdrożenia, a test trwa mniej niż trzy minuty, w porównaniu do testów indeksu polaryzacji, które zwykle trwają ponad 10 minut.
JAK DZIAŁA ANALIZA OBWODU SILNIKA?
Część elektryczna trójfazowego układu silnika składa się z obwodów rezystancyjnych, pojemnościowych i indukcyjnych. Po przyłożeniu niskiego napięcia zdrowe obwody powinny reagować w określony sposób.
Narzędzia do analizy obwodu silnika ALL-TEST Pro stosują serię niskonapięciowych, nieniszczących, sinusoidalnych sygnałów prądu przemiennego przez silnik w celu pomiaru odpowiedzi na te sygnały. Ten pozbawiony napięcia test zajmuje tylko kilka minut i może być wykonany nawet przez początkującego technika. MCA mierzy:
- Odporność
- Impedancja
- Indukcyjność
- Fi (kąt fazowy)
- Współczynnik rozproszenia
- Izolacja do uziemienia
- I/F (bieżąca charakterystyka częstotliwościowa)
- Wartość testowa statyczna (TVS)
- Dynamiczne sygnatury stojana i wirnika
I ma zastosowanie dalej:
- Silniki AC/DC
- Silniki trakcyjne AC/DC
- Generatory/Alternatory
- Silniki do obrabiarek
- Serwomotory
- Transformatory sterujące
- Transformatory przesyłowe i dystrybucyjne
PODSUMOWANIE
W XIX wieku test indeksu polaryzacji był skuteczną metodą określania ogólnego stanu silnika. Stał się on jednak mniej skuteczny w przypadku nowoczesnych systemów izolacji. Podczas gdy test PI jest czasochłonny (ponad 15 minut) i nie jest w stanie określić, czy usterka dotyczy uzwojenia, czy izolacji ściany uziemiającej, nowoczesne technologie, takie jak MOTOR CIRCUIT ANALYSIS (MCATM), identyfikują problemy z połączeniami, obrót-obrót, cewka-cewka i faza-faza rozwijające się usterki uzwojenia na bardzo wczesnych etapach z testami zakończonymi w mniej niż 3 minuty. Inne technologie, takie jak DF, CTG i IRG, zapewniają stan systemu izolacji ścian uziemiających w testach wykonywanych również w minimalnym czasie. Dzięki połączeniu nowych technologii, takich jak MCA, DF, CTG i IRG, nowoczesne metody testowania silników elektrycznych zapewniają znacznie bardziej kompleksową i dokładną ocenę całego systemu izolacji silnika szybciej i łatwiej niż kiedykolwiek wcześniej.
READ MORE
Zestaw ALL-TEST PRO™ MD
