În ceea ce privește testarea motoarelor electrice, indicele de polarizare (PI) este o măsură a gradului în care rezistența sistemului de izolație se îmbunătățește (sau se degradează) în timp. Deși testul PI a fost considerat testul principal în evaluarea stării izolației unui motor, procesul său a devenit depășit în comparație cu metodele de testare mai noi care oferă o evaluare diagnostică mai cuprinzătoare a sănătății generale a unui motor. Acest articol oferă o înțelegere practică a sistemului de izolație al unui motor, o înțelegere de bază a testării indicelui de polarizare și modul în care metodele moderne de testare a motoarelor oferă rezultate mai cuprinzătoare în mai puțin timp.
INDICE DE POLARIZARE (PI)
Testul indicelui de polarizare (PI) este o metodă standard de testare a motoarelor electrice dezvoltată în anii 1800, care încearcă să determine starea izolației înfășurării unui motor. În timp ce testul PI oferă informații despre sistemele de izolare a pereților la sol (GWI) instalate de obicei înainte de anii 1970, acesta nu reușește să ofere o stare exactă a izolației înfășurărilor motoarelor moderne. Testarea PI presupune aplicarea unei tensiuni continue (de obicei 500V – 1000V) la înfășurarea motorului pentru a măsura eficiența sistemului GWI de a stoca o sarcină electrică. Deoarece sistemul GWI formează o capacitate naturală între înfășurările motorului și cadrul motorului, tensiunea continuă aplicată va fi stocată ca o sarcină electrică la fel ca orice condensator. Pe măsură ce condensatorul se încarcă complet, curentul va scădea până când rămâne doar curentul final de scurgere, care determină valoarea rezistenței pe care izolația o oferă la masă. În sistemele de izolație noi, curate, curentul de polarizare scade logaritmic în timp, deoarece electronii sunt stocați. Indicele de polarizare (PI) este raportul dintre valoarea rezistenței izolației la masă (IRG) luată la intervale de 1 și 10 minute. PI = 10 minute IRG/1 minut IRG La sistemele de izolație instalate înainte de anii 1970, testarea PI are loc în timp ce materialul dielectric este polarizat. Dacă izolația peretelui de pământ (GWI) începe să se degradeze, aceasta suferă o modificare chimică care face ca materialul dielectric să devină mai rezistiv și mai puțin capacitiv, scăzând constanta dielectrică și reducând capacitatea sistemului de izolație de a stoca o sarcină electrică. Acest lucru face ca curentul de polarizare să devină mai liniar pe măsură ce se apropie de intervalul în care curentul de scurgere este predominant. Cu toate acestea, la sistemele de izolație mai noi, de după 1970, din diverse motive, întreaga polarizare a materialului dielectric are loc în mai puțin de un minut, iar valorile IRG sunt de peste 5 000 Meg-ohmi. PI calculat poate să nu fie semnificativ ca o indicație a stării peretelui de pământ. În plus, deoarece acest test creează un câmp electrostatic între înfășurări și cadrul motorului, acesta oferă o indicație foarte mică sau chiar deloc a stării sistemului de izolare a înfășurărilor. Cea mai bună indicație a acestor tipuri de defecte se obține prin utilizarea măsurătorilor MCA ale unghiului de fază și ale răspunsului curentului la frecvență.
MATERIALE IZOLANTE
În cazul motoarelor electrice, izolația este materialul care se opune fluxului liber de electroni, dirijând curentul pe o cale dorită și împiedicându-l să scape în altă parte. În teorie, izolația ar trebui să blocheze tot fluxul de curent, dar chiar și cel mai bun material izolant permite trecerea unei cantități mici de curent. Acest exces de curent este denumit în mod obișnuit curent de scurgere. Deși este general acceptat faptul că motoarele au o durată de viață de 20 de ani, defectarea sistemului de izolare este principalul motiv pentru care motoarele electrice se defectează prematur. Sistemul de izolație începe să se degradeze atunci când izolația devine mai conductivă din cauza unei modificări a compoziției sale chimice. Compoziția chimică a izolației se modifică în timp ca urmare a utilizării treptate și/sau a altor deteriorări. Curentul de scurgere este rezistiv și creează căldură, ceea ce duce la degradarea suplimentară și mai rapidă a izolației. Notă: Majoritatea firelor emailate sunt proiectate pentru a garanta o durată de viață de 20 000 de ore la temperaturile nominale (între 105 și 240° C).
SISTEME DE IZOLARE
Motoarele și alte echipamente electrice cu bobine au 2 sisteme de izolare separate și independente. Sistemele de izolare a peretelui de masă separă bobina de cadrul motorului, împiedicând tensiunea furnizată înfășurărilor să ajungă la miezul statorului sau la orice parte a cadrului motorului. Întreruperea sistemului de izolare a peretelui de masă se numește defect de masă și creează un pericol pentru siguranță. Sistemele de izolare a înfășurărilor sunt straturi de email care înconjoară firul conductor care furnizează curent întregii bobine pentru a crea câmpul magnetic al statorului. Ruperea sistemului de izolare a înfășurării se numește scurtcircuit al înfășurării și slăbește câmpul magnetic al bobinei.
REZISTENȚA IZOLAȚIEI LA MASĂ (IRG)
Cel mai frecvent test electric efectuat pe motoare este testul de rezistență a izolației la masă (IRG) sau “testul punctual”. Prin aplicarea unei tensiuni continue la înfășurarea motorului, acest test determină punctul de rezistență minimă pe care izolația peretelui de masă îl prezintă față de cadrul motorului.
CAPACITANȚĂ
Capacitatea (C), măsurată în Farads, este definită ca fiind capacitatea unui sistem de a stoca o sarcină electrică. Stabilirea capacității unui motor se face prin utilizarea ecuației: 1 Farad = cantitatea de sarcină stocată în coulombi (Q) împărțită la tensiunea de alimentare. Exemplu: Dacă tensiunea aplicată este o baterie de 12 V și condensatorul stochează 0,04 coulombs de sarcină, acesta ar avea o capacitate de 0,0033 Farads sau 3,33 mF. Un coulombs de sarcină reprezintă aproximativ 6,24 x 1018 electroni sau protoni. Un condensator de 3,33 mF ar stoca aproximativ 2,08 X 1016 electroni atunci când este complet încărcat. Capacitatea este creată prin plasarea unui material dielectric între plăci conductoare. În cazul motoarelor, sistemele de izolare a pereților de masă formează o capacitate naturală între înfășurările motorului și cadrul motorului. Conductoarele înfășurărilor formează o placă, iar cadrul motorului formează cealaltă placă, materialul dielectric fiind izolația peretelui de masă. Cantitatea de capacitate depinde de: Suprafața măsurată a plăcilor – Capacitatea este direct proporțională cu suprafața plăcilor. Distanța dintre plăci – Capacitatea este invers proporțională cu distanța dintre plăci. Constanta dielectrică – Capacitatea este direct proporțională cu constanta dielectrică
CAPACITATE LA MASĂ (CTG)
Măsurarea capacității la masă (CTG) indică curățenia înfășurărilor și a cablurilor unui motor. Deoarece izolația peretelui de masă (GWI) și sistemele de izolație ale înfășurărilor formează o capacitate naturală la masă, fiecare motor va avea o CTG unică atunci când motorul este nou și curat. Dacă înfășurările motorului sau GWI sunt contaminate sau dacă motorul prezintă infiltrații de umiditate, CTG va crește. Cu toate acestea, dacă GWI sau izolația înfășurării suferă degradări termice, izolația va deveni mai rezistentă și mai puțin capacitivă, determinând scăderea CTG.
MATERIAL DIELECTRIC
Un material dielectric este un slab conductor de electricitate, dar susține un câmp electrostatic. Într-un câmp electrostatic, electronii nu pătrund în materialul dielectric, iar moleculele pozitive și negative se împerechează pentru a forma dipoli (perechi de molecule cu sarcini opuse separate de distanță) și se polarizează (partea pozitivă a dipolului se va alinia spre potențialul negativ, iar sarcina negativă se va alinia spre potențialul negativ).
CONSTANTA DIELECTRICĂ (K)
Constanta dielectrică (K) este o măsură a capacității unui material dielectric de a stoca o sarcină electrică prin formarea dipolilor, în raport cu vidul, care are o K de 1. Constanta dielectrică a unui material izolant depinde de compoziția chimică a moleculelor combinate pentru a forma materialul. K a unui material dielectric este influențată de densitatea materialului, de temperatură, de conținutul de umiditate și de frecvența câmpului electrostatic.
PIERDEREA DIELECTRICĂ
O proprietate importantă a materialelor dielectrice este capacitatea de a susține un câmp electrostatic, disipând în același timp o cantitate minimă de energie sub formă de căldură, cunoscută sub numele de pierdere dielectrică.
RUPTURA DIELECTRICĂ
Atunci când tensiunea la nivelul unui material dielectric devine prea mare, provocând intensificarea câmpului electrostatic, materialul dielectric va conduce electricitatea și se numește colaps dielectric. În cazul materialelor dielectrice solide, această cădere poate fi permanentă. Atunci când are loc ruptura dielectrică, materialul dielectric suferă o modificare a compoziției sale chimice și duce la o modificare a constantei dielectrice.
CURENȚII UTILIZAȚI CU UN CONDENSATOR DE ÎNCĂRCARE
Cu câteva decenii în urmă, testul indicelui de polarizare (PI) a fost introdus pentru a evalua capacitatea sistemului de izolare de a stoca o sarcină electrică. Deoarece există în esență trei curenți diferiți, descriși mai sus, implicați în încărcarea unui condensator. Curentul de încărcare – Curentul acumulat pe plăci și depinde de suprafața plăcilor și de distanța dintre ele. Curentul de încărcare se termină de obicei în < mai puțin de 1 minut. Cantitatea de încărcare va fi aceeași indiferent de starea materialului izolant. Curent de polarizare – Curentul necesar pentru polarizarea materialului dielectric sau alinierea diploilor creați prin plasarea materialului dielectric într-un câmp electrostatic. De obicei, în cazul sistemelor de izolare instalate în motoare (înainte de anii 1970), atunci când a fost dezvoltată testarea indicelui de polarizare, valoarea nominală a unui sistem de izolare nou și curat ar fi de ordinul sutelor de megaohm (106) și ar necesita, de obicei, mai mult de 30 de minute și, în unele cazuri, mai multe ore pentru finalizare. Cu toate acestea, în cazul unui sistem de izolație mai nou (după anii 1970), valoarea nominală a unui sistem de izolație nou și curat va fi cuprinsă între giga-ohm și tera-ohm (109, 1012) și, de obicei, se polarizează complet înainte de terminarea completă a curentului de încărcare. Curent de scurgere – Curentul care trece prin materialul izolant și disipează căldura.
CURENT DE ÎNCĂRCARE
Un condensator neîncărcat are plăci care împart un număr egal de sarcini pozitive și negative. Aplicarea unei surse de curent continuu la plăcile unui condensator neîncărcat va determina electronii să curgă din partea negativă a bateriei și să se acumuleze pe placa conectată la polul negativ al bateriei. Acest lucru va crea un exces de electroni pe această placă. Electronii vor curge de pe placa conectată la montantul pozitiv al bateriei și vor intra în baterie pentru a înlocui electronii care se acumulează pe placa negativă. Curentul va continua să circule până când tensiunea de pe placa pozitivă este aceeași cu cea de pe partea pozitivă a bateriei, iar tensiunea de pe placa negativă va atinge potențialul părții negative a bateriei. Numărul de electroni deplasați de la baterie la plăci depinde de suprafața plăcilor și de distanța dintre ele. Acest curent este denumit curent de încărcare, care nu consumă energie și este stocat în condensator. Acești electroni stocați creează un câmp electrostatic între plăci.
CURENT DE POLARIZARE
Plasarea unui material dielectric între plăcile unui condensator crește capacitatea condensatorului în raport cu distanța dintre plăci în vid. Atunci când un material dielectric este plasat într-un câmp electrostatic, dipolii nou formați se vor polariza, iar capătul negativ al dipolului se va alinia cu placa pozitivă, iar capătul pozitiv al dipolului se va alinia spre placa negativă. Acest lucru este denumit polarizare. Cu cât este mai mare constanta dielectrică a unui material dielectric, cu atât este necesar un număr mai mare de electroni, crescând astfel capacitatea circuitului.
CURENT DE SCURGERE
Cantitatea mică de curent care trece prin materialul dielectric, păstrându-și în același timp proprietățile izolatoare, este denumită rezistență efectivă. Aceasta este diferită de rezistența dielectrică, care este definită ca tensiunea maximă pe care un material o poate suporta fără a ceda. Pe măsură ce un material izolant se degradează, acesta devine mai rezistiv și mai puțin capacitiv, crescând curentul de scurgere și scăzând constanta dielectrică. Curentul de scurgere produce căldură și este considerat o pierdere dielectrică.
FACTOR DE DISIPARE
Este o tehnică de testare alternativă care utilizează un semnal de curent alternativ pentru a testa sistemul de izolare a pereților la sol (GWI). După cum s-a explicat mai sus, folosind un semnal de curent continuu pentru a testa GWI, se întâlnesc 3 curenți diferiți, cu toate acestea, instrumentul nu este capabil să diferențieze curenții în afară de timp. Cu toate acestea, prin aplicarea unui semnal de curent alternativ pentru a testa GWI, este posibil să se separe curenții care sunt stocați (curent de încărcare, curent de polarizare) de curentul rezistiv (curent de scurgere). Deoarece atât curenții de încărcare, cât și cei de polarizare sunt curenți înmagazinați și se întorc la pe ½ ciclu opus, curentul devansează tensiunea cu 90°, în timp ce curentul de scurgere care este un curent rezistiv care disipează căldură și curentul este în fază cu tensiunea aplicată. Factorul de disipare (DF) este pur și simplu raportul dintre curentul capacitiv (IC) și curentul rezistiv (IR). DF = IC / IR La o izolație curată, nouă, IR este de obicei < 5% din IC, dacă materialul izolant este contaminat sau se degradează termic, fie IC scade, fie IR crește. În ambele cazuri, DF va crește.
ANALIZA CIRCUITELOR MOTOARELOR (MCA™)
Analiza circuitului motorului (MCA™), denumită și evaluarea circuitului motorului (MCE), este o metodă de testare nedistructivă, fără tensiune, utilizată pentru a evalua starea de sănătate a unui motor. Inițiat de la centrul de control al motorului (MCC) sau direct la motor, acest proces evaluează întreaga parte electrică a sistemului motorului, inclusiv conexiunile și cablurile dintre punctul de testare și motor. În timp ce motorul este oprit și nealimentat, instrumente precum AT7 și AT34 de la ALL-TEST Pro, utilizează MCA pentru a evalua:
- Defecțiuni la sol
- Defecțiuni ale înfășurării interne
- Conexiuni deschise
- Defecțiuni ale rotorului
- Contaminare
Testarea motoarelor cu ajutorul instrumentelor MCA™ este foarte ușor de implementat, iar testul durează mai puțin de trei minute, în comparație cu testarea indicelui de polarizare care durează de obicei peste 10 minute.
CUM FUNCȚIONEAZĂ ANALIZA CIRCUITULUI MOTORULUI?
Partea electrică a sistemului motorului trifazat este alcătuită din circuite rezistive, capacitive și inductive. Atunci când se aplică o tensiune joasă, circuitele sănătoase ar trebui să răspundă într-un mod specific.
Instrumentele de analiză a circuitelor motoarelor ALL-TEST Pro aplică o serie de semnale AC sinusoidale, nedistructive, de joasă tensiune prin motor pentru a măsura răspunsul acestor semnale. Acest test fără tensiune durează doar câteva minute și poate fi efectuat chiar și de un tehnician începător. MCA măsoară:
- Rezistența
- Impedanță
- Inductanță
- Fi (unghi de fază)
- Factor de disipare
- Izolație la masă
- I/F (răspunsul curent la frecvență)
- Valoarea de testare statică (TVS)
- Semnături dinamice ale statorului și rotorului
Și se aplică mai departe:
- Motoare AC/DC
- Motoare de tracțiune AC/DC
- Generatoare/Alternatoare
- Motoare pentru mașini-unelte
- Servomotoare
- Transformatoare de control
- Transformatoare de transmisie și distribuție
REZUMAT
În timpul anilor 1800, testul indicelui de polarizare a fost o metodă eficientă de determinare a stării generale a unui motor. Cu toate acestea, a devenit mai puțin eficient, datorită sistemelor moderne de izolare. În timp ce testul PI consumă mult timp (peste 15 minute) și nu poate determina dacă defecțiunea se află în înfășurare sau în izolația peretelui de masă, tehnologiile moderne, precum MOTOR CIRCUIT ANALYSIS (MCATM), identifică problemele de conectare, defecțiunile de înfășurare de la un viraj la altul, de la o bobină la alta și de la o fază la alta, în stadii foarte incipiente, cu teste finalizate în mai puțin de 3 minute. Alte tehnologii, cum ar fi DF, CTG & IRG, oferă o stare a sistemului de izolare a peretelui de pământ în teste finalizate, de asemenea, în timp minim. Prin combinarea noilor tehnologii, cum ar fi MCA, DF, CTG și IRG, metodele moderne de testare a motoarelor electrice oferă o evaluare mult mai cuprinzătoare și mai amănunțită a întregului sistem de izolație al unui motor, mai rapid și mai ușor decât oricând înainte.
READ MORE