Що стосується тестування електродвигунів, то індекс поляризації (PI) є мірою того, наскільки покращується (або погіршується) опір системи ізоляції з плином часу. Хоча PI-тест вважається основним методом оцінки стану ізоляції електродвигуна, він застарів у порівнянні з новими методами тестування, які забезпечують більш повну діагностичну оцінку загального стану електродвигуна. Ця стаття дає практичне розуміння системи ізоляції електродвигуна, базове розуміння тестування індексу поляризації та того, як сучасні методи тестування електродвигунів забезпечують більш комплексні результати за менший час.
ІНДЕКС ПОЛЯРИЗАЦІЇ (PI)
Випробування індексу поляризації (PI) – це стандартний метод тестування електродвигунів, розроблений у 1800-х роках, який намагається визначити стан ізоляції обмотки двигуна. Хоча випробування PI надає інформацію про системи ізоляції стіни заземлення (GWI), які зазвичай встановлювалися до 1970-х років, воно не може забезпечити точний стан ізоляції обмотки в сучасних двигунах. PI-тестування передбачає подачу постійної напруги (зазвичай 500-1000 В) на обмотку двигуна для вимірювання ефективності системи GWI для зберігання електричного заряду. Оскільки система GWI утворює природну ємність між обмотками двигуна і рамою двигуна, прикладена постійна напруга буде зберігатися у вигляді електричного заряду так само, як і в будь-якому конденсаторі. Коли конденсатор повністю заряджається, струм буде зменшуватися, поки не залишиться лише кінцевий струм витоку, який визначає величину опору ізоляції до землі. У нових, чистих системах ізоляції струм поляризації зменшується логарифмічно з часом, оскільки електрони накопичуються. Індекс поляризації (PI) – це відношення опору ізоляції до опору заземлення (IRG), виміряного з інтервалом в 1 і 10 хвилин. PI = 10-хвилинний IRG/1-хвилинний IRG В ізоляційних системах, встановлених до 1970-х років, тестування PI відбувається під час поляризації діелектричного матеріалу. Якщо ізоляція стіни заземлювача (GWI) починає деградувати, вона зазнає хімічних змін, внаслідок чого діелектричний матеріал стає більш резистивним і менш ємнісним, знижуючи діелектричну проникність і зменшуючи здатність системи ізоляції зберігати електричний заряд. Це призводить до того, що поляризаційний струм стає більш лінійним, коли він наближається до діапазону, де переважає струм витоку. Однак на нових системах ізоляції після 1970-х років з різних причин повна поляризація діелектричного матеріалу відбувається менш ніж за одну хвилину, а показання IRG перевищують 5 000 МОм. Розрахований PI може не мати значення як індикатор стану заземлювача, що вказує на стан стіни заземлення. Крім того, оскільки цей тест створює електростатичне поле між обмотками і корпусом двигуна, він дає дуже мало інформації про стан системи ізоляції обмоток, якщо взагалі дає якусь інформацію. Найкраще ці типи несправностей виявляються за допомогою вимірювання кута зсуву фаз і частотної характеристики струму за допомогою MCA.
ІЗОЛЯЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ
В електродвигунах ізоляція – це матеріал, який протистоїть вільному потоку електронів, спрямовуючи струм потрібним шляхом і запобігаючи його витоку в іншому місці. Теоретично, ізоляція повинна блокувати весь потік струму, але навіть найкращий ізоляційний матеріал пропускає невелику кількість струму. Цей надлишковий струм зазвичай називають струмом витоку. Хоча прийнято вважати, що термін служби електродвигунів становить 20 років, несправність ізоляційної системи є основною причиною передчасного виходу з ладу електродвигунів. Ізоляційна система починає деградувати, коли ізоляція стає більш провідною через зміну її хімічного складу. Хімічний склад ізоляції змінюється з часом через поступове використання та/або інші пошкодження. Струм витоку є резистивним і створює тепло, що призводить до додаткової і більш швидкої деградації ізоляції. Примітка: Більшість емальованих проводів розраховані на термін служби 20 000 годин при номінальних температурах (від 105 до 240° C).
ІЗОЛЯЦІЙНІ СИСТЕМИ
Двигуни та інше електричне обладнання з котушками мають 2 окремі та незалежні системи ізоляції. Система ізоляції заземлення відокремлює котушку від корпусу двигуна, запобігаючи потраплянню напруги, що подається на обмотки, на осердя статора або будь-яку частину корпусу двигуна. Пошкодження системи ізоляції заземлювальної стінки називається замиканням на землю і створює загрозу безпеці. Система ізоляції обмоток – це шари емалі, які оточують провідний дріт, що подає струм на всю котушку для створення магнітного поля статора. Пошкодження системи ізоляції обмотки називається коротким замиканням обмотки і послаблює магнітне поле котушки.
ОПІР ІЗОЛЯЦІЇ ДО ЗЕМЛІ (IRG)
Найпоширенішим електричним випробуванням, яке проводять для двигунів, є випробування опору ізоляції до землі (IRG) або “точкове випробування”. Подаючи постійну напругу на обмотку двигуна, цей тест визначає точку мінімального опору ізоляції стінок заземлювача до корпусу двигуна.
ПОТУЖНІСТЬ
Ємність (C), що вимірюється в Фарадах, визначається як здатність системи зберігати електричний заряд. Визначення ємності двигуна можна знайти за допомогою рівняння: 1 Фарад = кількість накопиченого заряду в кулонах (Q), поділена на напругу живлення. Приклад: Якщо напруга живлення – 12 В, а конденсатор зберігає 0,04 кулонів заряду, то його ємність становитиме 0,0033 Фарада або 3,33 мкФ. Один кулон заряду – це приблизно 6,24 x 1018 електронів або протонів. Повністю заряджений конденсатор ємністю 3,33 мкФ зберігатиме приблизно 2,08 х 1016 електронів. Ємність створюється шляхом розміщення діелектричного матеріалу між провідними пластинами. У двигунах системи ізоляції стінок заземлення утворюють природну ємність між обмотками двигуна і рамою двигуна. Провідники обмотки утворюють одну пластину, а рама двигуна – іншу, завдяки чому ізоляція заземлювача є діелектричним матеріалом. Величина ємності залежить від: Виміряної площі поверхні пластин – ємність прямо пропорційна площі пластин. Відстань між пластинами – ємність обернено пропорційна відстані між пластинами. Діелектрична проникність – ємність прямо пропорційна діелектричній проникності
ЄМНІСТЬ ДО ЗЕМЛІ (CTG)
Вимірювання ємності заземлення (CTG) вказує на чистоту обмоток і кабелів двигуна. Оскільки ізоляція заземлювальної стінки (GWI) та системи ізоляції обмоток утворюють природну ємність заземлення, кожен двигун має унікальний показник CTG, коли він новий і чистий. Якщо обмотки двигуна або GWI забруднюються, або в двигун потрапляє волога, CTG збільшується. Однак, якщо GWI або ізоляція обмоток зазнає термічної деградації, ізоляція стане більш опірною і менш ємнісною, що призведе до зменшення CTG.
ДІЕЛЕКТРИЧНИЙ МАТЕРІАЛ
Діелектрик є поганим провідником електрики, але підтримує електростатичне поле. В електростатичному полі електрони не проникають крізь діелектрик, а позитивні та негативні молекули об’єднуються в пари, утворюючи диполі (пари протилежно заряджених молекул, розділених відстанню) і поляризуються (позитивна сторона диполя вирівнюється до негативного потенціалу, а негативний заряд вирівнюється до негативного потенціалу).
ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ (K)
Діелектрична проникність (K) – це міра здатності діелектричного матеріалу зберігати електричний заряд шляхом утворення диполів відносно вакууму, який має K 1. Діелектрична проникність ізоляційного матеріалу залежить від хімічного складу молекул, що утворюють матеріал. На K діелектрика впливають щільність матеріалу, температура, вміст вологи та частота електростатичного поля.
ДІЕЛЕКТРИЧНІ ВТРАТИ
Важливою властивістю діелектриків є здатність підтримувати електростатичне поле, розсіюючи при цьому мінімальну енергію у вигляді тепла, відому як діелектричні втрати.
ПРОБІЙ ДІЕЛЕКТРИКА
Коли напруга на діелектричному матеріалі стає занадто високою, що призводить до надмірної інтенсивності електростатичного поля, діелектрик починає проводити електрику, що називається діелектричним пробоєм. У твердих діелектриках цей пробій може бути постійним. Коли відбувається діелектричний пробій, діелектрик змінює свій хімічний склад, що призводить до зміни діелектричної проникності.
СТРУМИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ З ЗАРЯДНИМ КОНДЕНСАТОРОМ
Кілька десятиліть тому для оцінки здатності системи ізоляції зберігати електричний заряд було запроваджено тест на індекс поляризації (PI). Оскільки в процесі заряджання конденсатора беруть участь, по суті, три різні струми, як описано вище. Зарядний стру м – струм, що накопичується на пластинах і залежить від площі пластин і відстані між ними. Зарядний струм зазвичай закінчується < ніж за 1 хвилину. Величина заряду буде однаковою незалежно від стану ізоляційного матеріалу. Струм поляризації – струм, необхідний для поляризації діелектричного матеріалу, або вирівнювання площин, створених при розміщенні діелектричного матеріалу в електростатичному полі. Зазвичай для систем ізоляції, встановлених у двигунах (до 1970-х років), коли було розроблено випробування індексу поляризації, номінальне значення нової, чистої системи ізоляції становило б 100 мегаом (106) і, як правило, вимагало б більше 30 хвилин, а в деяких випадках – багато годин для завершення випробування. Однак, з новішою системою ізоляції (після 1970-х років) номінальне значення нової, чистої системи ізоляції буде в діапазоні від гігаом до тераом (109, 1012) і, як правило, повністю поляризується до того, як зарядний струм повністю закінчиться. Струм витоку – струм, який протікає через ізоляційний матеріал і розсіює тепло.
ЗАРЯДНИЙ СТРУМ
Незаряджений конденсатор має пластини з рівною кількістю позитивних і негативних зарядів. Підключення джерела постійного струму до пластин незарядженого конденсатора призведе до того, що електрони потечуть з негативного боку батареї і накопичаться на пластині, з’єднаній з негативним полюсом батареї. Це створить надлишок електронів на цій пластині. Електрони потечуть з пластини, з’єднаної з позитивним полюсом батареї, і потраплять в батарею, щоб замінити електрони, що накопичуються на негативній пластині. Струм продовжуватиме текти до тих пір, поки напруга на позитивній пластині не зрівняється з напругою на позитивній стороні акумулятора, а напруга на негативній пластині не досягне потенціалу негативної сторони акумулятора. Кількість електронів, переміщених з батареї на пластини, залежить від площі пластин і відстані між ними. Цей струм називається зарядним струмом, який не споживає енергію і зберігається в конденсаторі. Ці накопичені електрони створюють електростатичне поле між пластинами.
ПОЛЯРИЗАЦІЙНИЙ СТРУМ
Розміщення діелектрика між пластинами конденсатора збільшує ємність конденсатора порівняно з відстанню між пластинами у вакуумі. Коли діелектрик поміщається в електростатичне поле, новоутворені диполі поляризуються, і негативний кінець диполя вирівнюється до позитивної пластини, а позитивний кінець диполя вирівнюється до негативної пластини. Це називається поляризацією. Чим вища діелектрична проникність діелектрика, тим більша кількість електронів необхідна, тим самим збільшуючи ємність кола.
СТРУМ ВИТОКУ
Невелика сила струму, яка протікає через діелектрик, зберігаючи при цьому його ізоляційні властивості, називається ефективним опором. Він відрізняється від діелектричної міцності, яка визначається як максимальна напруга, яку матеріал може витримати без пошкодження. Коли ізоляційний матеріал деградує, він стає більш резистивним і менш ємнісним, збільшуючи струм витоку і зменшуючи діелектричну проникність. Струм витоку виробляє тепло і вважається діелектричними втратами.
ТАНГЕНС КУТА ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ВТРАТ
Це альтернативний метод тестування, який використовує сигнал змінного струму для перевірки системи ізоляції ґрунтової стіни (GWI). Як пояснювалося вище, при використанні сигналу постійного струму для перевірки GWI виникають 3 різні струми, однак прилад не може диференціювати струми, окрім часу. Однак, застосовуючи сигнал змінного струму для тестування GWI, можна відокремити струми, які зберігаються (струм заряду, струм поляризації), від резистивного струму (струм витоку). Оскільки і зарядний, і поляризаційний струми є накопиченими струмами і повертаються на протилежному ½ циклі, струм випереджає напругу на 90°, тоді як струм витоку, який є резистивним струмом, що розсіює тепло, і струм синфазний з прикладеною напругою. Тангенс кута діелектричних втрат (DF) – це просто відношення ємнісного струму (IC) до резистивного струму (IR). DF = IC / IR На чистій, новій ізоляції зазвичай IR становить < 5% від IC, якщо ізоляційний матеріал забруднюється або термічно деградує, або IC зменшується, або IR збільшується. В обох випадках діелектрична проникність збільшується.
АНАЛІЗ ЕЛЕКТРИЧНИХ ЛАНЦЮГІВ ДВИГУНА (MCA™)
Аналіз електричного кола двигуна (MCA™), який також називають оцінкою електричного кола двигуна (MCE), – це знеструмлений неруйнівний метод тестування, який використовується для оцінки стану двигуна. Ініційований з центру управління двигуном (MCC) або безпосередньо на самому двигуні, цей процес оцінює всю електричну частину системи двигуна, включаючи з’єднання і кабелі між точкою тестування і двигуном. Поки двигун вимкнений і не має живлення, такі інструменти, як AT7 і AT34 від ALL-TEST Pro, використовують MCA для оцінки:
- Замикання на землю
- Внутрішні несправності обмоток
- Відкриті з’єднання
- Несправності ротора
- Забруднення
Тестування моторики за допомогою інструментів MCA™ дуже просте у виконанні, а сам тест займає менше трьох хвилин, у порівнянні з тестуванням індексу поляризації, яке зазвичай займає більше 10 хвилин.
ЯК ПРАЦЮЄ АНАЛІЗ ЛАНЦЮГА ДВИГУНА?
Електрична частина системи трифазного двигуна складається з резистивних, ємнісних та індуктивних ланцюгів. Коли подається низька напруга, справні ланцюги повинні реагувати певним чином.
Інструменти для аналізу ланцюга двигуна ALL-TEST Pro застосовують серію низьковольтних, неруйнівних, синусоїдальних сигналів змінного струму через двигун для вимірювання реакції на ці сигнали. Це випробування в знеструмленому стані займає всього кілька хвилин і може бути виконано навіть технічним спеціалістом початкового рівня. Вимірювання MCA:
- Опір
- Імпеданс
- Індуктивність
- Fi (фазовий кут)
- Тангенс кута діелектричних втрат
- Ізоляція до заземлення
- I/F (струмова частотна характеристика)
- Статичне значення тесту (TVS)
- Динамічні характеристики статора та ротора
І застосовуються далі:
- Двигуни змінного/постійного струму
- Тягові двигуни змінного/постійного струму
- Генератори/Альтернатори
- Двигуни для верстатів
- Серводвигуни
- Трансформатори керування
- Передавальні та розподільні трансформатори
РЕЗЮМЕ
У 1800-х роках перевірка індексу поляризації була ефективним методом визначення загального стану двигуна. Однак з появою сучасних систем ізоляції він став менш ефективним. У той час як тест PI займає багато часу (15+ хвилин) і не може визначити, чи є несправність в ізоляції обмотки або заземлювача, сучасні технології, такі як АНАЛІЗ ЦИКЛУ ЕЛЕКТРОДВИГУНА (MOTOR CIRCUIT ANALYSIS, MCATM), виявляють проблеми з підключенням, міжвиткові, міжкотушкові і міжфазні несправності обмотки на дуже ранніх стадіях, а тести завершуються менш ніж за 3 хвилини. Інші технології, такі як DF, CTG та IRG, також дозволяють оцінити стан системи ізоляції заземлювача за допомогою тестів, які виконуються за мінімальний час. Завдяки поєднанню нових технологій, таких як MCA, DF, CTG та IRG, сучасні методи випробувань електродвигунів забезпечують набагато більш повну і ретельну оцінку системи ізоляції всього електродвигуна швидше і простіше, ніж будь-коли раніше.
READ MORE