Introductie

“Motor Circuit Analyses”

J. Langerak

-> Omdat equipment defect gaat! Onderzoek Electric Power Research Institute (EPRI, USA):

• Motor rotor (10%)

• Motor wikkelingen (37%).

• Mechanische gebreken (53%)

– lagers (41%)

– balancering en uitlijning (12%)

¾ van deze potentiële problemen kunnen

voorkomen worden door:

• Motor Circuit Analyses

• Ultrasound inspectie Vibratie monitoring

• Power Quality Analyses Ultrasound Smering

Motor Circuit Analysis Waarom MCA inspecties uitvoeren?

Motor Circuit Analysis Waardoor falen motoren?

Lagers………60-70%

• Over- of te weinig Smering • Uitlijnfouten / snaar afstelling • Soft foot • Vervuiling • Vibratie • Lagerbehuizing • Hoge omgevingstemperatuur. • lekstromen • Verkeerd type lager • Slijtage

Winding Isolatie………30-40%

• Over- of wisselende belasting • Overmatig Starten & Stoppen • (Chemische) Vervuiling /koeling problemen • Thermische veroudering & overbelasting • Spanningsvariatie (VSD’s) • Spanning onbalans • Deelontlading, Tracking (Corona) • Hoog of onvoldoende losbreekkoppel • Geblokkeerde Rotor • Hoge omgevingstemperatuur. • Vibratie / beweging • Vochtigheid

Motor Circuit Analysis Meest voorkomende Windingfouten

1. Kortgesloten draden. ( Turn-to-Turn Short)

2. Kortgesloten spoelen. (Coil-to-Coil short)

3. Kortgesloten fasen. (Phase-to-Phase Short)

4. Sluiting spoel of fase naar aarde. (Coil-to-Ground Short)

5. Windingschade door locked rotor (motoren).

6. Windingschade door spanningvariaties.

Bronoorzaak winding / isolatie defecten: • Elektrische, Mechanische en/of

omgevingscondities Verontreiniging Beweging (schuren) Trilling- en/of Spanning schommelingen.

Motor Circuit Analysis Correcte motor statorwinding

Spoel met kortgesloten draden

( Turn-to-Turn Short)

Motor Circuit Analysis Kortgesloten Draden in spoel

Winding met kortgesloten spoelen

(Coil-to-Coil short).

Motor Circuit Analysis Kortgesloten spoelen

Winding met sluiting tussen 2 fasen

(Phase-to-Phase Short)

Motor Circuit Analysis Kortgesloten Fase

Winding met sluiting naar aarde

aan het eind van de stator slot

Motor Circuit Analysis Windingsluiting naar aarde

Winding met sluiting naar aarde in de stator slot

Motor Circuit Analysis Sluiting naar aarde in Stator slot

Bronoorzaak thermische veroudering van de isolatie in één fase: ongelijke spanning tussen de fasen.

1% spanningsonbalans resulteert in 6% tot 10% stroomonbalans.

Motor Circuit Analysis Fase schade door onbalans Voedingspanning

Bronoorzaak thermische veroudering isolatie van alle fase windingen : - Motor overbelasting, - Voedingspanning onbalans,

- Onder- en Overspanning - Hoge omgevingstemperatuur,

- Onvoldoende koeling.

Voor elke 10°C temp. toename halveert de levensduur van de isolatie!

Motor Circuit Analysis Windingschade door Overbelasting

Bron oorzaak ernstige thermische verslechtering isolatie in alle fasen:

zeer hoge stromen in de statorwindingen door geblokkeerde rotor.

veelvuldige start/stops of omkeringen.

Motor Circuit Analysis Windingschade door geblokkeerde Rotor

Bronoorzaak spanningsschommelingen veroorzaakt door: - schakelende voedingen, - bliksem inslagen

- Condensator ontladingen, - Halfgeleidervermogensapparatuur (VSD’s)

3-fase stator windingfouten Windingschade door Spanningvariaties

Motor Circuit Analysis Overige Stator schadevormen

• Rotor – stator contact (door lagerschade of extreme krachten)

<-

• Geblokkeerde koelribben ->

• Oververhitte motorwikkelingen ->

Rotor fouten:

• Losse rotorstaaf in slot.

• Gescheurde rotor kortsluitring.

• Gietfouten (Luchtbellen) in aluminium rotorstaven.

Motor Circuit Analysis Rotorschade vormen

Motor Circuit Analysis Wat is het Doel van het MCA onderzoek?

• Op niet-destructieve wijze in een zéér vroeg stadium “potentiële” fouten in elektrisch equipment te detecteren en te identificeren, zodat:

– tijdig en planmatig de gepaste “correctieve” onderhoudsactiviteiten voorbereid, gepland en op afspraak uitgevoerd kunnen worden,

– de “potentiële” fout verder niet escaleert tot onverwachte “functionele” fout, met als gevolg

• een (ver)storing,

• ongeplande productiestilstand en/of capaciteitsverlies,

• en “last-but-not-least” onnodig hoge onderhoudskosten.

• MCA is integraal onderdeel van elk Proactief Onderhoud- en Faalpreventie programma.

• MCA inspecties op periodieke basis draagt bij aan het verhogen van:

– de betrouwbaarheid,

– de beschikbaarheid

– en de veiligheid

van de productie installaties, wat direct vertaalt in verhoogde bedrijfswinst-evendheid en serieuze onderhoudskosten besparing!

Motor Circuit Analysis Wat is Motor Circuit Analysis?

• Een non-destructieve onderzoeksmethodiek (dmv. lage AC testspanning).

• Detecteert in zéér vroeg stadium de ontwikkeling van potentiële fouten in elektrische machines en toebehoren.

• Gebaseerd op individuele precisiemetingen waaronder:

– Weerstand (R, Ω ): Gelijkstroom circuitweerstand.

– Inductantie (L, Henrie): Magnetische Spoelsterkte.

– Impedantie (Z, Ω): Wisselstroom circuitweerstand .

– Fase Hoek (Fi, graden): fasehoek I (Amp.) tov U (Volt)

– Current/Frequency Response (I/F): % verandering van I bij 2x freq.I = U / Z.

– Isolatieweerstand (MegΩ): Isolatie weerstandwaarde tov aarde,

• Gerichte predictie over ontstaan, restlevensduur én ernst van de potentiële fout(en).

Motor Circuit Analysis Voor welk equipment toepasbaar?

Diagnose algehele winding (& rotor )conditie (Asset Health) van:

• Wisselstroom & Gelijkstroom motoren in alle typen, vermogens en spannings- bereiken.

• Wisselstroom Opwekkers en generatoren

• Gelijkstroom generatoren

• Transmissie- en distributie transformatoren

• Servo motoren

• AC /DC Tractie motoren

• Hybride auto motoren en transmissies

• Machine toolmotoren en robots

• Synchrone machines en sleepringanker motoren

• Alle typen (smoor) spoelen

Motor Circuit Analysis -Welke Potentiële fouten detecteerbaar?

1. STATOR WINDING FAILURE MODES:

• Kortsluiting tussen windingdraden van een spoel (turn-to-turn short),

• Kortsluiting tussen spoelen onderling in een fase (coil-to-coil short),

• Kortsluiting tussen spoelen van verschillende fasen (phase-to-phase short),

• Open verbindingen / fasen,

• Verbrande en/of gecontamineerde wikkelingen,

• Kortsluiting van spoel of fase naar aarde.

Motor Circuit Analysis Welke Potentiële fouten detecteerbaar?

2. ROTOR FAILURE MODES:

• Onderbroken rotorkooi staven en/of gietfouten,

• Rotor excentriciteit,

• Rotor luchtspleet afwijking

3. COMPONENT FAILURE MODES:

• Kabel fouten (aardfouten, “losse” connecties en/of open verbindingen),

• Overgangsweerstand Veilig Werk Schakelaar contacten,

• Component fouten (van MCC tot motor: bekabeling – relais –SWS- etc.)

Motor Circuit Analysis Hoe wordt Stator conditie bepaald?

Weerstand R (gelijkstroomweerstand in Ohm)

variaties in wikkeldraad grootte,

losse verbindingen,

gebroken geleiders

Open of hoge circuit weerstanden

o afwijking per fase < +/- 5%

Inductance L (magnetische veldsterkte in Henries)

Conditie & vervuilingsgraad (in combinatie met Impedantie Z).

o Z & L niet parallel -> oorzaak fase onbalans: winding vervuiling en/of oververhitting.

o Z & L parallel -> oorzaak fase onbalans: rotorpositie.

Motor Circuit Analysis Hoe wordt Stator conditie bepaald?

Impedantie Z (wisselstroomweerstand in Ohm)

Conditie & vervuilingsgraad (in combinatie met Inductantie L).

o Z & L niet parallel -> oorzaak fase onbalans: winding vervuiling en/of oververhitting.

o Z & L parallel -> oorzaak fase onbalans: rotorpositie.

Current/Frequency Response I/F: (% afname stroom bij 2xFreq.( I = U/Z)

Mogelijke kortsluitverbindingen in de spoelen en wikkelingen.(in combinatie met Phase Angle Fi).

o Idem als bij Phase Angle

Motor Circuit Analysis Hoe wordt Stator conditie bepaald?

Phase Angle Fi (fasehoek tussen Spanning & stroom, graden)

Mogelijke kortsluitverbindingen in de spoelen en motorwikkelingen. (in combinatie met de stroom / frequentie response I/F).

o Fi en I/F > +/- 2 –> Turn-to-Turn Short

o Fi > +/- 1, I/F Balanced –> Coil-to-Coil Short

o Fi Balanced, I/F > +/- 2 –> Phase-to-Phase Short.

Insulation Resistance (weerstand in Megohm t.o.v. aarde bij testspanning van 500V of 1000V )

Identificeren aanwezigheid van mogelijke aardfouten.

o Minimum acceptabele isolatie weerstandwaarde motor is :

Spanning Un x 0.5 Megohm/kV.

Motor Circuit Analysis Hoe wordt de Rotor conditie bepaald?

Rotor / Stator verhouding:

Evenredige luchtspleetafstand tussen stator en rotor over 360 graden. (Statische & dynamische excentriciteit)

o Per hoekverdraaiing Inductantie (L) en/of Impedantie (Z) registreren (vormverloop)

- vormverloop Inductantie -> indicatie rotor gietfouten en/of gebroken rotorstaven.

- de ernst rotorfout wordt bepaald door de mate waarin de “sinusvormen” van Z en L overeenkomen.

- NB: Curves van de Rotor test dienen symetrisch te zijn , maar niet persé een perfecte sinus!

Motor Circuit Analysis Hoe wordt de Rotor conditie bepaald?

Principe evaluatie Rotortest:

• Rotatie van de rotor genereert door inductief rotorveld in stator wikkeling een toenemend en afnemend veld.

• Bij een goede rotor is het patroonverloop in alle fasen gelijk.

• Rotor met gebroken rotorstaven induceert een ongelijk patroon in de 3 fasen.

Motor Circuit Analysis Hoe wordt de Rotor conditie bepaald?

Rotor gietfouten Gebroken rotorstaaf/gietfout

Gescheurde/gebroken staven

Fase Onbalans

Motor Circuit Analysis MCA Hardware Inspectie Tools

Motor Circuit Analysis MCA Software Inspectie Tools

Definitie:

• Een transformator is in principe vergelijkbaar met een “motor” met “vast-gelaste rotor”!

Maw:

• Primaire en secundaire windingen van Transformator worden beschouwd worden als de motorwindingen.

Werkwijze Inspectie:

• Meten 3 primaire fasen ; – secundaire winding wordt kortgesloten naar aarde

• Meten 3 secundaire fasen – primaire windingen zijn kortgesloten naar aarde

• Zowel primair als secundair de 3 fasen met elkaar vergelijken.

Motor Circuit Analysis - Transformatoren -

Potentiële Transformator fouten:

(olie en/of giethars)

• Isolatie aardfouten,

• Winding kortsluitingen,

• Losse Verbindingen,

• Elektrische Vibraties,

• Mechanische losheid.

Motor Circuit Analysis - Transformatoren -

PdM Test Equipment:

• Motor Circuit Analyses - aardsluiting,

- losse of gebroken verbindingen

- kortsluitingen.

• Ultrasound - Tracking, - Arcing,

- Corona, - Partial Discharge,

- Mechanische losheid.

• Infrared Thermografie Analyse losse aansluitverbindingen.

• Isolatie Tester Tbv isolatiewaarde naar aarde

Transformator Primair

Motor Circuit Analysis Case: test 10kV/10kV 15 MVA Transformator

Transformator Secundair

Motor Circuit Analysis DC Motor test

Serie, Shut, Compound DC motoren

Test in-place:

– Controle Ankerspoelen

– Controle Veldspoelen

Troubleshooting:

– Vergelijk Veldspoel metingen,

– Vergelijk Seriespoel metingen,

– Vergelijk met zelfde type motoren

– Testen Commutator

Motor Circuit Analysis Toegevoegde waarde MCA inspecties?

• Vroegtijdige detectie en identificatie van potentiële (ver)storingen welke bijdraagt aan de veiligheid, de beschikbaarheid en de betrouwbaarheid van de installatie,

• Proactieve, non-destructieve conditiebepalende methodiek toepasbaar op de gehele vermogensrange, uitvoeringsvorm en type van motoren, transformatoren, e.d. (AC, DC, Laagspanning, middenspanning,…)

• Afwijkingen worden in een vroeg stadium gedetecteerd zodat reparatie gepland en uitgevoerd kan worden ver voordat het probleem escaleert met als gevolg meer risico en hogere reparatie en/of vervangingskosten.

• Flexibel inzetbare meetmethodiek voor zowel analyse vanuit MCC alsook rechtstreeks in het veld. (indien uitgevoerd vanuit MCC wordt de conditie van het gehele circuit bepaald),

• MCA is relatief snel en doeltreffend uit te voeren, waarbij gericht op details kan worden ingezoomd,

• Periodieke MCA Inspecties bieden een basis om trendmatig kritische equipment te volgen en vanuit trendanalyses tijdig de onderhoudsacties te voorspellen; (efficiency koppelen aan de effectiviteit van de onderhouds-werkzaamheden)

• Onderzoekskosten zijn relatief laag en kostenbesparend in vergelijk met equipment schades, ongeplande productie-stilstanden en productie opbrengst verliezen.

Motor Circuit Analysis Toegevoegde waarde MCA inspecties?

Kw

alite

it

vo

ed

ing

Bestu

rin

g

Co

nn

ecti

e

Kab

el

Sta

tor

Ro

tor

Lu

ch

tsp

leet

Lag

ers

Iso

lati

e

Vib

rati

e

Uit

lijn

ing

Bela

sti

ng

VF

D

Off-line testen

High pot test - - - - - - - - X - - - -

Surge test - - - - X - - - - - - - -

Isolatie test - - - - - - - - X - - - -

Ohm- meter - - L - L - - - - - - - -

PI -test - - - - - - - - X - - - -

MCA test - X X X X X X - X - - - -

Motor Circuit Analysis - Vergelijk MCA met andere methodieken -

MCA onderzoek is een integraal onderdeel van elk Proactief PdM Onderhoud- en Faalpreventie programma. (World-Class Best Practise Performers) .

Het uitvoeren van een MCA onderzoek op periodieke basis draagt bij aan het verhogen van:

- de Betrouwbaarheid,

- de Beschikbaarheid,

- en de Veiligheid

van de productie installaties, wat zich direct vertaalt in een verhoogde bedrijfswinstgevendheid en serieuze onderhoudskosten besparingen!

Motor Circuit Analysis Resumé

“Alle equipment, installaties en apparatuur “waarschuwen” ons vroegtijdig als er iets fout dreigt te gaan, ……

…..we moeten er alleen tijdig “oog” en “oor” voor hebben!”

Is u hierbij graag van dienst!

Bedankt voor uw aandacht!