可変周波数ドライブのトラブルシューティングの改善

可変周波数ドライブ (VFD) テクノロジーの改善により、コストが削減され、信頼性が向上し、使用量が増加しました。最新の VFD システムのほとんどには、障害時に自動的にシャットダウンする内部診断機能が備わっています。ただし、これらの障害の原因を特定して修正するのが難しい場合があります。ただし、モーターの非通電状態および通電状態のテストは、これらの問題の多くを特定するのに役立つ貴重な洞察を提供します。この記事では、これらのモーターテスト技術を VFD のトラブルシューティングに組み込む方法について説明します。

VFD は、入力される三相交流 (AC) 電力を整流し、直流 (DC) バスを作成します。 DC バスはコンデンサを使用して、整流された DC をインバータセクションへの入力として平滑化します。インバータセクションでは、コントローラはマイクロプロセッサを使用して半導体スイッチを制御し、DC 電圧をモータへの可変三相 AC 電圧および周波数入力に変換します。

半導体 (シリコン制御整流器 [SCR] または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ [IGBT]) が点弧する時間を制御することにより、DC パルスの幅が DC を変調し、可変電圧の模擬三相入力電圧を生成します。そして周波数。入力電圧の周波数によって、磁界がステーターの周りを回転する速度が決まります。磁界の速度は同期速度 (SS) と呼ばれます。

インバータ回路からのスイッチングの性質により、VFD はプラントの電気システムに高調波を導入し、電力品質 (PQ) の問題を引き起こす可能性があります。さらに、VFD は受信する PQ の問題にも敏感になり、シャットダウンを引き起こす可能性があります。多くの VFD には、シャットダウンの原因を示す電子機器が内蔵されています。これらの共通コードは、過電圧、過電流、過負荷、電圧、電流の不均衡、過熱、または外部障害の原因を割り当てます。この情報は重要ですが、本当の問題は、何が障害状態を引き起こしたのかということです。障害状態は VFD によって引き起こされたものですか、それとも VFD によって発生したものですか?

VFD で障害が発生した場合は、入力電力、接続の問題、多くのモーターの問題のいずれか、または駆動される機械やプロセス自体の障害が原因である可能性があります。 VFD が原因で故障が発生した場合は、電子コンポーネントの故障または故障が原因である可能性があります。一般的な故障には、整流器セクションのダイオード、DC バス上のコンデンサ、またはインバータセクションの半導体の故障または故障があります。

モーター回路解析 (MCA) は、モーター巻線を通じて一連の低電圧 AC および DC 信号を注入し、モーターの通電が停止されている間にモーターシステム全体を徹底的に評価するモーターテスト手法です。 MCA モーターテストは、モーターで直接実行することも、VFD の出力からリモートで実行することもできます。ロータの問題や巻線絶縁破壊の進行を特定できない従来の非通電状態のモータテストとは異なり、MCA テストは、接地壁絶縁システムと、ステータ内のコイルを作成するために使用される導体周囲の絶縁体および既存の絶縁体に発生している故障を早期に示します。またはローターの電気部分に故障が発生しています。

MCA は初期段階で障害を特定できるだけでなく、モーターが「良好」であることを迅速に確認できるため、VFD トリップの原因であるモーターを排除できます。 VFD の出力から 3 分間のテストを実行すると、「良好」という結果は、モーターが良好な状態にあるだけでなく、テストされた回路内のすべての関連ケーブルおよび電気コンポーネントも良好な状態にあることを示します。

ただし、結果が「不良」を示した場合は、モーターで直接追加の 3 分間のテストが実行されます。モーターのテストが「良好」であれば、テストが適切に実施され、故障はケーブル配線またはコントローラーにあることを意味します。モーターが故障の進行を示している場合、故障がローターまたはステーターの電気回路にあるかどうかを判断するために利用できるオプションの MCA テストがあります。

低電圧 DC テストは、テスト対象の回路内の接続の問題を示し、すべての外部接続と内部接続が十分にしっかりしていることを確認します。一連の AC テストでは、巻線絶縁を検査し、導体間の絶縁が劣化し始めるときに巻線絶縁の化学組成に生じる小さな変化を特定します。

オプションの動的テストでは、テスト対象のモーターシャフトを手動で回転させる必要があり、ステーター巻線システムを構成するコイルの導体周囲の絶縁体に発生している欠陥を特定するステーターシグネチャを作成します。ローターシグネチャは、ローターバーやエンドリングの静的または動的偏心、亀裂、破損、鋳造ボイドなど、ローター電気システムの障害を識別します。

電気的署名分析 (ESA) は、VFD の入出力電圧と電流を使用して、ドライブに供給されている電力の状態と品質、およびドライブからモーターへの電圧と電流出力を迅速に分析します。これらの各テストに必要な時間は 1 分もかかりません。ドライブの入力と出力に対して ESA モーターテストを実行すると、入力電力と出力電力の完全なプロファイルが得られます。

各テストでは、電圧と電流の 3 相すべての同時データキャプチャを実行して、3 相それぞれの PQ テーブルを作成し、3 相すべての電圧と電流の波形を 50 ミリ秒 (msec) キャプチャして表示および保存します。さらに、50 秒間の電圧波形と電流波形がデジタル化され、入力と出力の電圧と電流の両方に対して高周波および低周波の高速フーリエ変換 (FFT) を実行するために使用されます。

ドライブへの入力電圧は、ドライブに供給される入力電圧の状態を示す貴重な情報を提供します。入力電圧または電流に含まれる電圧、電流の不平衡、または高調波成分を計算します。入力電流は、ドライブの整流器セクションのダイオードの状態を示します。画像 2 は、すべてのダイオードが適切に動作している場合の電流波形を示しています。画像 3 では、1 つ以上のダイオードが適切に動作していないことがすぐに判断できます。

ドライブからの出力電圧は、ドライブ自体の状態およびモーターに供給される電力の品質に関する情報を提供します。これには、インバータ回路内の半導体の適切な動作または不適切な動作や、DC バスコンデンサの故障が含まれますが、これらに限定されません。画像 4 は、ドライブの電圧出力 (モーターへの入力電圧) の 1 相のスナップショットを示しています。

すべての出力電圧波形は比較的均一で対称的である必要があります。非対称な電圧波形は、IGBT の故障または故障を示します。波形の正と負の部分の平らな部分のリップルは、DC バス上のコンデンサの故障を示しています。 20 ドルのコンデンサが故障すると、ドライブ全体が破壊される可能性があります。

モーターの電流は、モーターシステムの高感度トランスデューサーとして機能します。モーター、被駆動機械、またはプロセス自体に既存の障害または発生中の障害があると、モーターの電流が変調します。出力電流のこれらの変調は、電気的または機械的状態、またはプロセス自体の異常を示します。デジタル化された電圧および電流波形の FFT により、ローターバーの亀裂または破損、静的または動的偏心などのモーターの障害が特定されます。

回転要素ベアリングの故障発生の早期兆候、モーターまたは被駆動機械の回転部品のバランスとアライメント状態も、振動解析で長年認識されてきたのと同じ故障周波数を使用して迅速に特定できます。

ESA ソフトウェアは、50 秒のデータ収集プロセスで収集されたすべての情報を組み合わせ、所定の基準、ガイドライン、アルゴリズムと比較して、入力電力からモーターシステム全体の状態を評価するために必要なグラフ、表、および表示を作成します。プロセス。評価が完了すると、ESA は完全で詳細なレポートを作成します。このレポートでは、電気部分で発生している問題、駆動される機械やモーターに接続されているその他の機器で発生している故障だけでなく、VFD のトリップを引き起こす可能性のあるプロセスの異常も強調表示されます。。作成されたレポートには、所定のガイドライン内にある測定値の詳細も記載されているため、VFD のトラブルシューティングに通常伴う推測のほとんどが排除されます。

MCA と ESA を VFD 標準トラブルシューティングプロセスに組み込むことにより、アナリストは、障害が VFD によって引き起こされたのか、VFD によって発生したのかを迅速に判断するために利用できる最も詳細な情報を入手できます。 3 分間の MCA は不良モーターを特定し、そのモーターを故障の原因として排除し、新しいモーターを取り付ける場合には障害がないことを確認します。 ESA は、1 分未満のテストで VFD への電力の出入りに問題がないことを確認しています。

William Kruger は、2004 年にテクニカルマネージャーとして ALL-TEST Pro に加わりました。連絡先は [email protected] です。詳細については、alltestpro.com をご覧ください。