MEE Tihany 2007: Diagnose von Asynchronmotorenfehlern
Rahne Eric, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, Gründer der PIM Professionelle Industrielle Messtechnik GmbH, Experte für Schwingungsdiagnose
Einführung
Mechanische Systeme wie elektrische Rotationsmaschinen können mit denselben Methoden untersucht werden wie jede andere Rotationsmaschine. Aufgrund des Aufbaus und des Betriebs von elektrischen Rotationsmaschinen treten jedoch nicht nur die mechanischen Kräfte und die daraus resultierenden Vibrationen auf, die bei angetriebenen Rotationsmaschinen auftreten. Die elektromechanische Energieumwandlung in elektrischen Rotationsmaschinen erfolgt über elektromagnetische Felder. Die entstehenden Kräfte führen nicht nur zu dem gewünschten Drehmoment, sondern verursachen auch eine zeitliche und richtungsabhängige Beanspruchung der einzelnen Maschinenelemente - und deren mechanische Verformung. Wenn ein elektrisches Element einer elektrischen Rotationsmaschine aus elektrischer Sicht beschädigt wird, führt dies zu einem ungleichmäßig verteilten elektromagnetischen Feld. Infolgedessen muss mit einer größeren, asymmetrischen oder zeitlich stark variierenden mechanischen Belastung der einzelnen Maschinenelemente gerechnet werden. In solchen Fällen kann bei Motoren bei höherem Stromverbrauch eine geringere mechanische Leistung erzielt werden, während bei Generatoren die abgegebene elektrische Energie bei gleichzeitiger mechanischer Antriebsenergie abnimmt. Der Rückgang des Wirkungsgrads geht mit größeren Verlusten einher, die in Wärme umgewandelt werden, wodurch die thermische Belastung der Bauteile zunimmt.
Elektrische und mechanische Phänomene in Elektromotoren
Die Pole des Stators von Asynchronmotoren sind immer paarweise angeordnet, damit die Feldlinien den Rotor durchdringen können. Andernfalls gäbe es keine Induktion, und somit keine Kraftwirkung und letztendlich kein Drehmoment. Durch die paarweise Anordnung - vorausgesetzt, dass der Stator und der Rotor zylindersymmetrisch sind und der Rotor perfekt in der Mitte des Stators platziert ist - gleichen sich die radialen (Vibrationen erzeugenden) Kräfte genau aus. Da die magnetische Wechselwirkung stark von dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator abhängt, ist offensichtlich, dass bei einem Rotor, der nicht in der Mitte des magnetischen Feldes liegt, ungleichmäßige radiale Kräfte entstehen. Der Rotor eines Elektromotors ist in der Regel kein homogener Körper - z. B. werden Asynchronmotoren mit eingebauten Leitern (Rotorstäben) ausgestattet. Diese sind entscheidend für die gewünschte elektromagnetische Wechselwirkung: Während sich die Rotorstäbe während der Rotation des Rotors vor den Polen des Stators bewegen, wird in den Stäben eine Spannung induziert, wodurch ein Strom entsteht, der ein elektromagnetisches Feld um sie herum erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen dem Feld um die einzelnen Rotorstäbe und dem rotierenden elektromagnetischen Feld des Stators erzeugt das Drehmoment des Elektromotors.
Diagnose von Elektromotorfehlern basierend auf elektrischen Parametern und Vibrationsmessungen
Basierend auf dem Obigen ist offensichtlich, dass bei jeglichem elektrischen Fehler asymmetrische oder periodische Kräfte auftreten, die als Vibrationen am Motor spürbar sind. Mit Kenntnis der Zusammenhänge der durch Fehler verursachten Vibrationsphänomene können nicht nur die mechanischen Fehler des Elektromotors, sondern auch die elektrischen Probleme diagnostiziert werden. Darüber hinaus kann zur Fehlerdiagnose auch die Messung der elektrischen Parameter während des Betriebs verwendet werden, wobei eine der praktischsten Anwendungen die Ermittlung eines gebrochenen Rotorstabs ist. Die am häufigsten verwendete Methode zur Erkennung von Brüchen an Rotorstäben, -ringen oder -käfigen ist die phasenweise Untersuchung des Stromverbrauchs im Niederfrequenzbereich. Dazu muss der Strom jeder Phase separat mit einem Strommesszange gemessen werden. In den so erhaltenen Stromspektren liefert das Verhältnis der Amplituden zwischen dem Netzwerksignal und den Seitenbändern der Polmodulationsfrequenz Informationen zur Fehlererkennung.
Lagerschäden durch Gleitströme (z. B. statische Aufladung)
Insbesondere die Rotoren von Elektromotoren neigen während des normalen Betriebs zur elektrostatischen Aufladung. Obwohl dieses Phänomen seit langem bekannt ist, wird ihm oft zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Lagerbeschädigungen aufgrund von elektrischen Entladungen oder transienten bzw. Gleitströmen sind als Verschleierung, elektrisches Pitting, Rillenbildung oder Lichtbogenschäden bekannt. Damit ein Stromfluss entsteht, ist das Vorhandensein eines Spannungspotenzialunterschieds erforderlich (z. B. induzierte Spannung und Erde). Aufgrund der Natur des Stroms fließt dieser durch den geringsten Widerstand, der in der Regel durch die Lager des Elektromotors verläuft. Es ist jedoch auch möglich, dass der Stromfluss über ein angeschlossenes Gerät oder eine Vorrichtung erfolgt. Beispielsweise ist es bei Elektromotoren mit direkt angetriebenen Tachometergeneratoren sehr häufig, dass der durchfließende Strom zunächst die Lager des Tachometergenerators beschädigt, da sie kleiner sind und daher einen geringeren transienten Widerstand bieten. Die Schmierung der Lager spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Durch ihre Isolationswirkung kann sich ein statisches Ladungspotenzial auf der Welle bilden. Wenn diese Spannung die Durchbruchspannung des Lagerfetts überschreitet, entsteht in Form von Funken eine Entladung, die die Oberflächen der metallischen Bauteile beschädigt und zur Oxidation des Schmierstoffs führt.Dieser Prozess wiederholt sich periodisch in Form von immer neuen Lichtbogenentladungen, die kontinuierlich die Lauffläche des Lagers abnutzen (beschädigen). PIM Professionelle Industrielle Messtechnik GmbH H-1221 Budapest, Tanító Str. 19/A Tel.: (1) 424-00-99 Fax: (1) 424-00-97 E-Mail: pim@pim-kft.hu Webseite: www.pim-kft.hu www.thermografie.hu www.maschinenexperte.hu
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