Diagnose von Fehlern in Elektromotoren

(Zustandsüberwachung von asynchronen Elektromotoren auf elektrische Fehler während des Betriebs ohne Demontage)

Als mechanisches System können elektrische Rotationsmaschinen mit denselben Methoden untersucht werden wie jede andere Rotationsmaschine. Aufgrund des Aufbaus und des Betriebs von elektrischen Rotationsmaschinen treten jedoch nicht nur die für angetriebene Rotationsmaschinen typischen mechanischen Belastungen und die daraus resultierenden Vibrationen auf. Die elektromechanische Energieumwandlung in elektrischen Rotationsmaschinen erfolgt durch die Übertragung elektromagnetischer 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 eines der elektrischen Elemente einer elektrischen Rotationsmaschine aus elektrischer Sicht beschädigt wird, führt dies zu einer ungleichmäßigen Verteilung des elektromagnetischen Feldes. Folglich muss mit einer größeren, asymmetrischen und zeitlich stark schwankenden mechanischen Belastung der einzelnen Maschinenelemente gerechnet werden. In solchen Fällen kann bei Motoren bei höherem elektrischen Energieverbrauch 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.

Ursachen für elektrisch angeregte mechanische Vibrationen

Magnetisierungsfrequenz (magnetostriktiver Effekt) Das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschinen entsteht durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Felder des Stator- und Rotorbereichs. Wenn beispielsweise der Stator eines asynchronen Motors mit einem 50-Hz-Netz verbunden ist, werden die Pole des Stators während einer Periode des Netzes zweimal magnetisiert (siehe Abbildung unten). Das bedeutet, dass die Pole des Stators und alle Komponenten in ihren elektromagnetischen Feldern einer sinusförmigen Kraft ausgesetzt sind, die mit der doppelten Netzfrequenz pulsiert (magnetostriktiver Effekt).

Abbildung: Magnetostriktiver Effekt

Entstehung periodischer Kräfte

Die Pole des Stators von asynchronen Motoren sind immer paarweise angeordnet, damit die Feldlinien des Magnetfelds den Rotorbereich durchdringen können. Andernfalls gäbe es keine Induktion, folglich keine Kraftwirkung und letztendlich kein Drehmoment. Übrigens gleichen sich die radialen (Vibrationen erzeugenden) Kräfte aufgrund der paarweisen Anordnung von Stator- und Rotorteilen sowie der perfekten Positionierung des Rotors in der Mitte des Stators aus. Da die Stärke des Magnetfelds stark von dem Luftspalt zwischen Rotor- und Statorbereich abhängt, ist offensichtlich, dass bei einem Rotor, der nicht in der Mitte des Magnetfelds liegt, ungleichmäßige radiale Kräfte entstehen. Derselbe Vibrationsphänomen tritt auf, wenn von vornherein ein asymmetrisches elektromagnetisches Feld entsteht, z. B. wenn in den Statorwicklungen unterschiedlich große Ströme fließen oder die Wicklungen unterschiedliche Magnetfelder erzeugen. Dies kann auf Fertigungsfehler, lockere Kabelverbindungen oder Wicklungskurzschlüsse zurückzuführen sein. Die resultierenden Kräfte treten immer mit dem Doppelten der Netzfrequenz auf. Hinweis: Bei einphasigen asynchronen Motoren entsteht nicht das oben genannte ideale - symmetrische - Magnetfeld, sondern ein sogenanntes rotierendes elliptisches elektromagnetisches Feld. Dieses Feld kann in eine große Amplitudenfrequenz (50 Hz) und eine gegenläufige, kleinere Amplitudenfrequenz von 100 Hz aufgeteilt werden. Daher sind bei diesen Motoren immer spürbare 100-Hz-Vibrationsspitzen und deren Slip-Frequenz-Seitenbänder vorhanden. Rotorstab- und Nutfrequenzvibration Die Rotoren von Elektromotoren sind in der Regel keine homogenen Körper. Zum Beispiel sind Induktionsmotoren (asynchrone Motoren), wie im Folgenden erläutert, mit eingebauten Leitern (Rotoren) ausgestattet. Diese sind entscheidend für die gewünschte elektromagnetische Wechselwirkung: Während sich der Rotor dreht, passieren die Rotoren die Pole des Stators. Dabei wird in den Rotoren eine Spannung induziert, wodurch ein Strom fließt, der ein elektromagnetisches Feld um sie herum erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen dem Feld um jeden Rotorstab und dem rotierenden elektromagnetischen Feld des Stators erzeugt das Drehmoment des Elektromotors. Die durch die Wechselwirkung der beiden Felder erzeugte Kraft erreicht bei jedem Durchgang eines Rotorstabs vor einem Pol ihr momentanes Maximum, sodass Vibrationen mit der Frequenz des Produkt aus Drehfrequenz und Anzahl der Rotorstäbe auftreten - den sogenannten Stabfrequenzen. Dasselbe Phänomen tritt auf, wenn in den Statorwicklungen unterschiedlich große Ströme fließen oder die Wicklungen unterschiedliche Magnetfelder erzeugen. Dies kann beispielsweise durch lockere Kabelverbindungen oder Wicklungskurzschlüsse verursacht werden. Die resultierende Kraft wirkt immer mit dem Doppelten (und Vielfachen) der Netzfrequenz auf die Bauteile des Elektromotors.

Praktischer Tipp: Methode zur Bestimmung der elektrischen oder mechanischen Herkunft von Vibrationen Schalten Sie die Stromversorgung des Elektromotors aus! Elektrisch angeregte Vibrationen hören sofort auf, während mechanische Vibrationen gemäß den in unserem früheren Artikel zur Resonanzsuche beschriebenen Laufprüfungen proportional zur Drehzahl abnehmen. Vibrationen bei elektrischen Problemen Vibrationen, die durch elektrische Probleme verursacht werden, können in zwei große Gruppen unterteilt werden: Vibrationen bei Rotorfehlern und Vibrationen bei Statorfehlern. Zunächst werden die durch Rotorfehler verursachten Vibrationen im Detail beschrieben.

Vibrationen bei Rotorfehlern

Rotorstabbrüche Elektrisch angeregte Vibrationen treten häufig mit der Netzwerkfrequenz und deren Zweifachfrequenz auf. Wenn ein Stromleitender Stab (Stab) des Rotors gebrochen ist, kann der Induktionsstrom nur durch die benachbarten Stäbe fließen (siehe Abbildung unten). Bei gebrochenen Rotorstäben ist die Bildung magnetischer Felder und die daraus resultierende Kraftwirkung ungleichmäßig. Dadurch entstehen Torsionsvibrationen, die normalerweise in der im nächsten Abschnitt dargestellten Form im mechanischen Vibrationspektrum sichtbar werden. 

Abbildung: Ströme durch den Rotor eines asynchronen Elektromotors bei Stabbruch [Quelle: J. E. Berry: Predictive Maintenance and Vibration Signature Analysis III]

Aufgrund der ungleichmäßigen Kraftwirkung durch die Brüche der Rotorstäbe entstehen Torsionsvibrationen, die normalerweise in folgender Form im mechanischen Vibrationspektrum sichtbar werden:

• Seitenbänder mit doppelter Schlupffrequenz um die Drehzahl herum
• Seitenbänder mit doppelter Schlupffrequenz um das Zweifache der Netzwerkfrequenz herum
• hohe Amplituden bei der Drehzahl und dem Zweifachen der Drehzahl
• hohe Amplituden bei der Stabfrequenz
• Seitenbänder mit doppelter Netzwerkfrequenz um die Stabfrequenz herum
• Polmodulations-Seitenbänder (Schlupffrequenz x Polzahl) um die Drehzahl herum oder deren Vielfache
• Seitenbänder mit Polmodulationsfrequenz um das Zweifache der Netzwerkfrequenz herum

(Anmerkung: Bei gebrochenen Rotorstäben ist die Amplitudenmodulation der Maschinenvibrationen lastabhängig, bei exzentrischen Rotoren gibt es keine lastabhängige Veränderung. Bei normalen Betriebsbedingungen von Elektromotoren ist zu beobachten, dass die mechanische Leistung und das Drehmoment des Motors proportional zur Anzahl der gebrochenen Rotorstäbe abnehmen, und somit - bei konstanter mechanischer Belastung - auch die Drehzahl.)

Abbildung: typisches Frequenzspektrum mit Stabfrequenzen [Quelle: CSi]

Abbildung: Beispiele für Rotorstabbrüche [Quelle: CSi, DDC]

Details zu den durch Rotorfehler verursachten Vibrationen gemäß der deutschen Norm VDI 3839: Die Asymmetrie des Rotors führt zur Modulation der Lager- und Gehäusevibrationen mit der doppelten Schlupffrequenz der Rotationsfrequenz. Dies äußert sich meist als Maschinengeräusch. Im Stator tritt ebenfalls eine Schwebung auf, deren Frequenz gleich der Schlupffrequenz multipliziert mit dem Zweifachen der Netzwerkfrequenz ist. Dies kann anhand periodischer Bewegungen des Zeigers an einem analogen Strommesser erkannt werden und lässt sich gut mit einem Oszilloskop darstellen. Die Modulation aufgrund der Exzentrizität oder des Ausfalls des Kalikas verstärkt sich mit zunehmendem Kalikastrom, der somit mit der Motorleistung ansteigt. Bei Zweipolmaschinen ist dies normalerweise eindeutig zu beobachten und messbar. Wenn während des Betriebs plötzliche Amplitudenmodulationen an den Lagerungen des Motors auftreten und diese Modulation von der Leistung abhängt, kann mit großer Sicherheit auf einen Rotorfehler geschlossen werden. Wenn die Amplitudenmodulation immer vorhanden war und nicht von der Leistung abhängt, liegt wahrscheinlich eine Rotorexzentrik vor.

Die Exzentrizität des Rotors

Die Ursache für die elektromagnetische Exzentrizität des Rotors kann die exzentrische Geometrie des Rotors sowie der Bruch von Stäben oder Keilen sein. Im Folgenden befassen wir uns nur mit den Phänomenen, die aus geometrischen Fehlern des Rotors resultieren (die gebrochenen Stäbe oder Keile wurden bereits behandelt). Die geometrische Exzentrizität des Rotors ist eine Folge von Fertigungsungenauigkeiten oder während des Betriebs auftretenden - meist thermischen - Einflüssen. Da die Auswuchtung der Rotoren normalerweise am Ende des Fertigungsprozesses erfolgt, ist die durch Fertigungsfehler verursachte Exzentrizität in der Regel nicht wahrnehmbar (da sie ausgeglichen wurde). Betriebsbedingte Verformungen - wie thermische Verformungen - führen jedoch ebenfalls zu Ungleichgewichten, die sofort durch Vibrationsspitzen mit der für Ungleichgewichte typischen Drehfrequenz bemerkbar sind. Die geometrische Exzentrizität des Rotors führt in jedem Fall zu variierenden Luftspalten (der kleinste und größte Luftspalt rotiert zusammen mit dem Rotor um den Stator). Dies führt zu periodischen Änderungen des elektromagnetischen Feldes und erzeugt natürlich auch Vibrationen.

• Die geometrische Exzentrizität des Rotors führt in jedem Fall zu variierenden Luftspalten. (Der kleinste und größte Luftspalt rotiert zusammen mit dem Rotor um den Stator.) Dies führt zwangsläufig zu Vibrationen und periodischen Änderungen des elektromagnetischen Feldes.
• Bei Rotorexzentrik treten erhöhte Schwingungsamplituden bei der Netzwerkfrequenz und deren Vielfachen auf, aber auch bei der Netzwerkfrequenz selbst.
• Zusätzlich sind bei Rotorexzentrik Seitenbandvibrationen um das Zweifache der Rotorfrequenz sowie Seitenbänder mit der Polmodulationsfrequenz um das Zweifache der Netzwerkfrequenz zu beobachten. Die Polmodulationsfrequenz selbst tritt als Niederfrequenzvibration auf.
• Bei Rotorexzentrik treten erhöhte Schwingungsamplituden bei der Netzwerkfrequenz und deren Vielfachen auf, aber auch bei der Netzwerkfrequenz selbst. Zusätzlich sind Seitenbandvibrationen um die Rotorfrequenz herum zu beobachten, ebenso wie Seitenbänder mit der Polmodulationsfrequenz um das Zweifache der Netzwerkfrequenz. Die Polmodulationsfrequenz selbst tritt als Niederfrequenzvibration auf.
• Wenn die Ursache für die exzentrische Ausbildung des Rotors thermische Verformungen sind, nimmt die Schwingungsfrequenzkomponente mit der Betriebszeit (Erwärmung des Motors) kontinuierlich zu. Darüber hinaus treten bei gekrümmten Wellenachsen charakteristische Vibrationsphänomene auf (radiale Vibrationen mit einer Drehfrequenz, die auf Ungleichgewichte hinweisen, stabilen Phasenwinkel, sowie axiale Vibrationen mit einer Phasenverschiebung von 180°), die zunehmend stärker werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei fehlerhaften Wellenausrichtungen oder "weichen" Motoren ebenfalls variable Luftspalte auftreten können, die ähnlich wie die Rotorexzentrik erscheinen.

Die deutsche VDI 3839 Norm zur elektromagnetischen Exzentrizität des Rotors besagt: Ein exzentrisch im Stator platziierter zentrischer Rotor erzeugt keine Vibrationen. Ein exzentrisch aufgebauter Rotor mit zentrischer Platzierung erzeugt jedoch Vibrationen, die für Ungleichgewichte charakteristisch sind, sowie eine Amplitudenmodulation mit der Slipfrequenz und dem Zweifachen der Netzwerkfrequenz. Wenn die Motorvibrationen eine Amplitudenmodulation aufweisen und diese nicht von der Belastung abhängt, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Rotorexzentrik vor. (Wenn diese Modulation von der Belastung abhängt, kann mit hoher Sicherheit auf gebrochene Rotorelemente geschlossen werden.)

Der CSI Pocket Vibration Troubleshooter's Guide zu den Ursachen von Vibrationen: Niedrigfrequente Modulationssignale deuten auf Rotorenprobleme hin, die eine exzentrische elektromagnetische Umgebung verursachen. Netzwerkfrequenzvibrationen sind charakteristisch für gebogene oder exzentrische Rotoren. Geringfügige axiale Vibrationen treten bei leicht gebogenen Rotoren auf. Starke axiale Vibrationen deuten auf einen aus der idealen elektromagnetischen Umgebung verschobenen Rotor oder auf die exzentrische Verformung des Rotors hin.

Vibrationen bei Statorfehlern

Der Stator von Asynchronmotoren besteht im Wesentlichen aus Spulen um die Pole herum (mindestens eine pro Phase), Statorzähnen und Blechpaketen. Die konstruktiven Lösungen unterscheiden sich je nach Anwendungsanforderungen erheblich voneinander. Zu den häufigsten Fehlern gehören Kurzschlüsse in den Spulen (Isolationsprobleme), die Exzentrizität des Stators, Spulenbrüche sowie lockere Blechpakete oder Paketabschnitte. Kurzschlüsse zwischen den Spulen und anderen Komponenten sowie Spulenbrüche treten hauptsächlich aufgrund von Alterung, Betriebsvibrationen, dynamischer Beanspruchung oder elektrischer oder thermischer Überlastung auf. Kurzschlüsse können innerhalb eines Polpaares, zwischen verschiedenen Polpaaren sowie zwischen den Polen und dem Blechpaket auftreten. Die elektromagnetische Exzentrizität des Stators kann aufgrund von geometrischen Fehlern in den Statorspulen oder deren räumlicher Anordnung, Materialqualitätsproblemen (Inhomogenitäten) sowie mechanischer oder thermischer Verformung des Stators (was zu unterschiedlichen Luftspaltgrößen entlang des Umfangs führt) auftreten.

Die elektromagnetische Exzentrizität des Rotors kann sowohl auf Fertigungsungenauigkeiten als auch auf Betriebsstörungen (z. B. thermische Effekte, Vibrationsbelastungen) zurückzuführen sein. Die allgemeinen Merkmale von Vibrationen bei Rotorfehlern sind wie folgt:

• Radiale Vibrationen mit großer Amplitude und doppelter Netzfrequenz deuten auf Exzentrizität, ungleiche Phasen, Kurzschlüsse oder lockere Eisenkerne hin
• Axiale Vibrationen sind normalerweise gering, es sei denn, es liegen auch Rotorteilprobleme vor
• Seitenbänder mit Polmodulationsfrequenz treten um die Rotationsfrequenz und deren Vielfache herum auf.

Anmerkungen: Bei gebogenen Fundamenten oder Motoren mit "weichen" Füßen können entlang des Umfangs oft unterschiedliche Luftspaltmaße festgestellt werden. Dadurch entstehen auch Fehlererscheinungen aufgrund der Exzentrizität des Rotors. Andererseits können bei fehlerhafter Wellenausrichtung oder bei Motoren mit instabiler ("weicher") Montage ebenfalls Vibrationen auftreten, die hohe Werte bei der doppelten Netzfrequenz aufweisen.

Abbildung: Typisches Frequenzspektrum mit Netzharmonischen [Quelle: CSi]

Diagnose von Rotorbrüchen basierend auf elektrischen Phänomenen

Die am häufigsten angewendete Methode zur Erkennung von Rotorwellen-, Ring- oder Käfigbrüchen ist die phasenweise Untersuchung des Stromverbrauchs im Niederfrequenzbereich. Dazu muss der Strom jeder Phase separat mit einem Strommesszangen-Durchflussmesser gemessen werden. Um den Bereich um die Netzfrequenz herum sollte eine Frequenzanalyse mit hoher Auflösung durchgeführt werden. Das Verhältnis der Amplituden zwischen der Netzfrequenz und den Seitenbändern mit Polmodulationsfrequenz in diesem Stromspektrum liefert Informationen zur Fehlererkennung. Dieses Verhältnis charakterisiert das Maß der Pulsation des elektromagnetischen Feldes pro Umdrehung. Die amerikanische Firma CSI empfiehlt neben der Stromspektrumaufnahme mit der Strommesszange auch die Auswertung der magnetischen Feldstärkespektren mit einem tragbaren Flussmessgerät. In Fällen, in denen die Stromaufzeichnung unmöglich oder gefährlich ist, ist die spektrale Analyse basierend auf der Flussmessung die einzige Lösung zur Erfassung elektromagnetischer Phänomene. In der Literatur finden sich verschiedene Grenzwerte für das Amplitudenverhältnis zwischen der Netzfrequenz und den Seitenbändern mit Polmodulationsfrequenz.

Abbildung: Identifizierung eines Rotorwellenbruchs im Motorstromspektrum und im Niederfrequenzbereich des elektromagnetischen Feldes [Quelle: PIM]

In der Literatur finden sich folgende Grenzwerte für das Amplitudenverhältnis zwischen der Netzfrequenz und den Seitenbändern mit Polmodulationsfrequenz: Technical Associates of Charlotte (Strom)

Bewertung	Verhältnis	Bemerkungen
ausgezeichnet	>60 dB
gut	54–60 dB
akzeptabel	48–54 dB	Trendüberwachung empfohlen
Warnung	42–48 dB	beschädigte Rotorwelle oder hochohmiger Kontakt
Alarm I.	36–2 dB	gebrochene Rotorwelle oder mehrere hochohmige Kontakte
Alarm II.	30–36 dB	zahlreiche gebrochene Rotorwellen, Käfige oder Kontaktfehler
Betriebsstörung		schwere Fehler (mehrere gleichzeitig)

 

	CSI (Strom, bzw. Fluss)	Mitchell (Strom)
in Ordnung	>54 dB	>45 dB
Warnung	54–45 dB
Alarm	45–40 dB	35–45 dB
Betriebsstörung

Erklärung der verwendeten Fachbegriffe

Slipfrequenz

Bei Induktionsmotoren ist die Slipfrequenz die Differenz zwischen der mechanischen Rotationsfrequenz und der Rotationsfrequenz des synchronen elektromagnetischen Feldes. Der Schlupf nimmt mit zunehmender Belastung zu, weshalb Motorprobleme am besten bei Volllast untersucht werden können. Der Schlupf wird durch das dimensionslose Symbol "s" angegeben und kann wie folgt berechnet werden:

s = 1 – ( F_f / F_syn ), wobei F_f die Motordrehfrequenz in Hz bzw. in U/min angegebene Motordrehzahl/60 F_syn die Rotationsfrequenz des synchronen elektromagnetischen Feldes in Hz, also 2×F_h/P F_h die Netzfrequenz in Hz und P die Anzahl der Pole des Motorrotors ist.

Rodfrequenz

Die Rodfrequenz ist das Produkt aus der Anzahl der stromführenden Stäbe auf dem Rotor und der Rotationsfrequenz. Elektrisch angeregte mechanische (d. h. Schwingungs-) Frequenz.

F_rüde = F_f × R, wobei F_f die Motordrehfrequenz in Hz und die in Umdrehungen pro Minute angegebene Motordrehzahl/60 ist, R die Anzahl der Stäbe des Rotorteils Polmodulationsfrequenz

Die Polmodulationsfrequenz ist das Produkt aus Polzahl und Schlupffrequenz. Die elektrisch angeregte Frequenz im elektromagnetischen Feld (bzw. im Stromversorgungssystem), die nur bei Asynchronmotoren auftritt und mechanische Vibrationen verursacht.

F_polm = F_s × P, wobei F_s die Schlupffrequenz des Motors in Hz ist, also 2×F_h/P-F_f F_f die Motordrehfrequenz in Hz und die in Umdrehungen pro Minute angegebene Motordrehzahl/60 F_syn die Rotationsfrequenz des synchronen elektromagnetischen Feldes in Hz, also 2×F_h/P P die Anzahl der Polpaare des Statorbereichs

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu  

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