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了解馬達驅動器效率與效能的五個測試重點

馬達驅動器是一種常用技術,可將來自主交流電源的恆定電壓,轉換成可以控制馬達轉矩和轉速的變動電壓,適用於驅動電機設備負載的馬達。相較於透過開關直接連接電源的馬達,馬達驅動器的效率更高,並具備一定程度的可控制性。上述因素,帶來了節省能源成本、提升生產效能與延長馬達壽命等結果。

MDA Profile.jpg

根據美國能源部 (DOE) 的資料,馬達系統是幾乎所有工廠營運的重要關鍵,佔所有電力的 60% 至 70%。DOE 也將變頻驅動器 (VFD) 視作能大幅節省工廠成本的來源。馬達驅動器在許多產業和設施中廣為使用,實不足為奇。為確保這些馬達系統的上工時間,維護與疑難排解便成為第一優先考量。

測試馬達驅動器的挑戰

疑難排解和測試用馬達驅動器,又稱為變頻驅動器 (VFD)、變速驅動器 (VSD) 或可調速驅動器 (ASD),通常由專業人員利用數種測試儀器執行,測試儀器包含示波器、數位萬用電表或其他測試工具。此類測試需透過古老的刪除法,來進行一定程度的反覆試驗。由於馬達系統較為複雜,因此除非系統出現故障,否則通常僅進行年度測試。決定開始測試的時機也不容易,因為設備往往缺乏工作記錄,或是記錄並不完整。這些記錄應包含先前執行過的特定測試與測量、已完成的工作或個別元件的校正後狀況。但測試技術的進步可幫助我們克服部分挑戰。Fluke 馬達驅動器分析儀 MDA-510 和 MDA-550 等較新儀器專為提升馬達驅動器效率和分析能力而設計,擁並能記錄過程中的所有步驟程序。您可將這些記錄儲存起來並與後續測試進行比較,幫助您更加了解馬達驅動器的維護記錄。

更簡單的 VFD 疑難排解方法

先進的馬達驅動器分析儀結合電表、掌上型示波器、記錄器功能與專業指導員指引,利用螢幕提示、清楚的設定圖,以及由馬達驅動器專家所編寫的逐步指示,按步驟導引您完成重要測試。這種解析並簡化複雜測試程序的新方式,讓經驗豐富的馬達驅動器專家工作起來更快速也更具信心,能夠得到所需的細節資訊。此外,也為較資淺的技師提供一條進行馬達驅動器分析的快速路徑。

若想找出馬達驅動器系統故障的根本原因,或執行例行的預防性維護檢查,最好的方式是在系統關鍵點進行一系列標準測試和測量。從電力輸入一直到輸出為止,於整個系統中完成包含各種測量技術與評估準則的關鍵測試。

以下是馬達驅動器疑難排解的必要測試:

(請注意 Fluke 馬達驅動器分析儀會引導您完成測試,並會自動執行許多必要計算,您可對結果感到放心。此外,您可在幾乎任何測試點將資料儲存到報告中,如此一來,您便可將記錄上傳至電腦化維修管理系統 (CMMS),或與同事或諮詢專家進行分享。

安全提醒:請務必於開始測試前詳閱產品安全資訊。請勿單獨作業,並應遵循當地與國家安全規定。請使用個人防護裝置 (合格橡膠手套、面罩和防火衣),以免有危險的通電導體暴露在外時造成觸電或電弧過載的傷害。

若要以 Fluke 馬達驅動器分析儀開始進行測試,只要依照圖說連接測試探針,接著按「下一步」即可。

Phase To Phase Connections
驅動器輸入逐步引導式測量連接

1.驅動器輸入

若想判斷驅動器的饋電電路是否產生影響電力接地的失真、干擾或雜訊等情況,最佳的第一步驟是分析進入馬達驅動器的電力。

測試

比較驅動器標稱額定電壓與實際供應電壓,快速瞭解數值是否在可接受的限制範圍內。若超出範圍 10% 可能代表供應電壓有問題。判斷輸入電流是否在最大額定範圍內,以及導體尺寸是否合適。

  • 比較測量頻率與指定頻率。若出現 0.5Hz 以上的差異可能會造成問題。
  • 檢查諧波失真是否在可接受的程度內。目測波形,或是檢視諧波頻譜螢幕中的總諧波失真和個別諧波。舉例而言,若出現平頂波形,可能代表有連接至相同饋電電路的非線性負載。若總諧波失真 (THD) 超過 6%,表示有潛在問題。
  • 檢查輸入端子的電壓不平衡情況,以確保相位不平衡不會過高 (小於 6 到 8%),並確保相位旋轉正確。高壓不平衡讀數代表相位有問題。讀數超過 2% 可能會導致電壓出現陷波,並造成驅動器過載故障保護跳脫或干擾其他設備。
  • 電流不平衡測試。過度不平衡可能代表驅動器整流器發生問題。電流不平衡讀數超過 6% 可能表示馬達驅動器變頻器出現棘手的問題。

2.直流母線

驅動器中交流電與直流電的轉換至關重要。驅動器若要發揮最佳效能,必須要有正確的電壓、足夠的平穩度和低漣波。高漣波電壓可能代表電容故障,或是所連接馬達的大小不正確。Fluke MDA-500 系列馬達驅動器分析儀的記錄功能讓您可在操作模式中,施加負載同時動態查看直流母線效能。或者,也可使用 Fluke ScopeMeter® 測試工具或進階萬用電表來進行此測試。

測試

Drive DC Bus DC Level1
直流母線上的漣波
  • 判斷直流母線電壓是否與輸入線路電壓峰值成比例。除了經控制的整流器外,電壓應為 RMS 線路電壓的 1.31 到 1.41 倍。直流電壓讀數過低可能會使驅動器跳脫,發生的原因可能是輸入主電源電壓過低或輸入電壓失真 (例如平頂)。
  • 檢查線路電壓峰值振幅是否有失真或誤差。此狀況可能會導致電壓過高或過低誤差。直流電壓讀數若與標稱電壓相差 +/- 10%,可能代表出現問題。
  • 判斷交流漣波峰值的重複程度是否不同。完成交流到直流轉換後,會有一點交流漣波成分殘留在直流母線上。漣波電壓高於 40V 的原因可能是電容故障,或是驅動器額定值對連接之馬達或負載來說過低。
Drive Output Voltage Current1
驅動器輸出的電壓與電流

3.驅動器輸出

測試驅動器輸出對馬達正確運作非常重要,並可提供驅動器電路的問題線索。

測試

  • 判斷電壓和電流是否在限制範圍內。輸出電流過高可能會造成馬達溫度上升,減少定子絕緣壽命。
  • 檢查電壓頻率比 (V/Hz),確認位於馬達指定限制範圍內。比率過高可能會導致馬達過熱,比率過低則會使馬達失去轉矩。頻率穩定而電壓不穩定可能表示有直流母線問題;頻率不穩定而電壓穩定則可能代表有交換(IGBT) 問題。頻率和電壓皆不穩定代表速度控制電路有潛在問題。
  • 檢查驅動器輸出,並將焦點放在電壓頻率比 (V/F) 與電壓調變。若 V/F 比測量值過高,馬達可能會過熱。若 V/F 比過低,所連接馬達可能無法提供負載所需的轉矩,導致不足以執行預定作業。
  • 利用相位對相位測量來檢查電壓調變。電壓峰值過高可能會造成馬達繞組絕緣性受損,並導致驅動器跳脫。電壓峰值若高於 50% 標稱電壓代表有問題。
  • 檢查驅動器讀數所代表的交換脈衝陡度。脈衝的上升時間或陡度是以 dV/dt 讀數 (電壓隨時間變化率) 表示,並應與馬達的規定絕緣性相比較。
  • 以相位至直流電測試交換頻率。判斷電子交換或接地是否有潛在問題,當訊號上下浮動時可能代表有此問題存在。
  • 測量電壓不平衡 (最好是在全負載的情況下)。不平衡不應超過 2%。電壓不平衡會造成電流不平衡,進而導致馬達繞組過熱。不平衡的原因可能包含驅動器電路故障。若相位出現故障便稱為「單相運行」,可能會造成馬達溫度上升、停止後無法啟動、效率明顯下降,並可能損壞馬達和連接的負載。
  • 測量電流不平衡,三相馬達的不平衡狀況不應超過 10%。若在電壓過低時出現大規模不平衡,可能代表馬達繞組短路或相位對接地短路。大規模不平衡也可能造成驅動器跳脫、馬達溫度過高及繞組燒毀

4.馬達輸入

供應至馬達輸入端子的電壓是關鍵,驅動器與馬達間的纜線選擇也極為重要。不正確的接線選擇可能會造成驅動器和馬達因反射電壓峰值過高而受損。這些步驟與前述驅動器輸出大致相同。

測試

  • 檢查端子上的電流是否在馬達額定值範圍內。過電流狀況可能會造成馬達溫度上升,減少定子絕緣的壽命,進而導致馬達提早故障。
  • 電壓調變可幫助判斷可能造成馬達絕緣損壞的電壓峰值對接地過高情況。
  • 電壓不平衡可能會嚴重影響馬達壽命,也可能代表變頻器故障。此狀況可能會造成電壓出現陷波,並導致過載故障保護跳脫。
  • 電流不平衡可能表示電壓不平衡或驅動器整流器有問題。
MDA Engineer

5.馬達軸電壓

馬達驅動器的電壓脈衝可能會在馬達定子和轉子間耦合,導致電壓出現在轉子軸上。當轉子軸電壓超過軸承滑脂的絕緣能力時,即會發生閃絡現象 (火花),導致馬達軸承滾圈上出現燒孔及裂痕,而此類損壞可能會造成馬達永久故障。

測試

  • 測量馬達機箱和驅動軸間的電壓。例如 MDA-550 就為此目的提供了碳纖維刷探針。這項測試可輕鬆偵測到具破壞性的閃絡現象,而脈衝振幅和事件計數則讓您可在故障發生前先採取行動。
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