Как проверить двигатель постоянного тока: пошаговое руководство с помощью мультиметра

Как протестировать двигатель постоянного тока: комплексный диагностический подход

Тестирование двигатель постоянного тока Правильно – это нечто большее, чем просто подача напряжения и проверка вращения вала. Двигатель, который работает нестабильно, потребляет чрезмерный ток, перегревается, издает ненормальный шум или периодически выходит из строя, требует структурированного диагностического процесса для выявления основной причины — будь то короткое замыкание обмотки, изношенные щетки, выход из строя подшипников, загрязнение коммутатора или пробой изоляции.

Хорошей новостью является то, что большинство неисправностей двигателей постоянного тока можно выявить с помощью базового испытательного оборудования: цифрового мультиметра (DMM), клещей и, в некоторых случаях, мегаомметра (измерителя сопротивления изоляции). Систематическая последовательность испытаний, выполняемая до и во время работы двигателя, позволяет точно диагностировать подавляющее большинство неисправностей двигателей постоянного тока. без необходимости специального лабораторного оборудования. Данное руководство полностью описывает эту последовательность действий: от стендовых испытаний перед включением питания до нагруженных эксплуатационных проверок.

Меры предосторожности перед началом работы

Испытания двигателей постоянного тока связаны как с электрическими, так и с механическими опасностями. Перед началом любой процедуры испытания соблюдайте без исключения следующие требования безопасности:

• Отключите и заблокируйте питание — Отключите двигатель от источника питания и примените блокировку/маркировку (LOTO) перед выполнением каких-либо тестов при выключенном питании. Прежде чем прикасаться к клеммам, подтвердите состояние нулевой энергии с помощью тестера напряжения.
• Разрядные конденсаторы — Если в цепь двигателя входят конденсаторы (обычно встречающиеся в системах привода), дайте достаточное время разряда или используйте предохранительный резистор перед контактом.
• Закрепите вал — При проведении стендовых испытаний отключенного двигателя закрепите вал или имейте в виду, что подача напряжения для испытания на вращение приведет к вращению вала, что представляет собой механическую опасность.
• Используйте номинальное испытательное оборудование — Убедитесь, что ваш мультиметр и тестер изоляции рассчитаны на соответствующее напряжение. Стандартные цифровые мультиметры рассчитаны на работу в средах CAT III или CAT IV; используйте правильную категорию для места проведения теста.
• Носите СИЗ — При работе с цепями под напряжением или выполнении испытаний на вращение потребуются защитные очки и изолирующие перчатки.

Шаг 1 — Визуальный осмотр: на что обратить внимание перед измерением

Тщательный визуальный осмотр занимает менее пяти минут и часто выявляет неисправность еще до того, как прибор будет взят в руки. Пропуск этого шага приведет к потере времени и может привести к упущению очевидных повреждений, которые не выявит одно лишь тестирование приборов.

Экстерьер и корпус

Осмотрите корпус двигателя на наличие трещин, следов подгорания, изменения цвета из-за перегрева и физических повреждений. Коричневое или черное изменение цвета вокруг вентиляционных отверстий. указывает на устойчивый перегрев, часто вызванный перегрузкой, блокировкой вентиляции или замыканием обмоток. Убедитесь, что все крепежные детали не повреждены и двигатель правильно совмещен с приводимой нагрузкой.

Клеммный блок и проводка

Осмотрите клеммную колодку на наличие коррозии, ослабленных соединений, следов подгорания и повреждения изоляции проводов. Ослабленные клеммы вызывают резистивный нагрев, который имитирует неисправности обмотки при электрических испытаниях. Оплавленная изоляция или следы подгорания на клеммной колодке указывают на события перегрузки или короткого замыкания в истории эксплуатации двигателя.

Доступ к щеткам и коммутатор (щеточные двигатели постоянного тока)

На коллекторных двигателях постоянного тока снимите крышки доступа к щеткам и проверьте длину щеток, натяжение пружины и состояние поверхности коллектора. Щетки изношены менее чем на треть от первоначальной длины. требуют немедленной замены. Поверхность коллектора должна быть гладкой, равномерно окрашенной в медный цвет, без задиров, выкрашиваний и чрезмерных отложений углерода. Темная, равномерно распределенная пленка на коллекторе – это нормально и полезно (так называемая «патина» или «глазурь»); неравномерные отложения, яркие пятна или узоры канавок указывают на проблемы.

Вал и подшипники

Поверните вал вручную. Он должен поворачиваться плавно, с постоянным легким сопротивлением. Шероховатости, шлифовка или твердые пятна указывают на повреждение подшипника. и требуют замены до того, как двигатель будет возвращен в эксплуатацию — вышедшие из строя подшипники вызывают аномальное потребление тока, вибрацию и в конечном итоге разрушают якорь. Проверить наличие осевого (сквозного) люфта вала; свободный ход более 0,5 мм в типичном двигателе указывает на износ подшипников.

Шаг 2 — Проверка сопротивления обмотки с помощью мультиметра

Испытание сопротивления обмотки является наиболее фундаментальным электрическим испытанием двигателя постоянного тока. Он обнаруживает обрывы цепей (обрывы обмоток), короткие замыкания между обмотками и — в сочетании с данными паспортной таблички двигателя — выявляет серьезные повреждения изоляции внутри самой обмотки.

Необходимое оборудование

Цифровой мультиметр настроен на функцию сопротивления (Ом). При очень низких значениях сопротивления (ниже 1 Ом, обычно в сильноточных обмотках якоря) четырехпроводный (Кельвин) измеритель сопротивления или специальный низкоомный омметр обеспечивает более точные показания за счет исключения сопротивления измерительного провода из измерения.

Процедура для коллекторных двигателей постоянного тока

1. Полностью отключив питание, установите цифровой мультиметр на самый низкий диапазон сопротивления, который соответствует ожидаемому значению.
2. Обнулите измерительный прибор (замкните измерительные провода и отметьте любое смещение; вычтите его из всех показаний).
3. Якорная обмотка : Поместите по одному щупу на каждую щетку (или на каждую клемму якоря). Медленно вращайте вал рукой, наблюдая за показаниями сопротивления. Показания должны плавно меняться — обычно между 0,5 Ом и 10 Ом для двигателей малого и среднего размера — циклическое изменение значений по мере того, как разные сегменты коллектора соприкасаются со щетками. Внезапный разрыв цепи (OL/бесконечное сопротивление) указывает на обрыв обмотки якоря. Значение, близкое к нулю (0 Ом) в любом положении, указывает на короткое замыкание между сегментами коммутатора.
4. Обмотка возбуждения (двигатели с последовательным или шунтирующим возбуждением): Измерьте расстояние между полевыми клеммами. Сопротивление должно быть стабильным и соответствовать заводской табличке или характеристикам производителя. Открытое показание указывает на поломку катушки возбуждения; значительно более низкое, чем ожидалось, значение указывает на закороченный виток обмотки возбуждения.

Процедура для бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC)

Двигатели BLDC имеют трехфазные обмотки статора (обозначенные U, V, W или A, B, C). Измерьте сопротивление между каждой парой клемм: U-V, V-W и U-W. Все три показания должны быть равны — обычно в пределах ±5% друг от друга и соответствуют спецификации производителя. Обрыв цепи (ОЛ) на любой фазе указывает на обрыв обмотки. Неравные показания указывают на частичное короткое замыкание или неисправность соединения в одной фазе. Ноль на любой фазе указывает на прямое короткое замыкание.

Шаг 3 — Проверка сопротивления изоляции (мегомметр)

Испытание сопротивления изоляции, обычно называемое «тестом мегомметра» по названию используемого прибора, измеряет сопротивление между обмотками двигателя и корпусом двигателя (землей). Он обнаруживает ухудшение изоляции, вызванное проникновением влаги, загрязнением, механическим повреждением и тепловым старением, прежде чем произойдет полный пробой изоляции (замыкание на землю).

Стандартный цифровой мультиметр не может надежно выполнить этот тест. Тестер сопротивления изоляции (мегаомметр) подает испытательное напряжение постоянного тока — обычно 500 В постоянного тока для двигателей напряжением до 1000 В. — и измеряет результирующий ток утечки для расчета сопротивления изоляции в МОм (МОм).

Процедура

1. Отключите двигатель от всех источников питания, а также от его контроллера или привода. Закоротите все клеммы двигателя вместе, чтобы образовать одну контрольную точку.
2. Подключите один провод мегомметра к закороченным клеммам двигателя, а другой — к корпусу двигателя (земля).
3. Подайте испытательное напряжение на 60 секунд и запишите показания сопротивления изоляции.
4. Для более детальной оценки запишите показания через 1 минуту и ​​10 минут. Соотношение (10-минутное чтение ÷ 1-минутное чтение) называется Индекс поляризации (PI) . PI выше 2,0 указывает на хорошую изоляцию; ниже 1,0 указывает на серьезное ухудшение изоляции.

Интерпретация результатов

Общие отраслевые рекомендации IEEE 43 заключаются в том, что сопротивление изоляции должно быть минимум 1 МОм на 1000 В номинального напряжения плюс 1 МОм . Для двигателя постоянного тока 24 В приемлемо сопротивление минимум примерно 1 МОм; для двигателя постоянного тока 500 В минимальное сопротивление составляет 1,5 МОм. На практике здоровый мотор должен читать значительно выше 100 МОм . Показания ниже 1 МОм указывают на непосредственный риск замыкания на землю; показания в диапазоне 1–10 МОм указывают на ухудшение изоляции, требующее мониторинга или устранения проблем.

Шаг 4. Испытание на холостом ходу: проверка тока, скорости и поведения

После прохождения стендовых электрических испытаний двигатель готов к контролируемому испытанию при включении питания в условиях холостого хода. Этот тест выявляет механические неисправности, проблемы с коммутацией и грубые электрические дисбалансы, которые не могут обнаружить тесты на статическое сопротивление.

Необходимое оборудование

Регулируемый источник постоянного тока (или номинальный источник питания двигателя), токовые клещи или последовательный амперметр для измерения тока и, опционально, тахометр для проверки скорости вала.

Процедура

1. Подайте номинальное напряжение на клеммы двигателя без механической нагрузки на вал. Используйте источник питания с ограничением тока, если он доступен, для защиты от скачков напряжения при запуске.
2. Наблюдайте за поведением при запуске. Двигатель должен плавно набирать скорость. Нерешительность, заикание или невозможность запуска с определенных положений вала. в щеточном двигателе указывает на проблемы с коллектором или щеткой.
3. Измерьте ток холостого хода с помощью клещей, как только двигатель достигнет постоянной скорости. Сравните со спецификациями тока холостого хода, указанными на паспортной табличке двигателя. Ток холостого хода значительно выше спецификации указывает на трение подшипника, закороченные витки или неправильное напряжение питания.
4. Измерьте скорость вала тахометром и сравните ее с номинальной скоростью, указанной на паспортной табличке (с поправкой на условия холостого хода — фактическая скорость холостого хода будет немного выше номинальной скорости нагрузки для коллекторных двигателей).
5. Прислушивайтесь к необычным звукам: скрежетунию (повреждению подшипника), прерывистым звукам искрения (проблемам с коммутацией), пронзительному вою (резонанс или дисбаланс) или ритмическому стуку (механический дисбаланс или эксцентричный ротор).
6. Дайте поработать 5–10 минут и проверьте температуру двигателя сенсорным или инфракрасным термометром. Повышенная температура в условиях холостого хода указывает на короткое замыкание обмоток, проблемы с подшипниками или недостаточную вентиляцию.

Шаг 5. Испытание противо-ЭДС: проверка целостности якоря

Тест противо-ЭДС (электродвижущей силы) измеряет напряжение, генерируемое двигателем при работе в качестве генератора, подтверждая, что обмотка якоря и магнитное поле производят ожидаемую мощность. Это особенно полезная диагностика для обнаружения закороченных витков якоря, которые могут быть пропущены при проверке сопротивления.

Процедура

1. Полностью отключите двигатель от источника питания.
2. Подключите мультиметр к напряжению постоянного тока на клеммах якоря двигателя.
3. Вращайте вал двигателя вручную с постоянной скоростью (или используйте дрель или второй двигатель, соединенный с валом, для более контролируемых результатов).
4. Наблюдайте за показаниями напряжения. Исправный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами должен генерировать измеримое напряжение постоянного тока, пропорциональное скорости вала — обычно в диапазоне несколько вольт на 1000 об/мин в зависимости от конструкции двигателя.

Очень низкие или нулевые показания противоЭДС при вращении вала подтверждают проблему с обмоткой якоря или, в двигателе с возбуждением, с обмоткой возбуждения. Слабое, но ненулевое показание может указывать на короткое замыкание витков якоря, уменьшающее количество эффективных витков в обмотке.

Шаг 6 — Тест потребления тока под нагрузкой

В ходе окончательного эксплуатационного испытания двигатель подключается к его фактической нагрузке или контролируемой испытательной нагрузке и измеряется потребление тока при номинальных рабочих условиях. Этот тест проверяет общее состояние двигателя в условиях, в которых он фактически будет эксплуатироваться.

Что измерять

• Ток полной нагрузки — Не должен превышать номинальный ток, указанный на паспортной табличке, более чем на 5–10 % в условиях номинальной нагрузки. Постоянно повышенный ток указывает на то, что нагрузка слишком велика, напряжение питания ниже допустимого или в двигателе имеется внутренняя неисправность, увеличивающая его потери.
• Пусковой (пусковой) ток — Двигатели постоянного тока потребляют значительно больший ток при запуске, чем при установившейся работе — обычно В 6–10 раз больше тока полной нагрузки для прямого запуска. Аномально низкий пусковой ток может указывать на наличие соединений с высоким сопротивлением; аномально высокий устойчивый ток после запуска указывает на механическое заедание или электрическую неисправность.
• Текущая пульсация или колебание — Плавное и стабильное потребление тока указывает на исправность двигателя. Периодические колебания тока, синхронизированные с вращением вала щеточного двигателя, указывают на проблемы в сегменте коллектора или неравномерное сопротивление обмотки.

Справочная таблица диагностики неисправностей двигателя постоянного тока

В следующей таблице показаны распространенные симптомы двигателей постоянного тока, их наиболее вероятные причины и метод проверки, который подтверждает или исключает каждую неисправность:

Тестирование двигателей BLDC: дополнительные соображения

Бесщеточные двигатели постоянного тока используют описанные выше испытания на сопротивление обмотки и изоляции, но требуют дополнительных проверок, специфичных для их электронной системы коммутации.

Тестирование датчика Холла

В большинстве двигателей BLDC используются три датчика Холла для определения положения ротора и подачи сигнала контроллеру двигателя, когда переключать ток между фазами. Для проверки датчиков Холла: подайте напряжение 5 В постоянного тока на контакт питания датчика (Vcc) и заземлите, затем медленно вращайте вал двигателя, контролируя выходной контакт каждого датчика с помощью мультиметра в режиме напряжения постоянного тока. Каждый датчик должен четко переключаться между примерно 0 В (низкий уровень) и 5 В (высокий уровень). при прохождении магнита ротора. Датчик, который постоянно показывает высокий или низкий уровень напряжения или выдает промежуточное напряжение, неисправен и должен быть заменен.

Межфазный баланс индуктивности

Для более детальной оценки состояния обмотки статора BLDC измеритель LCR может измерять индуктивность между каждой парой фаз (U-V, V-W, U-W). Как и в случае с сопротивлением, все три показания должны быть примерно равны — обычно в пределах ±5% друг от друга . Значительный дисбаланс индуктивностей между фазами указывает на частичное короткое замыкание или повреждение обмотки в одной фазе.

Проверка формы волны противо-ЭДС

Когда двигатель BLDC вращается извне, каждая фаза генерирует сигнал обратной ЭДС. Использование осциллографа для одновременного контроля всех трех фаз во время вращения вала четко выявляет неисправности обмотки: три формы сигнала должны быть идентичны по амплитуде и разделены по времени 120°. . Форма сигнала с уменьшенной амплитудой на одной фазе подтверждает наличие короткого замыкания витков в этой фазе. Этот тест особенно полезен для дорогостоящих двигателей BLDC, где необходима точная локализация неисправности перед ремонтом или заменой.

Когда ремонтировать или заменять двигатель постоянного тока

После завершения последовательности испытаний решение о ремонте или замене зависит от выявленной неисправности, размера и стоимости двигателя, а также наличия запасных частей.

• Замените щетки и очистите коллектор. — Всегда экономически выгодно для коллекторных двигателей постоянного тока. Этот ремонт решает большинство проблем с прерывистой работой, искрением и снижением производительности коллекторных двигателей и находится в пределах возможностей компетентного технического специалиста.
• Заменить подшипники — Экономичность для средних и больших двигателей. Замена подшипников восстанавливает плавность работы и предотвращает вторичное повреждение обмоток из-за вибрации. Для моторов малой мощности общая стоимость ремонта может приближаться к стоимости замены — оценивайте индивидуально.
• Перемотка якоря или статора — Экономически оправдано только для больших и дорогостоящих двигателей (обычно свыше 5 кВт). На большинстве рынков перемотка небольшого двигателя постоянного тока обходится дороже, чем покупка замены. Для промышленных двигателей перемотка в специализированном автосервисе является стандартной практикой.
• Замените двигатель — Правильное решение для маломощных двигателей с закороченными обмотками или сильным пробоем изоляции, а также для любого двигателя, у которого совокупная стоимость ремонта превышает 50% стоимости замены. Задокументируйте режим неисправности, чтобы определить двигатель для замены — если отказ произошел из-за систематической перегрузки или неподходящего класса IP для окружающей среды, та же неисправность повторится при прямой замене без устранения основной причины.