Maintenance Guides 1 min read

Diagnosis and elimination of overheating of electric motors: thermal imaging analysis, current measurement, and insulation condition assessment

Technical analysis: Troubleshooting electric motor overheating: thermal imaging, current analysis, ventilation check, an

Diagnosis and elimination of overheating of electric motors: thermal imaging analysis, current measurement, and insulation condition assessment

1. Опис проблеми та область застосування

Перегрів промислових асинхронних електродвигунів (класи енергоефективності IE2–IE4) є однією з найпоширеніших причин передчасного виходу обладнання з ладу на підприємствах України. Підвищення робочої температури обмоток вище номінального значення скорочує ресурс ізоляції вдвічі при кожних 10 K перевищення (правило Арреніуса). Цей посібник охоплює трифазні низьковольтні електродвигуни (0,75–315 кВт, 380/660 В), які експлуатуються у складі насосних агрегатів, вентиляторів, компресорів та конвеєрів у важкій промисловості, машинобудуванні та харчовій галузі.

Класифікація ступеня критичності:

  • Критичний (Клас А): Температура корпусу > 85 °C для класу ізоляції B, > 95 °C для класу F, або срацьовування датчиків PTC/Pt100. Вимагає негайного аварійного зупину для запобігання міжвитковому замиканню та плавленню ізоляції.
  • Значний (Клас B): Перевищення номінального струму однієї чи кількох фаз на 10-15%, температура обмоток на 15-20 °C вище паспортних даних при номінальному навантаженні. Потребує проведення діагностики протягом 24-48 годин.
  • Мінімальний (Клас C): Локальний нагрів підшипникового вузла або незначне засмічення ребер охолодження. Усувається під час планового технічного обслуговування.

2. Запобіжні заходи та безпека

УВАГА! НЕБЕЗПЕКА УРАЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИМ СТРУМОМ ТА РУХОМИМИ ЧАСТИНАМИ!

Перед початком будь-ких діагностичних робіт на працюючому обладнанні з відкритими захисними кожухами персонал зобов’язаний пройти інструктаж та дотримуватися правил безпеки згідно з НПАОП 40.1.1-1.21 та EN 50110 (Безпека при роботі з електроустановками).

  • Виконайте процедуру Lockout/Tagout (LOTO) на вводі живлення перетворювача частоти або комутаційного апарата.
  • Застосовуйте засоби індивідуального захисту (ЗІЗ): діелектричні рукавички (клас 0), захисні окуляри, термостійкий одяг (EN ISO 11612) при роботі з гарячими поверхнями (понад 60 °C).
  • Пам’ятайте про залишкову ємність силових конденсаторів у частотних перетворювачах — зачекайте мінімум 5 хвилин після зняття напруги перед відкриттям клемної коробки та перевірте відсутність напруги мультиметром.

3. Необхідні діагностичні інструменти

Назва інструменту Специфікація / Модель Діапазон вимірювань Призначення
Тепловізор Fluke Ti480 PRO / Testo 883 (або еквівалент) -20 °C … +650 °C, роздільна здатність від 320×240 Виявлення гарячих точок на корпусі, обмотках та підшипниках
Струмові кліщі (True RMS) Fluke 376 FC / Chauvin Arnoux F407 0 … 1000 A AC/DC, точність ±1.5% Вимірювання фазних струмів, дисбалансу та пускових характеристик
Мегаомметр (Випробувач ізоляції) Megger MIT420 / Fluke 1507 До 10 ГОм, випробувальна напруга 250V, 500V, 1000V Вимірювання опору ізоляції обмоток та індексу поляризації (PI)
Цифровий мультиметр Fluke 87V Industrial 0 … 1000 В, 0 … 50 МОм, 0 … 10 А Перевірка опору обмоток постійному струму (омметр)
Анемометр / Вимірювач потоку Testo 410-2 0 … 20 м/с, -10 … +50 °C Контроль ефективності зовнішнього охолодження (повітряного потоку)

4. Початковий чек-лист оцінки стану

Параметр для перевірки Метод перевірки Норма / Допустиме значення Зафіксований стан (Факт)
Умови навколишнього середовища Вимірювання термометром навколо двигуна T < 40 °C, відсутність теплових завад від сусіднього обладнання [ ] Зафіксувати
Чистота оребрення охолодження Візуальний огляд ребер корпусу та захисного кожуха вентилятора Повна відсутність пилу, бруду, мастила та сторонніх предметів [ ] Зафіксувати
Наявність незвичних звуків / вібрацій Аудіоконтроль, ручний віброграф Загальна вібрація за ISO 10816-3 (Клас I/II) < 2.8 мм/с RMS [ ] Зафіксувати
Параметри мережі живлення Вимірювання напруги на клемній коробці двигуна Відхилення напруги не більше ±5% від номіналу, асиметрія < 1% [ ] Зафіксувати
Історія помилок та навантаження Аналіз SCADA / журналів перетворювача частоти Відсутність частих пусків (не більше 3-4 на годину для двигунів до 55 кВт) [ ] Зафіксувати

5. Систематична блок-схема діагностики

  • Симптом: Аномальне підвищення температури корпусу електродвигуна
    • Крок 1. Виконати тепловізійну зйомку та виміряти струми навантаження по всіх трьох фазах.
      • IF: Температура рівномірно підвищена по всьому корпусу, а струми перевищують номінальне значення (I > 1.05 * I_nom)
        • Перевірити механічне навантаження та технологічний процес (підвищений опір на валу, заклинювання підшипників, загустіле мастило).
          • IF навантаження в нормі -> Перевірити якість електроживлення (асиметрія напруг, вищі гармоніки від ПЧ).
            • IF напруга збалансована -> Проблема у внутрішньому стані обмоток (міжвиткове замикання). Перевірити опір обмоток та ізоляцію.
      • IF: Температура підвищена локально (в районі заднього підшипника, переднього підшипника або певної ділянки обмотки)
        • Перевірити підшипникові вузли віброавлізом та термограмою.
          • IF локальний нагрів у підшипнику -> Нестача або деградація мастила, перетягнутий натяг ременів, перекіс вала.
          • IF локальний нагрів у клемній коробці -> Ослаблення контактних з’єднань, окислення кабельних наконечників.
      • IF: Температура корпусу висока, а струми у нормі або нижчі за номінал
        • Перевірити систему охолодження двигуна.
          • Заблокований повітрозабірник, пошкоджені або відсутні лопаті зовнішнього вентилятора, забруднені ребра охолодження.
            • IF вентиляція справна -> Неправильно підібраний клас ізоляції для поточних умов (робота на висоті понад 1000 м над рівнем моря без зниження потужності).

6. Матриця несправностей та причин (Fault-Cause Matrix)

Симптом Ймовірні причини (за рангом ймовірності) Діагностичний тест Очікуваний результат при підтвердженні причини
Рівномірний перегрів двигуна, струми перевищують номінал 1. Перевантаження механізму
2. Зниження напруги живлення
3. Часті пуски/реверси		 Вимірювання струму кліщами, контроль тиску/витрати в системі, перевірка мережі Струм фаз > 110% від $I_{nom}$, температура обмоток > класу ізоляції
Перегрів з асиметрією струмів по фазах (> 2-3%) 1. Перекіс фазних напруг у мережі
2. Обрив або високий перехідний опір в одній фазі
3. Міжвиткове замикання в обмотці статора		 Вимірювання напруги та струмів у всіх фазах, вимірювання опору обмоток $R_{12}, R_{23}, R_{31}$ Різниця опорів обмоток перевищує 2%, асиметрія струмів вища за асиметрію напруг у 3–4 рази
Локальний нагрів у зоні клемної коробки 1. Ослаблення болтових з’єднань
2. Окислення або неправильний обжим кабельних наконечників		 Тепловізійний контроль (дельта T > 30 °C порівняно з сусідніми клемами), інспекція під навантаженням Виявлення гарячої точки на конкретному контакті, падіння напруги на контакті > 50 мВ
Локальний нагрів у районі підшипникових щитів 1. Перевищення кількості або висихання мастила
2. Знос підшипника кочення
3. Перетяжка ремінної передачі / перекіс муфти		 Вимірювання вібрації (спектральний аналіз), термографія підшипникового вузла Високий рівність вібрації на оборотних частотах та частотах дефекту підшипника (BPFI/BPFO)
Перегрів при нормальних струмах та навантаженні 1. Забруднення ребер охолодження
2. Зламані лопаті зовнішнього вентилятора
3. Знижена ефективність обдуву		 Візуальний огляд, вимірювання швидкості повітряного потоку анемометром Відсутність спрямованого потоку повітря уздовж корпусу, швидкість < 2 м/с

7. Аналіз першопричин кожної несправності

7.1. Міжвиткове замикання в обмотці статора

Чому виникає: Виникає через руйнування лакової ізоляції дротів внаслідок тривалого термічного перенапруження, вібраційних навантажень або комутаційних перенапруг (особливо при роботі від перетворювачів частоти без синус-фільтрів, коли фронт імпульсу $du/dt$ перевищує 5 кВ/мкс).

Як підтвердити: Вимірювання опору обмоток постійному струму мікроомметром (розбіжність між фазами має бути менше 1–2%). Вимірювання індуктивності фаз при заблокованому роторі або за допомогою спеціальних тестерів обмоток (наприклад, імпульсним методом). Опір ізоляції (мегаомметром на 1000 В) може залишатися в нормі до моменту пробою на корпус.

Яку шкоду завдає: Призводить до локального виділення надлишкового тепла, плавлення міді, переходу у фазне або трифазне коротке замикання з повним вигоранням обмоток статора та пошкодженням пакету заліза.

7.2. Асиметрія напруги живлення

Чому виникає: Нерівномірний розподіл однофазних навантажень у розподільчій мережі підприємства, несправність трансформаторів підстанції або поганий контакт на комутаційних апаратах (автоматичних вимикачах, контакторах).

Як підтвердити: За формулою коефіцієнта асиметрії за напругою зворотної послідовності (згідно з EN 50160). Незначний перекіс напруги на вводі (наприклад, 2-3%) викликає дисбаланс струмів у обмотках двигуна у 6-10 разів більший (до 15-20%), створюючи гальмівний момент зворотної послідовності та додаткові втрати у роторі.

Яку шкоду завдає: Збільшення тепловиділення в роторі та статорі, вібрація на подвійній частоті мережі (100 Гц), передчасне старіння ізоляції.

7.3. Деградація підшипникового вузла

Чому виникає: Перевищення інтервалів змащування, використання несумісних мастил, потрапляння вологи чи абразивного пилу, а також надмірний натяг ременів у ремінних передачах.

Як підтвердити: Спектральний аналіз вібрації (виявлення піків на високих частотах у діапазоні від 1 кГц до 10 кГц) та тепловізійне сканування (температура кришки підшипника вища за 75 °C або перевищує температуру статора).

Яку шкоду завдає: Збільшення сил тертя призводить до генерації тепла, яке передається на вал і статор, заклинювання ротора, руйнування посадкових місць у підшипникових щитах.

8. Покрокові процедури усунення несправностей

Процедура 1: Усунення наслідків ослаблення контактів у клемній коробці

  1. Виконати блокування живлення LOTO та перевірити відсутність напруги на клемах.
  2. Демонтувати кришку клемної коробки, перевірити стан ізоляційних прокладок та клемних колодок на наявність слідів обуглювання.
  3. Демонтувати силові кабельні наконечники, зачистити контактні поверхні до металевого блиску за допомогою дрібнозернистої наждачної шкурки (зернистість P240) та знежирити технічним спиртом.
  4. Виконати переобжим кабельних наконечників із використанням гідравлічного преса (для перетинів понад 10 мм²) згідно з вимогами DIN 46235.
  5. Затягнути болтові з’єднання з використанням динамометричного ключа відповідно до регламентованих моментів затяжки:
    • М4: 1.5 – 2.0 Нм
    • М5: 2.5 – 3.0 Нм
    • М6: 4.0 – 5.0 Нм
    • М8: 10.0 – 12.0 Нм
    • М10: 20.0 – 25.0 Нм
  6. Верифікація після ремонту: Виконати тепловізійний контроль через 30 хвилин роботи двигуна під номінальним навантаженням. Перехідний опір контакту має становити менше 50 мікроом, а дельта температур між фазними клемами — не більше 2 °C.

Процедура 2: Відновлення системи охолодження електродвигуна

  1. Вимкнути живлення електродвигуна (LOTO).
  2. Демонтувати захисний кожух вентилятора.
  3. Очистити ребра охолодження корпусу від забруднень за допомогою стисненого повітря (тиск до 6 бар) та промислових миючих засобів (за необхідності видалення олійних плівок).
  4. Оглянути лопаті зовнішнього пластикового або алюмінієвого вентилятора на наявність тріщин, сколів або ослаблення посадки на валу. У разі деформації — замінити вентилятор.
  5. Змонтувати захисний кожух, дотримуючись мінімального зазору між лопатями та кожухом (зазор має бути рівномірним по колу, мінімум 3–5 мм).
  6. Верифікація після ремонту: Запустити двигун, виміряти швидкість повітряного потоку анемометром вздовж ребер охолодження. Швидкість потоку має відповідати паспортним даним виробника (зазвичай не менше 8–12 м/с на виході з кожуха).

9. Профілактичні заходи

Першопричина Стратегія запобігання Метод моніторингу Рекомендований інтервал
Теплові перевантаження Контроль струму у стаціонарних режимах, налаштування теплових реле та захисту ПЧ SCADA / Неперервний моніторинг струму та температурних датчиків (Pt100) Постійно / щозміни
Забруднення охолодження Планове очищення ребер та вентиляційних отворів Візуальний огляд, щомісячний термоаудит Щомісячно (або раз на тиждень у запилених цехах)
Деградація ізоляції Контроль опору ізоляції та індексу поляризації (PI) Вимірювання мегаомметром Кожні 6 місяців (перед/після сезонних піків)
Знос підшипникових вузлів Дотримання регламенту змащування, контроль вібрації Віброакустичний моніторинг (спектральний аналіз) Щомісячно для критичного обладнання

10. Запасні частини та компоненти

Опис деталі Специфікація Коли замінювати Категорія UNITEC
Підшипники кочення (радіально-кулькові) SKF / FAG серії 62xx, 63xx (C3 зазор) Після 25 000 – 40 000 годин роботи або при появі вібрації та шумів Підшипники та приводні елементи
Зовнішні вентилятори охолодження Пластикові / алюмінієві для асинхронних двигунів габаритів 80–355 При механічних пошкодженнях лопатей або тріщинах Компоненти систем охолодження
Датчики температури обмоток Терморезистори Pt100 / позитори PTC (130°C, 155°C) При виході з ладу, обриві кола або під час капітального ремонту Датчики та контрольно-вимірювальні прилади
Клемні колодки та накінечники Керамічні/пластикові клемні блоки, мідні луджені наконечники DIN При слідах термічного пошкодження або окислення Електротехнічні компоненти

Для підбору сумісних запасних частин, термодатчиків, підшипників та компонентів систем охолодження для промислових електродвигунів від провідних європейських виробників відвідайте електронний каталог UNITEC-D GmbH: https://www.unitecd.com/e-catalog/.

11. Посилання та нормативна база

  • ДСТУ IEC 60034-1:2016 — Машини електричні обертові. Номінальні дані та робочі характеристики.
  • EN 60034-8 — Машини електричні обертові. Позначення виводів та напрямок обертання.
  • ISO 10816-3 — Вібраційний контроль механізмів за допомогою вимірювання на неробочих поверхнях.
  • EN 50110 — Експлуатація електроустановок.
  • Технічні регламенти ЄС: CE Marking Directive, Low Voltage Directive 2014/35/EU.

Related Articles