13 häufige Gründe für Motorausfälle

Worauf Sie achten müssen und wie Sie die Betriebszeit von Anlagen verbessern

Motoren werden überall in industriellen Umgebungen verwendet und werden zunehmend komplexer und technisch aufwendiger. Deswegen ist es manchmal eine echte Herausforderung, ihre optimale Funktion langfristig zu gewährleisten. Es ist zu bedenken, dass die Ursachen für Motor- und Antriebsprobleme nicht auf ein Fachgebiet begrenzt sind – sowohl mechanische als auch elektrische Fehler können zu einem Ausfall des Motors führen. Über das passende Wissen zu verfügen, kann hier den Unterschied zwischen kostspieliger Ausfallzeit und verbesserter Betriebszeit von Anlagen ausmachen.

Beschädigungen an der Wicklungsisolation und Verschleiß von Lagern sind die beiden häufigsten Ursachen für Motorausfälle, doch diese Zustände treten aus vielen verschiedenen Gründen auf. In diesem Artikel wird dargelegt, wie die 13 häufigsten Ursachen von Wicklungsisolation- und Lagerausfällen im Vorhinein erkannt werden können.

1

Spannungstransienten

Spannungstransienten können eine Reihe von Ursachen entweder innerhalb oder außerhalb der Anlage haben. Anschlusslasten, die einoder ausgeschaltet werden, Blindleistungskompensatorgruppen oder auch weit entfernte Wetterverhältnisse können Spannungstransienten in Energieverteilungssystemen erzeugen. Diese Transienten, die in Amplitude und Frequenz variieren, können eine Materialschädigung oder einen Isolationsdurchschlag in Motorwicklungen verursachen. Es kann schwierig sein, die Quelle dieser Transienten zu ermitteln, da sie unregelmäßig auftreten und ihre Symptome sich unterschiedlich äußern. Transienten können beispielsweise auf Steuerleitungen auftreten, die nicht unbedingt eine Beschädigung von Geräten zur Folge haben müssen, aber den Betrieb unterbrechen können.

Auswirkung: Ein Ausfall der Motorwicklungsisolation führt zu einem frühzeitigen Motorausfall und ungeplanter Ausfallzeit.

Instrument für die Messung und Diagnose: Dreiphasen-Netz- und -Stromversorgungsanalysator Fluke 435-II

Kritikalität: hoch

2

Spannungsunsymmetrie

Dreiphasige Stromversorgungssysteme bedienen oft einphasige Lasten. Eine Unsymmetrie in der Impedanz- oder Lastverteilung kann zu einer Unsymmetrie aller drei Phasen beitragen. Potenzielle Fehler können in der Motorverkabelung, den Anschlüssen am Motor und möglicherweise den Wicklungen selbst liegen. Diese Unsymmetrie kann zu Belastungen in jedem der Phasenstromkreise in einem dreiphasigen Stromversorgungssystem führen. Im einfachsten Fall sollten die Spannungen an allen drei Phasen gleich sein.

Auswirkung: Unsymmetrie erzeugt einen übermäßigen Stromfluss in einer oder mehreren Phasen, der dann die Betriebstemperaturen erhöht, was zu einer Beschädigung der Isolation führt.

Instrument für die Messung und Diagnose: Dreiphasen-Netz- und -Stromversorgungsanalysator Fluke 435-II

Kritikalität: mittel

3

Oberschwingungen

Einfach gesagt sind Oberschwingungen alle nicht gewünschten zusätzlichen Wechselspannungen oder -ströme mit hoher Frequenz, die die Motorwicklungen mit Energie versorgen. Diese zusätzliche Energie wird nicht dazu verwendet, die Motorwelle zu drehen, sondern zirkuliert in den Wicklungen und trägt letztlich zu internen Energieverlusten bei. Diese Verluste werden in Form von Wärme abgeführt, die mit der Zeit die Isolierfähigkeit der Wicklungen zerstört. Oberschwingungen sind beim Strom in Systemen mit elektronischen Lasten normal. Zur Untersuchung der Oberschwingungen und Messung des Klirrfaktors überwachen Sie die Strömeel und Temperaturen an den Transformatoren mithilfe eines Netz- und Stromversorgungsanalysators, um sicherzugehen, dass sie nicht übermäßig belastet werden. Jede Oberschwingung hat einen anderen akzeptablen Wert für den Klirrfaktor, der durch Normen wie IEEE 519-1992 festgelegt ist.

Auswirkung: Ein Abfall der Motoreffizienz führt zu zusätzlichen Kosten und höheren Betriebstemperaturen.

Instrument für die Messung und Diagnose: Dreiphasen-Netz- und -Stromversorgungsanalysator Fluke 435-II

Kritikalität: mittel

4

Reflexionen an PWM-Signalen am Ausgang des Antriebs

Frequenzumrichter nutzen ein Impulsbreitenmodulationsverfahren (PWM), um die Ausgangsspannung und Frequenz an einen Motor zu steuern. Reflexionen werden dort erzeugt, wo eine Impedanzfehlanpassung zwischen Quelle und Last besteht. Impedanzfehlanpassungen können als Resultat einer unsachgemäßen Installation, Auswahl unpassender Komponenten oder langfristigen Geräteverschlechterung auftreten. In einem Motorantriebsschaltkreis kann der Spitzenwert der Reflexion so hoch wie der Spannungspegel des DC-Zwischenkreises ein.

Auswirkung: Isolationsdurchschlag an den Motorwicklungen führt zu ungeplanter Ausfallzeit

Instrument zur Messung und Diagnose: Fluke ScopeMeter® der Serien 190-204 (tragbare 4-Kanal-Oszilloskope mit schneller Abtastrate).

Kritikalität: hoch

5

Summenstrom (Sigma-Strom)

Summenströme (Sigma-Ströme) sind im Wesentlichen Streuströme, die in einem System zirkulieren. Die Summenströme werden als Resultat aus Signalfrequenz, Spannungspegel, Kapazität und Induktivität in Leitern erzeugt. Diese zirkulierenden Ströme können durch Schutzleitersysteme fließen und ein Auslösen der Leistungsschalter oder in einigen Fällen Überhitzung in den Wicklungen verursachen. Summenstrom kann in der Motorverkabelung auftreten und setzt sich aus der Summe der Ströme der drei Phasen an einem gegebenen Zeitpunkt zusammen. In einer idealen Situation wäre die Summe der drei Ströme gleich null. Mit anderen Worten, der Rückstrom vom Antrieb entspräche dem Strom zum Antrieb. Summenstrom kann auch durch asymmetrische Signale in mehreren Leitern, die kapazitiv Ströme in die Erdungsleitung einkoppeln können, beschrieben werden.

Auswirkung: Scheinbar unerklärliche Stromkreisabschaltung wegen Stromfluss durch den Schutzleiter

Instrument zur Messung und Diagnose: Tragbares isoliertes Vierkanal-Oszilloskop Fluke ScopeMeter der Serien 190-204 mit Strommesszange (Fluke i400S o. ä.) mit großer Bandbreite (10 kHz).

Kritikalität: gering

6

Betriebsbedingte Überlasten

Eine Motorüberlast tritt auf, wenn der Motor einer übermäßigen Belastung ausgesetzt ist. Die primären Symptome, die eine Motorüberlast begleiten, sind übermäßige Stromaufnahme, unzureichendes Drehmoment und Überhitzung. Eine Motorüberhitzung ist die Hauptursache für Motorausfälle. Im Falle eines überlasteten Motors können einzelne Motorkomponenten einschließlich Lagern, Motorwicklungen und anderer Komponenten einwandfrei funktionieren, aber der Motor wird weiterhin heiß laufen. Deshalb ist es sinnvoll, Ihre Fehlersuche mit einer Überprüfung auf Last Motorüberlastung zu beginnen. Da 30 % der Motorausfälle durch Überlast verursacht werden, ist es wichtig zu wissen, wie man Motorüberlast messen sollte und wie man sie erkennt

Auswirkung: frühzeitige Abnutzung elektrischer und mechanischer Komponenten, die zu dauerhaftem Ausfall führt

Instrument zur Messung und Diagnose: Digitalmultimeter Fluke 289

Kritikalität: hoch

7

Ausrichtungsfehler

Ausrichtungsfehler treten auf, wenn die Motorantriebswelle nicht ordnungsgemäß an der Last ausgerichtet ist, oder die Komponente, die den Motor an die Lasten koppelt, nicht korrekt ausgerichtet ist. Viele Fachleute glauben, dass eine flexible Kupplung Ausrichtungsfehler behebt und kompensiert. Eine flexible Kupplung schützt jedoch nur die Kupplung vor Ausrichtungsfehlern. Selbst mit einer flexiblen Kupplung überträgt eine nicht korrekt ausgerichtete Welle schädliche Kräfte entlang der Welle und in den Motor, was zu übermäßigem Motorverschleiß und einer höheren mechanischen Last führt. Darüber hinaus können Ausrichtungsfehler Schwingungen sowohl in der Last und in der Motorantriebswelle erzeugen. Es gibt mehrere Arten von Ausrichtungsfehlern:

• Winkelversatz: Die Mittellinien der Wellen überschneiden sich, sind aber nicht parallel.
• Parallelversatz: Die Mittellinien der Wellen sind parallel, aber nicht konzentrisch.
• Gemischter Versatz: eine Kombination aus Winkel- und Parallelversatz. (Hinweis: Fast alle Ausrichtungsfehler sind gemischter Versatz, Fachleute sprechen aber von zwei verschiedenen Ausrichtungsfehlertypen, da es einfacher ist, einen Versatz durch die separate Korrektur der parallelen und abgewinkelten Komponenten zu beheben.)

Auswirkung: vorzeitige Abnutzung in mechanischen Antriebskomponenten, die zu vorzeitigen Ausfällen führt

Instrument zur Messung und Diagnose: Laser-Wellenausrichtungsgerät Fluke 830

Kritikalität: hoch

8

Wellenunwucht

Unwucht ist ein Zustand eines drehenden Teils, bei dem die Masse nicht gleichmäßig auf der Drehachse verteilt ist. Mit anderen Worten, irgendwo auf dem Rotor gibt es einen schweren Punkt. Man kann Motorunwuchten zwar nie vollständig beheben, man kann aber feststellen, wann sich eine Unwucht außerhalb des normalen Rahmens bewegt und Maßnahmen zur Korrektur ergreifen. Eine Unwucht kann durch viele Faktoren hervorgerufen werden:

• Schmutzansammlungen
• Fehlende Ausgleichsgewichte
• Herstellungsabweichungen
• Ungleichmäßige Masseverteilung in Motorwicklungen und andere verschleißbedingte Faktoren.

Ein Schwingungsmessgerät oder -analysator kann Ihnen dabei helfen, zu bestimmen, ob eine sich drehende Maschine eine unzulässig hohe Unwucht aufweist.

Auswirkung: vorzeitige Abnutzung in mechanischen Antriebskomponenten, die zu vorzeitigen Ausfällen führt

Instrument zur Messung und Diagnose: Schwingungsmessgerät Fluke 810

Kritikalität: hoch

9

Wellenlockerung

Lockere Teile treten auf, wenn ein übermäßiger Abstand („Spiel“) zwischen Teilen vorhanden ist. Lockere Teile können an verschiedenen Stellen auftreten.

• Eine drehende Lockerung wird durch einen übermäßigen Abstand zwischen den drehenden und feststehenden Elementen der Maschine verursacht, z. B. in einem Lager.
• Eine nicht drehende Lockerung ist eine Lockerung zwischen zwei normalerweise feststehenden Teilen, wie z. B. einem Fuß und Fundament oder einem Lagergehäuse und einer Maschine.

Wie bei allen anderen Quellen von lockeren Teilen ist es wichtig zu wissen, wie man lockere Teile identifiziert und das Problem löst, um finanzielle Verluste zu vermeiden. Ein Schwingungsmessgerät oder -analysator kann bestimmen, ob eine sich drehende Maschine lockere Teile aufweist oder nicht.

Auswirkung: beschleunigte Abnutzung an sich drehenden Komponenten, die zu mechanischen Ausfällen führt

Instrument zur Messung und Diagnose: Schwingungsmessgerät Fluke 810

Kritikalität: hoch

10

Lagerverschleiß

Ein ausgefallenes Lager führt zu einer erhöhten Energieaufnahme, strahlt mehr Wärme ab und ist wegen eines Problems mit Mechanik, Schmierung oder Abnutzung weniger effizient. Ein Lagerausfall kann verschiedene Ursachen haben:

• eine höhere Last als die Nennleistung
• mangelhafte oder falsche Schmierung
• unzureichende Abdichtung
• falsche Ausrichtung der Welle
• falscher Sitz
• normale Abnutzung
• induzierte Wellenspannungen

Wenn ein Lager ausfällt, verursacht dies einen Dominoeffekt, der einen Motorausfall beschleunigt. 13 % der Motorausfälle werden durch Lagerausfälle verursacht, und mehr als 60 % der mechanischen Ausfälle in einer Anlage werden durch den Verschleiß von Lagern verursacht. Es ist also wichtig zu wissen, wie dieses potenzielle Problem zu beheben ist.

Auswirkung: beschleunigte Abnutzung an sich drehenden Komponenten, die zu mechanischen Ausfällen führt

Instrument zur Messung und Diagnose: Schwingungsmessgerät Fluke 810

Kritikalität: hoch

11

Kippfuß

Kippfuß bezieht sich auf einen Zustand, bei dem die Montagefüße eines Motors oder einer angetriebenen Komponente uneben sind oder die Montagefläche, auf der die Maschinenfüße aufliegen, nicht eben ist. Dieser Zustand kann eine frustrierende Situation hervorrufen, in der ein Anziehen der Befestigungsschrauben an den Füßen neue Spannungen und Ausrichtungsfehler verursacht. Ein Kippfuß entsteht oft zwischen zwei diagonal positionierten Befestigungsschrauben – ähnlich einem wackelnden Stuhl oder Tisch, der in diagonaler Richtung kippelt. Es gibt zwei Arten von Kippfüßen.

• Paralleler Kippfuß: Ein paralleler Kippfuß tritt auf, wenn einer der Montagefüße höher sitzt als die anderen drei.
• Angewinkelter Kippfuß: Ein angewinkelter Kippfuß entsteht, wenn einer der Montagefüße nicht parallel zur oder „normal“ in Bezug auf die Montagefläche ist.

In beiden Fällen kann ein Kippfuß entweder durch eine Unregelmäßigkeit an den Montagefüßen oder an der Montagefläche, auf der die Füße stehen, verursacht werden. In beiden Fällen muss ein Kippfußzustand erkannt und behoben werden, bevor eine korrekte Wellenausrichtung erzielt werden kann. Ein hochwertiges Laser-Ausrichtungsgerät kann normalerweise bestimmen, ob ein Kippfußproblem an einer bestimmten sich drehenden Maschine besteht.

Auswirkung: Ausrichtungsfehler mechanischer Antriebskomponenten

Instrument zur Messung und Diagnose: Laser-Wellenausrichtungsgerät Fluke 830

Kritikalität: mittel

12

Rohrbelastung

Rohrbelastung bezieht sich auf den Zustand, bei dem neue Belastungen, Beanspruchungen und Kräfte, die auf die restlichen Geräte und die Infrastruktur wirken, zurück an den Motor und das Getriebe übertragen werden, um einen Zustand der falschen Ausrichtung herbeizuführen. Das geläufigste Beispiel dafür ist in einfachen Motor-/Pumpenkombinationen etwas, das Kraft auf die Rohrleitungen ausübt, wie z. B.:

• eine Verschiebung des Fundaments
• ein neu installiertes Ventil oder ein anderes Bauteil
• ein Objekt, das auf ein Rohr aufschlägt, es verbiegt oder einfach Druck darauf ausübt
• kaputte oder fehlende Rohraufhängungen oder Wandhalterungen

Diese Kräfte können einen Winkelversatz an der Pumpe verursachen, was wiederum dazu führt, dass die Motor-/Pumpenwelle falsch ausgerichtet ist. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Ausrichtung der Maschine nicht bei der Inbetriebnahme, sondern auch später regelmäßig zu überprüfen – eine präzise Ausrichtung ist ein vorübergehender Zustand, der sich mit der Zeit ändern kann.

Auswirkung: falsche Wellenausrichtung und daraus resultierende Belastungen sich drehender Komponenten, was zu vorzeitigen Ausfällen führt

Instrument zur Messung und Diagnose: Laser-Wellenausrichtungsgerät Fluke 830

Kritikalität: gering

13

Wellenspannung

Wenn Motorwellenspannungen die Isolierfähigkeit der Lager- schmierung übersteigen, treten Funkenüberschläge an das äußere Lager auf, wodurch Lochfraß und Rillenbildung an den Laufringen entstehen. Die ersten Anzeichen dieses Problems sind Rauschen und Überhitzung, da die Lager anfangen, ihre ursprüngliche Form zu verlieren und sich Metallbruchstücke mit der Schmierung mischen und die Reibung im Lager erhöhen. Dies kann das Lager innerhalb weniger Monate des Motorbetriebs zerstören. Der Ausfall von Lagern ist ein kostspieliges Problem sowohl bezüglich Reparatur als auch Ausfallzeit, daher ist seine Vermeidung mithilfe der Messung der Wellenspannung und des Lagerstroms ein wichtiger Diagnoseschritt. Wellenspannung ist nur vorhanden, während der Motor Spannung führt und sich dreht. Eine Karbon-Bürsten-Messsonde ermöglicht Ihnen die Messung der Wellenspannung bei einem sich drehenden Motor.

Auswirkung: Funkenbildung an Lageroberflächen erzeugen Lochfraß und geriffelte Oberflächen, was zu übermäßigen Schwingungen und letztlich zum Ausfall des Lagers führt.

Instrument zur Messung und Diagnose: Tragbare 4-Kanal-Oszilloskope Fluke ScopeMeter der Serie 190-204 mit AEGIS-Karbon-Bürste zur Messung der Wellenspannung.

Kritikalität: hoch

Vier Erfolgsstrategien

Motorsteuerungssysteme werden in wichtigen Prozessen überall in Produktions- anlagen eingesetzt. Ein Ausfall von Geräten kann zu hohen finanziellen Verlusten sowohl durch den Ersatz von Motor oder Teilen als auch durch Ausfallzeiten von Geräten für das vom Motor angetriebene System führen. In manchen Fällen können Ausfälle wegen normaler betrieblicher Belastungen des Systems dadurch vermieden werden, dass Instandhaltungsingenieure und -techniker mit dem passenden Wissen versorgt, Arbeitslasten priorisiert werden und eine voraus- schauende Instandhaltung zur Überwachung der Geräte und Fehlerbehebung von intermittierenden, schwer fassbaren Problemen eingesetzt wird.
Es gibt vier Hauptstrategien, mit denen Sie frühzeitige Ausfälle in Motorantrieb und sich drehenden Komponenten beheben oder sogar vermeiden können:

1. Dokumentieren Sie Betriebszustand, Maschinenspezifikationen und Leistungstoleranzbereiche.
2. Erfassen und dokumentieren Sie wichtige Messungen bei der Inbetrieb- nahme, vor und nach Instandhaltungsarbeiten und in regelmäßigen Abständen.
3. Erstellen Sie ein Archiv mit Messungen, um Trendanalysen zu vereinfachen und Zustandsänderungen zu erkennen.
4. Zeichnen Sie einzelne Messungen auf, um Bezugsgrößen zu haben und einen Trend erkennen zu können. Jede Änderung der Trendkurve von mehr als +/- 10 % bis 20 % (oder ein anderer festgelegter Prozentsatz, basierend auf der Leistung oder Kritikalität Ihres Systems) sollte untersucht werden, um die Ursache zu bestimmen.