Im więcej wiedzy o silniku, jego obciążeniu, przebiegu pracy, tym łatwiejsza jego bezawaryjna eksploatacja i redukcja kosztów energii. Urządzenia kontrolujące parametry elektryczne zapewniają dane w czasie rzeczywistym oraz dane historyczne potrzebne do sterowania silnikami, przy maksymalnej wydajności i maksymalizacji ich żywotności.
Silnik elektryczny jest maszyną, która energię elektryczną zamienia na mechaniczną.
Jeśli chodzi o sposób zasilania, silniki mogą bazować na układach zasilających z prądem stałym lub przemiennym. W pierwszym przypadku na rynku dostępne są silniki elektryczne obco-wzbudne, silniki prądu stałego z magnesami trwałymi, a także silniki elektryczne bocznikowe i szeregowe. Przy zasilaniu prądem zmiennym silniki o różnych konstrukcjach mogą działać w układach jednofazowych (klatkowe, szeregowe), trójfazowych (klatkowe, liniowe, pierścieniowe) oraz dwustronnych (synchroniczne, asynchroniczne-synchronizowane).
Należy pamiętać o odpowiednim doborze samego silnika – także w kontekście warunków, w jakich on pracuje. Jest to szczególnie istotne w przypadku napędów pracujących w strefach zagrożonych wybuchem. Np. firma Hoyer oferuje silniki Hoyer Ex model 5AT (aluminium) oraz 7AT (żeliwo) o mocy wyjściowej 0,25200 kW. W napędzie przewidziano 2, 4, 6 lub 8 biegunów. W zakresie wymagań pozwalających na pracę w strefie narażonej na występowanie atmosfery wybuchowej przewidziano: Ex II 2G Ex d(e) IIC T4, T5, T6, strefa 1 + 2, z certyfikacją ATEX oraz IECEx.
Czynności diagnostyczne
Podczas prac związanych z diagnostyką silników elektrycznych kluczową rolę odgrywa sprawdzenie poprawności wszystkich połączeń elektrycznych. Oprócz tego przeprowadza się analizę jakości zasilania przede wszystkim w kontekście wartości skutecznej i zmian napięcia oraz zawartości harmonicznych. Analizowane są przy tym słupkowe wykresy prądów oraz diagramy wskazowe.
Ważne miejsce zajmują testy wydajności, pozwalające na ocenę stanu działania silnika. Wykrywa się przy tym przeciążenia oraz źródła ich generowania. Istotna jest również analiza warunków operacyjnych oraz współczynnika pracy. Należy pamiętać o testach chwilowego napięcia, częstotliwości oraz części symetrycznych. Ważne jest śledzenie prędkości podczas dynamicznej diagnostyki napędów VFD.
Podczas diagnostyki wykonuje się testy prądu. Chodzi przede wszystkim o analizowanie przeciążeń i asymetrii. Z kolei w zakresie testów spektrum przeprowadzane są testy prętów wirnika, spektrum V/I, zdemodulowanego spektrum i wartości harmonicznych. Dzięki temu możliwe jest wykrycie związku pomiędzy prądem i napięciem z częstotliwością. Ważne miejsce zajmuje wykrywanie problemów z nasyceniem, pękniętych prętów wirnika oraz nadmiary napędów VFD na szynach niskiego napięcia. Koniecznie trzeba sprawdzić silnik pod kątem przeciążeń termicznych oraz wszelkich strat energii.
Czynności związane z diagnostyką silników elektrycznych bardzo często przeprowadza się w warunkach pracy w połączeniu z napędzaną maszyną. Prace wykonywane są przy użyciu specjalistycznych stanowisk remontowych.
Ważnym elementem nowoczesnej diagnostyki silników jest termowizja. Ta metoda pozwala na wykrycie przegrzania stojana napędu. Sprawdzeniu poddawany jest również wirnik, szczotki oraz stan połączeń prętów z pierścieniami.
Testy dynamiczne
W celu zapewnienia prawidłowej pracy silnika podczas działań diagnostycznych przeprowadza się również testy dynamiczne. Są to przede wszystkim testy jakości zasilania, przy podłączonym do sieci silniku, które mają na celu zapewnienie optymalnej jakości zasilającej go energii elektrycznej. Jeżeli zasilanie silnika elektrycznego nie spełnia minimalnych wymagań w zakresie jakości, może dojść do dodatkowego obciążenia silnika. W kontekście jakości energii elektrycznej przeprowadzane są testy poziomu napięcia oraz jego równowagi i zniekształceń harmonicznych łącznie ze zniekształceniem całkowitym.
Dynamiczna diagnostyka silników elektrycznych obejmuje testy momentu obrotowego. I tak dzięki testom falowania momentu obrotowego i spektrum momentu obrotowego zyskuje się możliwość szybkiej i dokładnej identyfikacji wielu problemów. Wykrywa się więc problemy o charakterze mechanicznym, w tym dotyczące łożysk i kawitacji.
Przyrządy pomiarowe
Do diagnostyki silników elektrycznych niezbędne są oczywiście odpowiednie przyrządy pomiarowe. Należą do nich mierniki, które pozwalają na statyczne i dynamiczne badania silników elektrycznych.
Spośród oferty rynkowej wskazać można np. dynamiczny analizator silnika SKF – EXP4000 to urządzenie, które jest w stanie przeprowadzić w pełni zdalne monitorowanie stanu silnika z Centrum Kontroli Silników (MCC). Analizatory to jednostki przenośne, zasilane baterią o niskim napięciu, przeznaczone do użytku w trudnych, niesprzyjających warunkach środowiska. Ten analizator silników przeznaczony jest do stosowania podczas obsługi. Umożliwia on przeprowadzenie analizy przyczyn źródłowych usterek dzięki wzajemnemu oddzieleniu zjawisk mechanicznych i elektrycznych. Analizator EXP4000 został zaprojektowany do badania określonych zagrożeń (źródło napięcia, przetwornica, silnik, obciążenie), jakie zagrażają poprawnemu działaniu maszyn wirujących. Ten autonomiczny, przenośny przyrząd sterowany jest komputerowo za pomocą sprawdzonej technologii, co umożliwia przeprowadzenie wszystkich testów z centrum kontroli (MCC) lub za pomocą przyłącza SKF EP.
W ofercie firmy Sonel znajduje się np. zestaw mierników pozwalających na wykonanie wszystkich pomiarów instalacji elektrycznych. W zestawie znajdują się przyrządy MPI-502, MIC-2500 oraz CMP-400 wraz z akcesoriami. Służą one do pomiaru impedancji pętli zwarcia z rozdzielczością 0,01 Ω (również w instalacjach wyposażonych w wyłączniki RCD), parametrów wyłączników RCD typu AC i A, ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych oraz rezystancji izolacji napięciem do 2,5 kV (również pomiary kabli).
Firma Tomtronix oferuje m.in. tester AC dielektryków model FPA-12/066F. Urządzenie dostarcza płynnie regulowane wysokie napięcie AC do wykonywania prób napięciowych AC oraz do użycia jako źródło napięcia przy badaniach diagnostycznych elementów wysokiego napięcia, takich jak uzwojenia silników i generatorów, żłobki stojana, szynoprzewody, aparatura łączeniowa. Przyrząd ma moc wyjściową 6 kVA dostępną na dwóch wyjściach: 06 kVAC przy 1 A oraz 012 kVAC przy 500 mA. Do dyspozycji jest ekranowany kabel wyjściowy EPR, zapewniający praktycznie brak wyładowań niezupełnych <10 pC. Urządzenie wyposażono w mobilną, solidną obudowę. Dostawca przyrządu podkreśla, że badanie napięciem AC jest właściwą metodą używaną do testów integralności działania większości aparatów. Badania AC zazwyczaj wymagają większych prądów pomiarowych niż badania DC. Prąd obciążenia AC jest determinowany przez pojemność obciążenia oraz wielkość napięcia pomiarowego. Może być obliczony z wykorzystaniem równania Iobc = 2 πfCU, gdzie C wyrażone jest w faradach natomiast U w woltach. Należy sprawdzić wymagane wartości prądu obciążenia, aby móc wybrać tester WN o wystarczająco dużej mocy wyjściowej kVA.
Lepiej zapobiegać
Na rynku dostępne są urządzenia przeznaczone do ciągłego monitorowania stanu pracy silnika elektrycznego. Dzięki nim przede wszystkim kontroluje się napięcie w każdej fazie, łącznie z odpowiednią ochroną przed częstym rozruchem. System jest w stanie zapamiętać stan nagrzania zabezpieczanego silnika. Warto przypomnieć, że jeżeli rozruchy są zbyt częste, zwiększa się temperatura silnika, co niejednokrotnie prowadzi do przegrzania. Wraz ze wzrostem temperatury o określoną wartość zabezpieczenie blokuje kolejne rozruchy. Ważna jest przy tym ochrona silnika przed zwarciem doziemnym. Zazwyczaj przyczyną takiego zjawiska jest starzenie się izolacji przewodów elektrycznych. Wykrywane są w sposób selektywny zwarcia doziemne na zadanym przez użytkownika poziomie.
Silnik powinien być również chroniony przed asymetrią obciążenia oraz pracą niepełnofazową. Dzięki niezależnemu pomiarowi wartości prądu w każdej fazie, w momencie wystąpienia zaniku fazy lub pracy w układzie asymetrycznym silnik zostaje wyłączony. Dostępne na rynku elektroniczne zabezpieczenia silników sygnalizują stany obciążenia silnika.
Autor: Damian Żabicki – dziennikarz, redaktor, autor tekstów, specjalizujący się w tematyce technicznej i przemysłowej. Specjalista public relations firm z branży technicznej.
