Ważne jest, aby rozumieć różnicę pomiędzy normalnymi warunkami eksploatacji silników elektrycznych, które są przyjmowane przy projektowaniu większości tych maszyn, a warunkami eksploatacji odbiegającymi od normalnych, które prowadzą do zakłóceń w pracy i kosztownych przestojów.
Dobierając silnik elektryczny do nowej aplikacji lub rozwiązując problem z istniejącym już silnikiem ważne jest, aby sprawdzić, czy silnik ten będzie pracował normalnie w warunkach narzuconych przez jego aplikację. Chociaż te sytuacje mogą nie występować często, to pomocnym będzie zrozumienie różnicy pomiędzy normalnymi warunkami eksploatacji, jakie są zakładane przy projektowaniu większości silników, a warunkami odbiegającymi od normalnych, które mogą prowadzić do zakłóceń w pracy silnika i kosztownych przestojów w zakładzie przemysłowym.
Dobrym punktem startowym dla tej dyskusji będzie zapoznanie się z podawanymi w normach definicjami normalnych oraz odbiegających od normalnych warunkami eksploatacji. Definicje te podano w normie amerykańskiego Narodowego Stowarzyszenia Producentów Aparatury Elektrycznej (NEMA): Standard MG1: Silniki i generatory (Motors and Generators). Do warunków aplikacji silników odnosi się także norma Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IEC: Standard 60034-1: Maszyny elektryczne wirujące (Rotating Electrical Machines), Część 1: Dane znamionowe i parametry (Ratings and Performance; patrz Klauzula 6), jednak w mniejszym zakresie. Tak więc w niniejszym artykule skupimy się na normie MG 1.
Normalne warunki eksploatacji
Norma MG 1 w Części 1.6 Sekcji I definiuje normalne warunki eksploatacji dla szerokiego zakresu różnych typów silników i generatorów. Zakres ten obejmuje silniki prądu zmiennego (AC) ogólnego przeznaczenia, małe silniki prądu stałego (DC) ogólnego przeznaczenia, generatory ogólnego przeznaczenia, przemysłowe silniki prądu stałego średniej mocy oraz przemysłowe generatory prądu stałego.
Według normy MG1 konstrukcje silników AC ogólnego przeznaczenia posiadają „standardowe parametry znamionowe ze standardowymi charakterystykami roboczymi oraz konstrukcję mechaniczną przystosowaną do normalnych warunków eksploatacyjnych bez ograniczeń dla konkretnej aplikacji czy typu aplikacji”. Podane w tej normie definicje czterech innych kategorii silników mają tę samą charakterystykę: „konstrukcja mechaniczna odpowiednia do użytkowania w normalnych warunkach eksploatacyjnych”. Ponieważ producenci silników projektują ich konstrukcje mechaniczne dla konkretnych typów silników (np. silników AC ogólnego przeznaczenia), to parametrami zmiennymi, które mogą wpłynąć na bezproblemową pracę silników, są ich normalne warunki eksploatacyjne.
Według normy MG 1, 14.2 normalne warunki środowiskowe/eksploatacji obejmują (fot.1):
- Pracę w temperaturze otoczenia w zakresie od -15°C do 40°C lub od 5°C do 40°C – w przypadku maszyn z chłodzeniem wodnym (aby zapobiegać zamarzaniu wody). Dla maszyn o mocy znamionowej mniejszej od 0,75 hp (0,559 kW) oraz wszystkich maszyn (z wyjątkiem chłodzonych wodą), które posiadają komutator lub łożyska ślizgowe, minimalna temperatura otoczenia wynosi 0°C.
- Pracę na wysokości nad poziomem morza do maksymalnie 3300 stóp (1000 m).
- Zainstalowanie na sztywnej powierzchni montażowej.
- Zainstalowanie w obszarach lub obudowach uzupełniających, które nie zakłócają w poważnym stopniu wentylacji maszyny.
Każdy z podanych wyżej punktów wymaga pełniejszego wyjaśnienia.
Temperatura otoczenia. Tabliczki znamionowe umieszczane na silnikach często podają maksymalną temperaturę otoczenia 40°C, jednak rzadko podają też dolną granicę tej temperatury. Niemniej jednak eksploatacja silnika w temperaturach powyżej maksymalnej lub poniżej maksymalnej nie jest dozwolona.
Najlepszą praktyką jest uzyskanie u producenta danego silnika informacji na temat eksploatacji w temperaturach otoczenia poza podanym normalnym zakresem. W niskich temperaturach łożyska i smary mogą stanowić główny problem. Natomiast w wysokich temperaturach głównym problemem mogą być zarówno uzwojenia silnika, jak i łożyska i smary.
Uwaga: Zakres temperatur otoczenia podany na tabliczce znamionowej odnosi się do tego, co często nazywamy „temperaturą pokojową”. Maksymalny przyrost temperatury albo maksymalna temperatura uzwojeń rzadko pojawia się na tabliczkach znamionowych silników, jednak temat ten wykracza poza niniejszy artykuł.
Wysokość zainstalowania nad poziomem morza. Eksploatacja silnika na wysokościach ponad 3300 stóp (1000 m) n.p.m. nie jest normalnie dozwolona bez obniżenia mocy znamionowej silnika. Wzrost temperatury może stanowić pomocną informację przy eksploatacji silnika na takich wysokościach n.p.m. bez obniżania mocy znamionowej silnika, jednak, jak powiedziano wcześniej, wykracza to poza zakres niniejszego artykułu.
Montaż na sztywnym podłożu. Większość silników jest montowana na sztywnej podstawie, tak więc rzadko wymaganie to stanowi problem. W przypadku konieczności innego rodzaju montażu silnika (np. na saniach do naciągu przekładni pasowych) należy skonsultować się z producentem silnika.
Wentylacja. Niezakłócony system wentylacyjny jest warunkiem normalnej eksploatacji silnika. Przykładem naruszenia tej reguły mogłoby być umieszczenie sprężarki powietrza wraz z silnikiem napędzającym oraz układem sterowania w jednej obudowie, np. szafie sterowniczej.
Warunki eksploatacji odbiegające od normalnych
Norma MG 1, 14.3 podaje listę warunków eksploatacji odbiegających od normalnych i zaleca użytkownikom konsultację z producentem silnika, jeśli któryś z tych warunków może mieć wpływ na konstrukcję silnika lub jego pracę (fot. 2).
- Otoczenie zawierające pyły łatwopalne, wybuchowe lub ścierne.
- Gromadzenie się brudu i zanieczyszczeń, które mogą zakłócić normalną wentylację silnika.
- Opary chemiczne; palne lub wybuchowe gazy.
- Para, zasolone powietrze, mgła olejowa.
- Wilgotne otoczenie, promieniowanie cieplne, robactwo i szkodniki, atmosfera sprzyjająca wzrostowi grzybów.
- Zbyt duże wstrząsy, wibracje lub obciążenia mechaniczne ze strony źródeł zewnętrznych.
Ta lista warunków eksploatacji odbiegających od normalnych specjalnie nie została opracowana jako kompletna ani wyczerpująca, ponieważ byłaby zbyt długa, aby można ją wykorzystać w praktyce. Aby lepiej zrozumieć, co stanowi odbiegające od normalnych warunki eksploatacji, należy przeanalizować ich przeciwieństwa. Patrząc z tej perspektywy, należy zainstalować silnik w czystym i suchym (ale nie nadmiernie suchym) otoczeniu oraz zapewnić, aby żadne czynniki mechaniczne czy fizyczne nie zakłócały pracy maszyny. Czyli stworzyć takie warunki pracy, jakie są zakładane przy wykonywaniu testów fabrycznych nowych silników.
Podobnie jak w kwestii warunków otoczenia, lista warunków eksploatacji odbiegających od normalnych, podana w normie MG 1, 14.3, specjalnie nie została opracowana jako kompletna ani wyczerpująca. Podano w niej między innymi takie pozycje:
- Napięcie i częstotliwość zasilania:
- nadmierne odchylenie wartości napięcia lub częstotliwości albo obydwu tych parametrów od wartości dopuszczalnych,
- asymetria napięcia zasilania AC większa niż 1%.
- Praca z prędkością obrotową większą niż znamionowa (tabela 1).
- Praca w niewystarczająco wentylowanym pomieszczeniu lub studni.
- Praca w pozycji przechylonej.
- Nadmierne siły mechaniczne:
- powtarzające się nadmierne przeciążenia,
- wpływ momentów skręcających,
- częste rozruchy lub zmiany kierunku wirowania,
- hamowanie elektryczne.
Tak samo jak w przypadku listy dotyczącej warunków otoczenia, każdy z powyższych warunków eksploatacji odbiegających od normalnych zasługuje na bardziej szczegółowe omówienie:
Napięcie i częstotliwość zasilania. Warunki eksploatacji odbiegających od normalnych istnieją, gdy wartości odchyłek napięć przekraczają ±10% napięcia znamionowego silnika, częstotliwości ±5% znamionowej (+3%/-5% według normy IEC 60034-1, 7.3) albo wystąpią jednocześnie obydwie te sytuacje. Asymetria napięcia w układzie 3-fazowym większa niż 1% także jest warunkiem eksploatacji odbiegającym od normalnego.
Praca silnika z prędkością obrotową większą od znamionowej (przy nadobrotach; ang. overspeed). Może ona stanowić problem w silnikach zasilanych z napędów o zmiennej częstotliwości (VFD; falowników). Tabela 1 podaje wartości graniczne prędkości obrotowej dla silników indukcyjnych.
Niewystarczająca wentylacja oraz praca w studniach. Niewystarczająca wentylacja przypomina już wymienione warunki eksploatacji odbiegające od normalnych. Podobnie do tego praca silnika w studni może prowadzić do problemów z zawilgoceniem lub możliwym zanurzeniem w wodzie.
Praca w przechylonej pozycji. Silniki małej i średniej mocy, przeznaczone do pracy w położeniu poziomym, typowo mogą działać w pozycji przechylonej lub nawet pionowej. Jednak takie orientacje są klasyfikowane jako warunki eksploatacji odbiegające od normalnych. Zmiana orientacji silnika może wpłynąć na drogi przepływu środków smarnych i uniemożliwić dostanie się smaru do łożysk. Natomiast w przypadku silników smarowanych olejem może to powodować wycieki tego środka smarnego.
Nadmierne siły mechaniczne. Nadmierne siły mechaniczne, takie jak wynikające z nadmiernych obciążeń czy momentów skręcających, są oczywiście warunkami eksploatacji odbiegającymi od normalnych, ponieważ mogą prowadzić do przedwczesnej awarii wału silnika. Często rozruchy lub zmiany kierunku wirowania także mogą spowodować nadmierne obciążenia mechaniczne, a ponadto przegrzewanie się stojana i wirnika, spowodowane dużą krotnością prądu rozruchowego silników w porównaniu do prądu znamionowego (zwykle wynosi ona od 5:1 do 8:1).
Podobnie do tego hamowanie elektryczne może spowodować przepływ przez uzwojenia silnika prądu większego od znamionowego i ich gwałtowne nagrzewanie, gdy siła hamująca będzie nadal przyłożona nawet po zatrzymaniu silnika.
Wnioski końcowe
Znajomość różnicy pomiędzy normalnymi warunkami eksploatacji silników elektrycznych a warunkami odbiegającymi od normalnych może być często przydatna w praktyce. Jednak te informacje okażą się nieocenione w przypadku konieczności dobrania silnika do nowej aplikacji czy znalezienia przyczyny problemu lub awarii posiadanego silnika.
Inż. Thomas H. Bishop jest starszym specjalistą ds. wsparcia technicznego w firmie EASA Inc. z siedzibą w St. Louis (USA). EASA (Apparatus Service Association) jest międzynarodowym stowarzyszeniem handlowym, skupiającym ponad 1800 firm z ponad 70 krajów, które sprzedają i serwisują aparaturę elektromechaniczną.
