Wykrywaj usterki silników poprzez lepsze poznanie przekaźników.
Jedna z wiodących firm przemysłowych zainstalowała w ostatnim czasie zabezpieczenia silnikowe oparte na technologii mikroprocesorowej, zastępując w ten sposób elektromechaniczne przekaźniki. Chcąc w pełni wykorzystać funkcje nowych urządzeń, firma aktywowała także funkcję niesymetrii prądu. Zabezpieczenia zadziałały natychmiast. Co się stało?
Po przeprowadzeniu poszukiwań firma znalazła przyczynę: ponadpalane styki stycznika załączającego ograniczały prąd jednej z faz silnika. Gdyby problem nie został wykryty, to ostatecznie doprowadziłoby to do przegrzania silnika, skracając jego żywotność. Brak wiedzy, że prądy fazowe były niesymetryczne, mógł doprowadzić do niepotrzebnego poddania silnika testom lub nawet zmniejszenia obciążenia w celu uniknięcia przegrzania pomimo tego, że stan samego silnika był dobry. Przekaźnik cyfrowy pozwolił na szybkie wykrycie prawdziwej przyczyny.
Wiele funkcji cyfrowych zabezpieczeń silników może być wykorzystanych w celu wykrywania usterek, lecz mogą być one nieznane obsłudze, która przywykła do prostych i tradycyjnych zabezpieczeń termicznych.
Podstawowe zabezpieczenie silnika, wymagane przez większość standardów, jest zapewniane przez przekaźnik. Dwa podstawowe typy to elektromechaniczne, tradycyjne przekaźniki przeciążeniowe oraz przekaźniki cyfrowe. Przekaźnik elektromechaniczny ma jedną funkcję zabezpieczeniową, natomiast przekaźnik cyfrowy wyposażony jest w wiele funkcji, takich jak np. przeciążeniowe, zanik fazy, nadprądowe itd.
Zabezpieczenie cyfrowe silnika jest bardziej skomplikowane, ale zapewnia wyższy poziom zabezpieczenia niż przekaźnik elektromechaniczny. Ponieważ jedno urządzenie dokonuje wszystkich pomiarów i wykonuje szybkie obliczenia, możliwe jest monitorowanie skomplikowanych parametrów i jednoczesne inteligentne sterowanie nimi. Zabezpieczenie cyfrowe może się komunikować z systemem sterowania w celu monitorowania parametrów i wczesnego wykrywania usterek oraz wyświetlać komunikaty pomagające w szybszym usuwaniu zagrożeń. Ponieważ ceny zabezpieczeń cyfrowych spadły w ostatnich latach, więc obecnie coraz więcej użytkowników stosuje je nawet dla mniejszych silników. Niestety użytkownicy mogą nie mieć wystarczającego doświadczenia w pracy z tymi urządzeniami, zatem mogą nie wiedzieć, jak je najlepiej wykorzystać.
Przeciążenie termiczne
Kiedy przekaźnik zabezpieczeniowy wyświetla informację o wysokiej temperaturze silnika i następnie wyłącza go, to szukaj przyczyn, które mogły spowodować zwiększenie obciążenia, np. uszkodzony pas transmisyjny, zaklinowany materiał lub uszkodzone łożysko. Przeciążenia temperaturowe wykryte przez przekaźniki nie są w rzeczywistości wynikiem wysokiej temperatury. Powodem jest zwiększenie normalnej wartości prądu silnika oraz przekroczenie nastawionych wartości serwisowych, które są śledzone przez model termiczny zaprogramowany w przekaźniku.
Model ten oblicza temperaturę silnika na podstawie prądu. Niektóre, bardziej zaawansowane przekaźniki wykorzystują wejście z sensorów mierzących temperaturę uzwojeń, ale często jest to tylko udoskonalenie modelu termicznego, jeśli obliczona temperatura jest mniejsza od tej mierzonej przez sensor.
Zbyt częste rozruchy są następną przyczyną przegrzania, a przekaźniki mające dynamiczny człon przeciążenia termicznego ochronią silnik. Silniki zbudowane zgodnie ze standardami NEMA mogą być załączone dwukrotnie bez spowodowania uszkodzenia. Aby odnieść to do modelu temperaturowego, silnik wykorzystuje około 50% swojej pojemności termicznej podczas jednego rozruchu.
Jeżeli silnik zostaje zatrzymany podczas rozruchu, to wkrótce może dojść do jego uszkodzenia, zatem zabezpieczenie powinno wcześniej zadziałać. „Pojemność termiczna” jest zależna od parametrów silnika wprowadzonych do przekaźnika przez użytkownika i może być zmieniana dla silników chłodzonych przez wentylatory, które nie wymagają pełnej 50% pojemności cieplnej do wykonania fazy rozruchu.
Do zalet dynamicznego modelu termicznego można zaliczyć to, że jest dokładniejszy od sensorów temperaturowych i nie jest ograniczony do kilku miejsc w uzwojeniach silnika, ale także reaguje szybciej na nagłe zmiany. Dodatkowo śledzi temperaturę silnika na tyle dokładnie, że może nie dopuścić do ponownego uruchomienia silnika, gdy ten jest jeszcze za gorący. Natomiast elektromechaniczne czujniki schładzają się szybciej niż sam silnik, co może zezwolić operatorowi na ponowne uruchomienie przy niebezpiecznej temperaturze.
Dodatkowo cyfrowy przekaźnik zabezpieczeniowy określa czas do ponownego rozruchu. W ten sposób obsługa wie, kiedy silnik jest wystarczająco zimny, aby ponownie go uruchomić. Pomaga to uniknąć frustracji i ciągłego sprawdzania gotowości do rozruchu, a w międzyczasie pozwala na wykonanie innych prac.
Zablokowanie
Komunikat ten wyświetla się, jeśli prąd silnika przekracza wartość nastawioną (mniejszą niż prąd rozruchowy) podczas trybu pracy. Kieruje to serwis na szukanie przyczyny związanej z obciążeniem, a nie bezpośrednio z silnikiem. Nastawa tej funkcji (podobnie jak wszystkie nastawy) może być chroniona hasłem, zabezpieczając operatora przed niepożądaną zmianą.
Zabezpieczenie z funkcją zablokowania musi mieć informację, kiedy silnik jest w fazie rozruchu, gdyż podczas tej fazy funkcja zablokowania jest dezaktywowana. Bez tej opcji należy nastawić czas opóźnienia, po upływie którego zakłada się, że silnik zakończył rozruch. Zabezpieczenie zablokowania może wykryć mechaniczne zablokowanie w silniku lub duże przeciążenie, które zatrzymało silnik i spowoduje poważne uszkodzenie w krótkim czasie.
Niektóre typy zabezpieczeń mają tryb ograniczenia prądu przeciążenia, który jest oddzielnym trybem niż funkcja zablokowania. Funkcja ta może być wykorzystana do tymczasowego ograniczenia nastaw funkcji nadprądowych podczas wykonywania konserwacji w obwodach silnika, gdy ten znajduje się w stanie ruchu. Ponieważ tryb ten reaguje szybko, więc może ograniczyć energię wyładowania łukowego powstałego podczas zwarcia.
Prąd zwarcia doziemnego
Jeżeli zabezpieczenie wskazuje na upływ prądu do ziemi (zjawisko zwane także zwarciem doziemnym), to przyczyną jest prawdopodobnie zwarcie w uzwojeniach lub w przewodach zasilających albo stara i nadtopiona izolacja. Podczas gdy silnik jest odłączony od napięcia, należy sprawdzić rezystancję uzwojeń. Jeśli wszystko jest w porządku, wtedy kolejno sprawdzaj przewody zasilające, czy nie mają przebicia. W trakcie pomiarów należy używać środków ochrony osobistej.
Dużo firm stosuje uziemienia przez rezystor, aby zmniejszyć ryzyko wyładowań łukowych. Wiele tradycyjnych przekaźników ziemnozwarciowych nie zostało zaprojektowanych do tego typu systemów i są czułe tylko na duże prądy ziemnozwarciowe. W celu wykrycia doziemienia w sieci uziemionej przez rezystor nowsze zabezpieczenia cyfrowe są wyposażone w wejścia z czułych przekładników prądowych.
Innym sposobem wykrycia zwarcia doziemnego jest użycie przekaźnika monitorującego stan izolacji. Tradycyjne przekaźniki wykrywają zwarcie poprzez pomiar prądu z przekładnika, więc niektóre uszkodzenia silnika mogą powstać zanim zadziała zabezpieczenie.
Przekaźnik badający stan izolacji nie pozwoli na uruchomienie silnika, jeżeli zostanie wykryte zwarcie doziemne. Zapobiegnie w ten sposób potencjalnym uszkodzeniom. Niemniej jednak w systemie uziemionym nie można wykorzystać monitorowania izolacji po załączeniu silnika.
Inne funkcje przekaźników zabezpieczeniowych
Elektroniczne zabezpieczenia silnikowe mają wiele alarmów mogących wspierać usuwanie usterek. Poniżej wymieniono kilka innych popularnych funkcji:
- niesymetria prądu – niesymetria pomiędzy trzema fazami; typową przyczyną są ponadpalane styki stycznika w jednej z faz, co powoduje ograniczanie przepływu prądu,
- zanik fazy, prądu – w jednej fazie nie płynie prąd; dwie pozostałe fazy są przeciążone i przegrzewają się, co może doprowadzić do szybkiego uszkodzenia,
- zamiana faz, prądu – to się zdarza, gdy pracownik podłączy fazę pod inny zacisk,
- niedomiar prądu – wskazuje na utratę obciążenia lub pompa pracuje na sucho,
- funkcja podnapięciowa lub nadnapięciowa – jeśli napięcie jest za niskie, to silnik może zostać uszkodzony, jeśli napięcie jest za wysokie, to można uszkodzić izolację,
- niesymetria napięcia – wskazuje, że jedna z faz ma inne napięcie niż pozostałe; często jest to wina źródła zasilania lub transformatora,
- funkcja podczęstotliwościowa lub nadczęstotliwościowa – częstotliwość napięcia zasilania jest za niska lub za wysoka w stosunku do nastawionej wartości,
- awaria przyspieszenia/zwolnienia – wykorzystuje wejście z tachometru, doprowadzając informacje o obciążeniu silnika, np. gdy silnik obraca się za wolno,
- zabezpieczenie różnicowe, prąd – wykorzystuje dodatkowe przekładniki prądowe w celu wykrycia małych prądów upływowych w uzwojeniach, które mogłyby doprowadzić do zwarcia doziemnego.
Podsumowanie
Kierownictwo firm może skrócić czas napraw i lepiej chronić silniki, używając zabezpieczeń cyfrowych. Ponieważ ceny zabezpieczeń spadają, a załoga nie jest zbyt liczna, to kierownicy mają dość dobry argument, aby wymienić starsze zabezpieczenia termiczne na nowoczesne urządzenia.
Autor: Mark Pollock
