Znalezienie źródła hałasu w silniku elektrycznym może okazać się trudniejsze od ograniczenia poziomu tego hałasu.
Tom Bishop, starszy specjalista ds. wsparcia technicznego w Stowarzyszeniu EASA, wyjaśnia w rozmowie, że znalezienie źródła hałasu generowanego przez silnik elektryczny jest często trudniejsze niż ograniczenie poziomu tego hałasu. Jednak metodyczne podejście do poszukiwań źródła hałasu może zawęzić podejrzany obszar i w ten sposób ułatwić rozwiązanie problemu. Zajmuje się przyczynami oraz charakterystykami głównych źródeł hałasu w silnikach prądu przemiennego (AC).
Bishop porusza następujące tematy:
- możliwe źródła hałasu wytwarzanego przez silniki,
- metody znajdowania źródeł hałasu,
- natura hałasu powodowanego przez źródła magnetyczne i mechaniczne oraz uzwojenia silników,
- zmniejszanie poziomu hałasu.
Proszę podać kilka istotnych informacji dla każdej firmy, która planuje wdrożyć konserwację prognozowaną silników elektrycznych w swoim zakładzie.
Tom Bishop: Na początku powinniśmy rozważyć koszty zakupu sprzętu, takiego jak analizatory widma, oraz zastanowić się, jaki personel będzie wykonywał zbieranie i analizowanie danych dotyczących silników. Może to być personel własny, specjaliści z wynajętej firmy zewnętrznej albo jedni i drudzy razem.
Czy w ogóle jest dopuszczalne przeciążanie silnika?
Tom Bishop: Wszelkie przeciążenia silnika elektrycznego zwiększają wydzielanie się w nim ciepła, co powoduje skracanie żywotności uzwojeń, łożysk i środków smarnych. Jeśli silnik ma podany współczynnik przeciążalności, to ma on zastosowanie tylko do sytuacji, gdy silnik ten jest używany w warunkach mających zastosowanie dla tego współczynnika. Typowo jest to taka sytuacja, którą norma NEMA MG1 definiuje jako zwykłe warunki pracy silnika.
Jeżeli silnik jest zasilany z napędu VFD (falownika), to jakiego miernika powinienem użyć do pomiaru napięcia i prądu tego silnika?
Tom Bishop: W takiej sytuacji wymagany jest miernik z funkcją pomiaru prawdziwej wartości skutecznej (True RMS), ponieważ eliminuje on potencjalne błędy pomiaru, spowodowane wysoką zawartością harmonicznych w napięciu wyjściowym z napędu VFD.
W jakiej odległości od zasilanego silnika elektrycznego powinien znajdować się napęd VFD?
Tom Bishop: Napęd VFD powinien być zlokalizowany jak najbliżej tego silnika, aby zredukować piki napięciowe na zaciskach silnika.
Czy na silnikach powinny być zainstalowane czujniki wibracji, dzięki którym będzie możliwy ciągły monitoring drgań tych maszyn?
Tom Bishop: W większości przypadków czujniki wibracji powinny być zainstalowane w obudowach łożysk silników, które mają być monitorowane w sposób ciągły. Niektóre większe silniki z łożyskami ślizgowymi wykorzystują sondy bezstykowe, zainstalowane na zewnątrz obudów łożysk. Mierzą one szczelinę pomiędzy sondą a wałem i typowo podają wynik w tysięcznych cala.
Czy zastosowanie dłuższego wirnika powoduje także zwiększenie gabarytów silnika?
Tom Bishop: Producent silnika zwykle dopasowuje długość wirnika do danej obudowy, jednak w niektórych przypadkach wykorzystywana jest dłuższa obudowa, aby można było pomieścić dłuższy wirnik. Te dłuższe obudowy nie są zwykle ujęte w normach NEMA, gdy nie ma standardowych wielkości obudów dla specyficznych wartości znamionowych mocy i prędkości obrotowej silnika.
Czy elektryczne harmoniczne z silnika są słyszalne?
Tom Bishop: Dźwięki powodowane przez harmoniczne napięć i prądów, których częstotliwość mieści się w zakresie słyszalnym przez człowieka, to znaczy 20 Hz – 20 kHz, mogą być słyszalne. Jednak do wyznaczenia częstotliwości i amplitudy tych harmonicznych wymagany jest analizator dźwięku.
Jak wygląda sprawa hałasu w przypadku silników trójfazowych zasilanych z napędów VFD?
Tom Bishop: Najczęstszym hałasem pochodzącym z silnika zasilanego z napędu VFD jest wysoki, piskliwy „śpiew”, pochodzący z podzespołów silnika, wzbudzanych z częstotliwością ich drgań własnych.
Czy istnieją badania nad redukcją poziomu hałasu wytwarzanego przez silniki, które mogą doprowadzić do zmniejszenia zużycia energii przez te maszyny?
Tom Bishop: Nic mi nie wiadomo o badaniach na ten temat. Ponadto generowanie hałasu w silniku zasadniczo zużywa mało energii, więc najprawdopodobniej nie jest możliwe dokładne zmierzenie wartości tej energii.
Czy można tak ustawić częstotliwość regulacji szerokości impulsów (PWM) w napędzie, aby zmniejszyć poziom hałasu silnika?
Tom Bishop: Zwiększenie częstotliwości nośnej napędu VFD ponad 20 kHz mogłoby doprowadzić do tego, że hałas silnika byłby niesłyszalny dla ludzkiego ucha.
Powiedzmy, że mamy wolnoobrotowy silnik pierścieniowy z dominującą wibracją o częstotliwości 120 Hz (prędkość liniowa 0,25 ips / 6,35 mm/s w pionie) oraz poziomie hałasu 95 dBA. Hałas ustaje po wyłączeniu zasilania. Jaka wg Pana jest przyczyna źródłowa tego zjawiska?
Tom Bishop: Niska prędkość obrotowa oznacza, że uzwojenie silnika posiada wiele biegunów i to samo w sobie może doprowadzić do generowania hałasu. Ogólnie sprawdziłbym, czy nie występują luźne laminaty w stojanie i wirniku oraz nierówności szczeliny powietrznej.
Czy duża stromość napięcia dV/dt może być źródłem słyszalnego hałasu (filtry dV/dt stosuje się pomiędzy napędami VFD a silnikami, w celu tłumienia impulsów napięcia)?
Tom Bishop: Wartość dV/dt (pochodna napięcia względem czasu) nie wpływa na hałas generowany przez silnik, chyba że jest tak wielka, że powoduje niezupełne wyładowania elektryczne, które mogą wytwarzać słyszalny hałas. Wyładowania niezupełne, zwane też koronowymi, oznaczają częściowe przebicie izolacji pomiędzy przewodami w uzwojeniu.
Czy zainstalowane na silniku czujniki akustyczne oraz wibracji rozróżniają różne przyczyny hałasu?
Tom Bishop: Czujniki te potrafią identyfikować częstotliwość hałaśliwych dźwięków. Można wtedy przetestować podzespoły silnika w celu wyznaczenia ich częstotliwości drgań własnych (częstotliwości rezonansowej). Jest to uciążliwe, ale czasami konieczne. Jeśli jest to możliwe i praktyczne, można zastosować urządzenia z dwoma mikrofonami, które współpracują z analizatorami widma. Za pomocą tych lokalizatorów można przeszukiwać cały silnik pod kątem źródeł hałasu o wyższej amplitudzie, tak aby znaleźć położenie, w którym oba mikrofony zostaną skierowane na źródło. Ponieważ mikrofony te odbierają dźwięk z różnych miejsc, można zlokalizować jego źródło za pomocą triangulacji.
Dlaczego tak nie jest w przypadku silników dwubiegunowych?
Tom Bishop: Różnica pomiędzy poziomami hałasu wytwarzanego przez silniki o różnej liczbie biegunów jest taka, że poziom jest ten niższy dla większych silników. Jednak podstawowy poziom hałasu wytwarzanego przez większe silniki jest wyższy od tego dla mniejszych silników.
Jak można zredukować hałas w silniku dwubiegunowym?
Tom Bishop: Jeśli to możliwe, należy usunąć przeszkody na drogach przepływu powietrza w tych silnikach.
Czy napędy VFD powodują redukcję hałasu silników?
Tom Bishop: Nie, silniki zasilane z napędów VFD zwykle są głośniejsze niż zasilane bezpośrednio napięciem sinusoidalnym z sieci.
Jak napęd VFD wpływa na hałas wytwarzany przez podłączony do niego silnik?
Tom Bishop: Napęd VFD generuje harmoniczne napięcia, które powodują wzbudzanie mechaniczne różnych podzespołów w silniku i w ten sposób zwiększają poziom hałasu.
Inż. Tom Bishop jest starszym specjalistą ds. wsparcia technicznego w Stowarzyszeniu EASA (Electrical Apparatus Service Association; międzynarodowe stowarzyszenie obsługujące i reprezentujące firmy w takich obszarach jak naprawy, serwis i sprzedaż silników, pomp oraz aparatów elektrycznych). Tom Bishop rozpoczął pracę w EASA w roku 2002, posiadając już ponad 30-letnie doświadczenie inżynierskie oraz praktyczne, uzyskane dzięki pracy w firmach produkujących maszyny elektryczne oraz serwisujące aparaty elektryczne. Posiada tytuł magistra inżyniera elektryka oraz licencję PE (professional engineer; inżynier profesjonalista). Jest autorem kilkudziesięciu artykułów technicznych i raportów naukowych. Był prezenterem na licznych seminariach na temat zastosowań, konserwacji i napraw silników elektrycznych. Ponadto jest on przewodniczącym Komitetu Usług Technicznych (Technical Services Committee) w Stowarzyszeniu EASA, jednym z głównych członków Komitetu Konserwacji Sprzętu Elektrycznego (Electrical Equipment Maintenance Committee) w Stowarzyszeniu NFPA (komitetu NFPA 70B; NFPA – National Fire Protection Association – amerykański Narodowy Związek Ochrony Przeciwpożarowej), a także dożywotnim członkiem (Life Member) Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE).
