Monitoring parametrów zasilania silników indukcyjnych

Silniki to podstawowe urządzenia elektryczne wykorzystywane w przemyśle. Obecnie najbardziej popularne są wielofazowe napędy indukcyjne, przy czym ponad 90% z nich to silniki klatkowe. Ten właśnie rodzaj napędów jest preferowany z kilku powodów:

• silniki te są stosunkowo tanie,
• mają nieskomplikowaną budowę,
• mogą być łatwo wymieniane,
• pracują niezawodnie,
• jest wiele możliwości ich instalacji i są dostępne w różnych obudowach.

 Rysunek 1. Ciepło to podstawowy wróg silników indukcyjnych. Jak pokazuje niniejsza fotografia, nadmierny wzrost temperatury może doprowadzić do zniszczenia stojana silnika

Ze względu na to, że firmy i zakłady przemysłowe ponoszą znaczne nakłady kapitałowe związane z zakupem i utrzymaniem napędów indukcyjnych, stanowiące znaczącą część ich budżetu, istotną kwestią jest wiedza o stanie i warunkach funkcjonowania tych urządzeń na początku i w trakcie ich eksploatacji. Choć silniki te są urządzeniami raczej niezawodnymi, niekiedy jednak mogą ulegać przedwczesnym awariom. Wśród możliwych przyczyn takich sytuacji wymienić należy przede wszystkim: niewłaściwą obsługę i smarowanie, złe warunki środowiskowe, nieodpowiednią wartość napięcia zasilania oraz niewłaściwe dopasowanie silnika do konkretnej aplikacji. Wszystkie te przyczyny powodują w zasadzie jeden, zgubny dla silnika skutek − nadmierny wzrost temperatury.

Właśnie nadmierne nagrzewanie się to najczęstsza przyczyna awarii silników (rys. 1). Wzrost temperatury może nastąpić w sekcji łożysk (smarowanie, ustawienie itp.), w uzwojeniach (niewłaściwy projekt, napięcie itp.) lub też może być efektem działania czynników zewnętrznych (temperatura otoczenia, stan środowiska zewnętrznego itp.).

Nieocenionym źródłem informacji o stanie pracy silników indukcyjnych może być wprowadzenie ciągłego monitoringu ich najistotniejszych parametrów energetycznych i zasilania. Współczesne urządzenia pomiarowe, mierzące napięcie, prąd i temperaturę, mogą dostarczyć niezbędnych danych dotyczących wielu różnych aspektów funkcjonowania napędów indukcyjnych. Wśród nich warto wymienić:

• jakość napięcia zasilania (na zaciskach silnika),
• ekonomiczne wykorzystanie energii,
• kwestie dotyczące ewentualnych zmian obciążenia,
• nadmierne kołysanie napędu,
• charakterystyki uruchomienia i pracy napędu,
• czynniki środowiskowe.

Choć każdy z wymienionych wyżej czynników jest istotny, w niniejszym artykule skupiono się głównie na kwestiach związanych z jakością zasilania, detekcją niewłaściwych zjawisk w tym zakresie i ich wpływem na poprawność funkcjonowania i żywotność napędów indukcyjnych.

Jakość napięcia zasilania na zaciskach silnika

Wszystkie silniki indukcyjne mają tabliczki znamionowe z informacjami pomocnymi w zapewnieniu odpowiednich parametrów ich pracy. Utrzymanie parametrów zasilania na poziomie zapisanym na tabliczce to priorytetowe zadanie w trakcie eksploatacji napędu, jednakże niekiedy niemożliwe do zrealizowania w praktyce ze względu na szkodliwe czynniki zewnętrzne. Jakość energii zasilania zależy od wartości napięcia, kąta przesunięcia fazowego, częstotliwości oraz odchyleń wartości napięcia od wartości znamionowej dla każdej z faz zasilania. Zmiany i odchylenia jednego lub kilku z tych parametrów mogą prowadzić do skrócenia czasu poprawnej pracy silników indukcyjnych. Możliwe kombinacje wspomnianych tu czynników uszeregowano w ośmiu kategoriach zjawisk niekorzystnie wpływających na pracę napędów elektrycznych:

• Trwały wzrost napięcia
• Trwałe obniżenie napięcia
• Asymetria napięć zasilających
• Harmoniczne
• Przebiegi przejściowe, nieustalone
• Zapady napięcia
• Nagłe chwilowe skoki napięcia (wzrost wartości)
• Wahania częstotliwości

Trwały wzrost lub obniżenie wartości napięcia

Silniki indukcyjne projektowane są do pracy w pewnym ograniczonym zakresie wartości skutecznych napięcia zasilania (wg stowarzyszenia NEMA ±10% wartości znamionowej UN). Przy pełnym obciążeniu prądowym napędu wzrost wartości skutecznej napięcia zasilania powyżej 10% UN powoduje znaczne zwiększenie strat w rdzeniu silnika, prowadzące do wzrostu jego temperatury. To niekorzystne zjawisko może pogłębić się pod wpływem podwyższonej temperatury otoczenia. Nadmierne wzrosty napięcia mogą być zawsze obniżone dzięki zastosowaniu odpowiednich urządzeń pomiarowych, kontrolujących wartość skuteczną napięcia na zaciskach silnika, i instalacji odpowiednich obwodów redukujących wartość napięcia w sytuacjach awaryjnych.

Wzrost temperatury silnika związany może być również z pojawieniem się zbyt niskich wartości skutecznych napięcia zasilania (poniżej 10% UN), powodujących zwiększenie poboru prądu. Problem ten rozwiązują częściowo odpowiednio zainstalowane przekaźniki nadmiarowo-prądowe, jednakże ponowny rozruch silnika w warunkach obniżonego napięcia to zjawisko dla niego samego szczególnie niekorzystne. Moment uzyskiwany w trakcie takiego rozruchu może okazać się niewystarczający dla uzyskania przez silnik właściwej prędkości obrotowej.

Jeżeli urządzenia monitorujące wartość napięcia zasilania umieszczone są w pewnej odległości od kontrolowanego napędu, spadek napięcia pomiędzy nimi powinien być uwzględniony przy ustalaniu progów wartości alarmowych (wartości skutecznych napięcia wywołujących alarm).

Asymetria napięć zasilających

Niesymetria napięcia zasilania (również dla pojedynczych faz) to również jedna z głównych przyczyn awarii silników indukcyjnych (rys. 2). Niesymetria taka w przypadku w pełni obciążonego, wielofazowego silnika powoduje pojawienie się nieproporcjonalnie większej niesymetrii prądów płynących w jego uzwojeniach (rys. 3). Duża niesymetria prądów zaś wywołuje dodatkowe straty w silniku, zwiększające jego temperaturę. Ostatecznie więc, nadmierne nagrzewanie się silnika prowadzi do zniszczenia jego izolacji i tym samym skrócenia żywotności całego napędu.

Rysunek 2. Jak pokazuje fotografia, przyczyną zniszczenia silnika może być również zjawisko niesymetrii napięć zasilających

Rysunek 3 Wykres ten pokazuje, jak na skutek wystąpienia niesymetrii zasilania pojawiają się nieproporcjonalnie większe niesymetrie prądów w uzwojeniach silników indukcyjnych

Rysunek 4. Wykres ten pokazuje zależność pomiędzy niesymetrią napięć a spowodowanym przez nią wzrostem temperatury silnika

W celu ograniczenia niekorzystnego oddziaływania niesymetrii na izolację silnika powinno się ograniczyć jego obciążenie proporcjonalnie do stopnia niesymetrii napięcia. W przypadku niesymetrii przekraczających poziom 1% warto rozważyć obniżenie wartości napięć znamionowych dla silnika, zaś w przypadku niesymetrii większych niż 5% silnik powinien być wymieniony na inny.

Wiele z dostępnych na rynku systemów monitoringu sieci zasilania umożliwia pomiar niesymetrii napięcia zasilania zarówno metodą IEC (bazującą na składowych symetrycznych), jak i metodą NEMA (bazującą na maksymalnych odchyleniach od wartości średniej). Każda z tych metod jest dopuszczalna, pod warunkiem że będzie konsekwentnie stosowana we wszystkich pomiarach. Właściwszymi warunkami pomiaru niesymetrii jest stan, gdy silnik nie jest obciążony. Silniki z obciążeniem trójfazowym mają tendencję do tzw. rebalansu, czyli kompensacji niesymetrii w układzie trójfazowym, które to zjawisko może powodować swego rodzaju maskowanie, ukrycie rzeczywistego poziomu niesymetrii zasilania.

Harmoniczne

Zaburzenia napięcia zasilania zwane harmonicznymi to dodatkowe częstotliwości pojawiające się w sieci, o wartościach stanowiących całkowitą wielokrotność częstotliwości podstawowej przebiegu zasilającego.

Częstotliwości harmoniczne napięcia powodują dodatkowe nagrzewanie się silnika. Jest ono rezultatem ciepła związanego z dodatkowymi stratami powstającymi w wyniku istnienia tychże harmonicznych (I2R). Zwiększają się również straty związane z pętlą histerezy oraz powstawaniem dodatkowych tzw. prądów wirowych. Harmoniczne napięcia mogą zawierać składowe kolejności zgodnej, przeciwnej i zerowej, zależnie od tego, którego rzędu harmoniczne pojawiają się w sieci zasilania (tabela 1). Składowe kolejności zgodnej zwiększają wartość momentu silnika w kierunku jego obracania się, składowe kolejności przeciwnej zwiększają moment w kierunku przeciwnym do obrotów silnika. Składowe kolejności zerowej nie mają wpływu na wartość momentu obrotowego silnika, jednakże generują dodatkowe straty. Zmiany momentu obrotowego silnika, wynikające z występowania składowych kolejności zgodnej lub przeciwnej, powodują zwiększenie prądów uzwojeń silnika oraz wzrost jego wewnętrznej temperatury.

Norma IEEE 519-1995 (PN/EN 61000-3) zawiera dokładne wskazówki dotyczące dopuszczalnych poziomów odkształceń napięcia w różnych odbiornikach (w tym silnikach elektrycznych). Ogólne zalecenie stanowi o ustaleniu granicy monitorowanych odkształceń na poziomie 5% THD (całkowity współczynnik odkształcenia) oraz 3% dla innych częstotliwości charakterystycznych. Podstawowe czynniki decydujące o stopniu odkształceń harmonicznych napięcia zasilania to rodzaj przyłączonego obciążenia oraz impedancje występujące w układzie napędowym.

Przebiegi przejściowe

Przebiegi przejściowe to krótkotrwałe (krótsze od okresu przebiegu podstawowego), zaburzenia kształtu sinusoidy przebiegu podstawowego w sieci zasilania zakładu przemysłowego. Najczęściej są one spowodowane wszelkiego rodzaju przełączeniami, załączeniami lub też działaniem oświetlenia. Przebiegi przejściowe w sygnale napięciowym oddziaływują na izolację uzwojeń silnika, powodując z czasem pogorszenie jej własności izolacyjnych, a niekiedy nawet poważne awarie i zniszczenia. Czynnikami wpływającymi na stopień szkodliwości oddziaływania przebiegów przejściowych występujących w sygnale napięciowym zasilania są: ich wartość (wielkość), czas trwania, czas narastania, wartość energii niesionej przez takie przepięcie oraz impedancji występujących w systemie napędowym. Zniszczenia powodowane przez przebiegi przejściowe pojawiające się w sygnale napięciowym powstają zazwyczaj między uzwojeniami silnika lub uzwojeniami a masą, zależnie od tego, czy dana sieć zasilająca jest uziemiona, czy nieuziemiona. Ze względu na swój indukcyjny charakter silniki są obwodami elektrycznymi przepuszczającymi wysokie częstotliwości (górnoprzepustowymi). Często zniszczeniu ulegają początkowe uzwojenia w silniku (pierwsze lub pierwsze i drugie). Taki efekt jest klasyczną już oznaką zniszczeń powstałych na skutek występowania przebiegów przejściowych w napięciu zasilającym.

Zdolność wykrycia przebiegów przejściowych w napięciu zasilania oraz możliwość powiadomienia użytkownika o tym fakcie to kwestie zasadnicze w zapewnieniu trwałości napędu elektrycznego.

Funkcja wykrycia tego typu zjawisk w sieci zasilania wymaga stosowania urządzeń pomiarowych o bardzo dużej częstotliwości próbkowania oraz bardzo wysokiej dynamice pracy. Zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu przebiegów zmiennych, wartością progową jest tu częstotliwość co najmniej dwukrotnie większa od częstotliwości przebiegu podstawowego napięcia w sieci zasilającej. W celu zminimalizowania wpływu efektu filtracyjnego powodowanego przez przewody doprowadzające, napięcie powinno być mierzone w bezpośredniej bliskości zacisków łączeniowych silnika.

Nagłe zapady i skokowe wzrosty wartości napięcia

Chwilowe zmniejszenie i wzrost wartości napięcia w systemie zasilającym pracującym w stanie ustalonym nazywamy zapadem i skokowym wzrostem napięcia. W przypadku podobnych, ale długookresowych zmian wartości mówimy o trwałym obniżeniu lub wzroście wartości napięcia (zjawiska omówione już wcześniej).

Zapady napięcia mogą mieć znaczący wpływ na pracę silników oraz zachowanie się urządzeń je obciążających. W przypadku skokowych wzrostów napięć wpływ ten jest nieco mniejszy. Zapady napięcia powodują bowiem zmniejszenie osiąganego przez napęd momentu obrotowego, co ma bezpośredni wpływ na jego pracę oraz powoduje nagrzewanie się uzwojeń. Podstawowym zagadnieniem związanym z występowaniem zapadów napięcia zasilania jest ich wpływ na możliwości prawidłowego sterowania silnika. W niektórych przypadkach bowiem zapady napięcia mogą spowodować utratę zdolności skutecznego przyłączenia zasilania do silnika (podtrzymania połączenia, utrzymania zestyków), realizowanego w cewkach łączeniowych i wówczas pojawia się przerwa w obwodzie zasilania takiego napędu. Problem ten nasila się szczególnie wtedy, gdy zapad napięcia jest większy od dopuszczalnego, progowego napięcia podtrzymania styków łączeniowych. Wówczas może dojść do zjawiska odbijania się styków, a w konsekwencji pojawienia się na nich łuków elektrycznych, przegrzania i zniszczenia. Parametrami decydującymi o szczególnej wrażliwości napędu na pojawienie się zapadów napięcia zasilającego są: parametry pracy tego napędu przed wystąpieniem zapadu, kąt fazowy w momencie zapadu, aktualne przesunięcie fazowe oraz charakterystyki pracy zastosowanych styków łączeniowych. Cewki łączeniowe powinny mieć zdolność do prawidłowej pracy w zakresie napięć od 85% do 110% UN. Swego rodzaju paradoksem w napędach elektrycznych jest fakt, że ich układy sterowania są bardzo wrażliwe na występowanie zapadów napięcia, które z kolei są naturalnym zjawiskiem powstającym przy każdym rozruchu silnika (wywoływane przez gwałtowny pobór prądu w trakcie rozruchu).

Zalecane ustawienia wartości progowych dla urządzeń monitorujących pojawienie się zapadów lub skokowych wzrostów napięcia zasilającego wynoszą od 90% do 110% napięcia znamionowego. Zakres ten gwarantuje rejestrację wszystkich niezbędnych danych na temat stanu pracy napędu, co umożliwia analizę jego funkcjonowania w momencie awarii lub ustalenie przyczyn niewłaściwej pracy.

Wahania częstotliwości

W większości krajów rozwiniętych odpowiednie dokumenty rządowe wprowadzają ścisłe ograniczenia (z konsekwencjami karnymi) dotyczące możliwych zmian wartości częstotliwości podstawowej w sieciach elektrycznych, dlatego też jej większe zmiany i odchylenia są bardzo rzadkie. Znaczne wahania częstotliwości w sieci zasilania mogą pojawić się jednak w momencie, gdy użytkownik urządzeń elektrycznych decyduje się na odłączenie od komercyjnej sieci energetycznej i wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą własnych generatorów, pokrywających zapotrzebowanie na nią częściowo lub w całości. Wszystkie silniki trójfazowe projektowane są w ten sposób, by uzyskiwać optymalną wydajność, sprawność przy znamionowej częstotliwości zasilania (podanej na tabliczce znamionowej napędu). Efektem pojawienia się znacznych wahań tej częstotliwości jest dodatkowe nagrzewanie się uzwojeń napędu.

Zaleca się utrzymanie i monitoring dopuszczalnego marginesu zmian częstotliwości zasilania na poziomie ±5% częstotliwości znamionowej. Zachowanie tego marginesu jest ważniejsze nawet od utrzymania w dopuszczalnych granicach zmian wartości napięcia zasilającego.

UR

Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza

Autor:

Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza