Od pewności poprawnej pracy silników elektrycznych zależy zachowanie ciągłości procesów produkcyjnych. Dlatego wiele czynności diagnostycznych prowadzi się podczas pracy silników.
Diagnostyka silników elektrycznych przeprowadzana jest w warunkach pracy z uwzględnieniem maszyny, która jest napędzana. Podczas analizy istotną rolę odgrywają pomiary częstotliwości prądu zasilania, przez co zyskuje się możliwość wykrycia pęknięć prętów wirnika silnika zwartego lub jego pierścieni. Ważne jest też określenie charakterystyk czasowych prądu zasilania, które mierzone są podczas rozruchu silnika. Określany jest więc zarówno chwilowy prąd rozruchu, jak i czas jego trwania.
W diagnostyce niejednokrotnie używa się przyrządów do statycznego i dynamicznego badania silników elektrycznych. Są one nieodzownym elementem wyposażenia pracowników działów utrzymania ruchu oraz osób, które profesjonalnie zajmują się serwisem silników elektrycznych.
Podczas diagnostyki silników w pierwszej kolejności wykonuje się testy jakości zasilania. Chodzi przede wszystkim o uzyskanie optymalnej jakości energii elektrycznej. Jak wiadomo zasilanie, które nie spełnia określonych parametrów, może być przyczyną dodatkowego obciążenia silnika. Dlatego ważne są testy poziomu napięcia i jego równowagi, a także zniekształceń harmonicznych i zniekształcenia całkowitego.
Ważnym elementem diagnostyki silników są testy wydajności. To właśnie dzięki nim uzyskuje się ocenę obecnego stanu działania silnika, łącznie z wykrywaniem przeciążeń i źródła ich generowania. Oprócz tego analizowany jest efektywny współczynnik pracy, obciążenie oraz warunki operacyjne. Co ciekawe, niejednokrotnie istnieje możliwość obliczenia okresu zwrotu z inwestycji.
Podczas diagnostyki pracy silnika jedną z kluczowych kwestii stanowi zidentyfikowanie przeciążeń termicznych silnika, rozpoznanie pogorszenia stanu ogólnego oraz wskazanie przyczyny ewentualnych strat energii.
Bardzo często przeprowadzane są testy prądu. Analizuje się więc jego przeciążenia i asymetrie. Niejednokrotnie wykonuje się również testy spektrum, które obejmują przede wszystkim testy: prętów wirnika, spektrum V/I, zdemodulowanego spektrum i wartości harmonicznych. Jakie zatem korzyści zyskuje się dzięki testom spektrum? Przede wszystkim możliwe jest pokazanie związku pomiędzy prądem i napięciem a częstotliwością. Oprócz tego wykrywane są problemy z nasyceniem, a także pęknięte pręty wirnika i nadmiar napędów VFD na szynach niskiego napięcia.
Istotną rolę podczas diagnostyki silników elektrycznych odgrywają testy momentu obrotowego. Warto podkreślić, że testy falowania momentu obrotowego i spektrum momentu obrotowego umożliwiają szybką i dokładną identyfikację wielu problemów. Diagnozowane są więc problemy mechaniczne, a także przejściowe przeciążenia, nierównowagi mechaniczne oraz problemy z łożyskami i kawitacja.
Nie bez znaczenia pozostają również testy połączeń. W tym zakresie jako podstawowe narzędzia wykorzystywane są m.in. diagramy fazowe, słupkowe wykresy prądu, napięcia oraz składowych harmonicznych. Przeprowadzane są także testy chwilowego napięcia, częstotliwości i części symetrycznych. Wykonuje się również śledzenie prędkości podczas dynamicznej diagnostyki napędów VFD.
Wibrodiagnostyka
W odniesieniu do silników elektrycznych analiza drgań daje szerokie możliwości w zakresie wykrywania usterek, czyli diagnozowania niewyważonych elementów obrotowych oraz nieosiowości i zgięć wału. Wibrodiagnostyka jest używana podczas prac serwisowych elementów tocznych łożysk, gdzie analizuje się częstotliwość udarów pojedynczego elementu łożyska. Diagnostyka tego typu sprawdza się przy wykrywaniu luzu łożysk ślizgowych w obudowach. Nie bez znaczenia pozostają możliwości diagnozowania wirów olejowych, biczów w łożysku ślizgowym, a także wirów histerezowych. Ważna jest rola wibrodiagnostyki w procesie wykrywania zniszczonych lub zużytych kół zębatych i luzów mechanicznych. Działy utrzymania ruchu za pomocą analizy drgań wykrywają uszkodzone pasy napędowe, a także wzrosty turbulencji.
Warto dodać, że diagnostyka, bazująca na analizie wibracji, nie zapewnia bezpośredniego obserwowania efektów zużycia, lecz wyłącznie symptomów tych zjawisk. Intensywność symptomów bardzo często wrasta w miarę upływu czasu eksploatacji. Tym sposobem nakładając uzyskane dane na wykres, uzyskuje się tzw. „krzywą życia obiektu”, która określana jest przez intensywność symptomu wibroakustycznego w funkcji czasu eksploatacji maszyny.
Na przykład przyrząd SKF Microlog AX stanowi narzędzie przeznaczone do monitorowania stanu maszyn za pomocą analizowania sygnału wibracji, poprzez czterokanałowe trasowe i beztrasowe pomiary oraz jedno- lub dwupłaszczyznowe wyważanie statyczne albo dynamiczne w zakresie od 10 (0,16 Hz) do 4,8 mln obr./min (80 kHz). W przypadku oceny stanu łożysk przyrząd bazuje na technologii analizy obwiedni przyspieszenia (gE). W konstrukcji urządzenia przewidziano cyfrowe przetwarzanie sygnałów oraz szybkie przetworniki A/C sigma-delta.
Jakość zasilania
Na prawidłową pracę silników elektrycznych w dużej mierze wpływa jakość zasilania, dlatego istotną rolę odgrywają analizatory jakości zasilania. To właśnie dzięki nim można śledzić napięcie pod kątem wartości średnich, minimalnych, maksymalnych i chwilowych. Nie bez znaczenia pozostaje również analizowanie prądu. W tym zakresie zyskać można więc informacje na temat wartości średnich, minimalnych i maksymalnych oraz chwilowych. Może być również zmierzony bieżący pobór prądu bezpośrednio lub za pomocą przekładników prądowych. Nowoczesne urządzenia zapewniają analizowanie współczynników szczytu dla prądu i napięcia. Kluczową funkcją jest również pomiar częstotliwości, którego zakres, w zależności od modelu urządzenia, wynosi średnio od 40 Hz do 70 Hz.
Ważną rolę odgrywa zarówno pomiar, jak i analizowanie mocy czynnej, biernej, odkształcenia i pozornej. Przydatna jest również funkcja określania charakteru mocy – pojemnościowa lub indukcyjna. Rzecz jasna moc może być również rejestrowana. Nie bez znaczenia pozostaje możliwość określenia współczynnika mocy (cos φ, tg φ) oraz analizowania przeciążenia transformatora, które często jest efektem działania harmonicznych. Ważną funkcją jest więc analizowanie harmonicznych, łącznie ze śledzeniem współczynnika zniekształceń harmonicznych THD dla prądu i napięcia. Przydatna okaże się również funkcjonalność urządzenia, dzięki której możliwe jest określenie wskaźnika krótkotrwałego oraz długotrwałego migotania światła. Równie ważne jest zdefiniowanie asymetrii napięć i prądów. Wszystkie przepięcia, zapady oraz przerwy napięcia są rejestrowane. Podobne możliwości zyskujemy względem natężenia prądu.
Termowizja
Warto również zwrócić uwagę na użycie termowizji podczas diagnostyki układów odpowiedzialnych za przenoszenie napędu. Chodzi przede wszystkim o sprzęgła, tuleje, przeguby, łańcuchy, a także pasy i koła pasowe. Jak wiadomo, pracy elementów tego typu towarzyszy wzrost temperatury. W jaki sposób powstaje ciepło? Jest ono efektem tarcia w czasie przesuwania się pasa po kole. Ciepło może być spowodowane ciągłym naprężaniem pasa. Należy podkreślić, że podczas normalnej pracy napędu pas jest chłodzony powietrzem i temperatura rozkłada się równomiernie. Jeżeli dojdzie do zakłóceń, termogram wykaże elementy układu o podwyższonej temperaturze.
Korpus silnika elektrycznego w świetle podczerwonym stanowi cenne źródło informacji dla elektryka. Przede wszystkim można wykryć wysoką temperaturę i przegrzanie stojana napędu. Kontroli można poddać także wirnik, pracę szczotek oraz stan połączeń prętów z pierścieniami.
Dzięki kamerze termowizyjnej FLIR E40Bx użytkownik może skorzystać z wielu technologii, które poprawią komfort użytkowania urządzenia. Technologia Meterlink stanowi bezprzewodową komunikację z cęgowym miernikiem pomiarów elektrycznych w utrzymaniu ruchu lub energetyce. Jest również możliwa wymiana danych z miernikiem wartości fizycznych. Przede wszystkim chodzi o przyrządy do pomiaru RH, wilgotności powierzchniowej oraz temperatury powietrza. Oprócz tego przewidziano komunikację Wi-Fi, zapewniającą przesył obrazów do produków Apple (iPhone, iPad itp.) oraz obróbkę termogramów za pomocą programu FLIR Viewer.
Zabezpieczenia elektroniczne
Za monitorowanie stanu silników mogą odpowiadać zabezpieczania elektroniczne, które dodatkowo chronią napęd elektryczny. Urządzenia w pierwszej kolejności gwarantują ochronę termiczną. Kontrolowane jest napięcie w każdej fazie w odniesieniu do wartości wprowadzonych przez użytkownika. Równie istotne pozostaje także zapewnienie ochrony przed częstym rozruchem. System pamięta stan nagrzania zabezpieczanego silnika. W przypadku częstych rozruchów rośnie jego temperatura, co w konsekwencji może prowadzić do przegrzania. Jeżeli temperatura przekroczy określoną wartość, zabezpieczenie blokuje kolejne rozruchy. Kompleksowe zabezpieczenia chronią silnik przed zwarciem doziemnym. Najczęstszą przyczyną jego wystąpienia jest starzenie się izolacji przewodów elektrycznych. Wykrywane są w sposób selektywny zwarcia doziemne na zadanym przez użytkownika poziomie.
Ważne pozostaje także zapewnienie ochrony silnika 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.
Na przykład w skład elektronicznego zabezpieczenia typu Master wchodzą trzy toroidalne przetworniki prąd-napięcie oraz moduł elektroniczny przystosowany do współpracy ze stycznikiem w układzie sterowania ręcznego lub samoczynnego. Konstrukcja przetworników umożliwia zamontowanie ich bezpośrednio na przewodach obwodu prądowego za pomocą opaski kablowej. Z kolei elektroniczne zabezpieczenie silników z serii GL znajduje zastosowanie w sterowniach silnikowych, a także w pompach, kompresorach, wirówkach, chłodniach przemysłowych, windach, dźwigach, podnośnikach oraz wszędzie tam, gdzie wymagane jest zapewnienie ochrony silnika zarówno w fazie rozruchu, jak i pracy. W urządzeniu można zastosować zewnętrzny moduł sygnalizacyjny. Jest on połączony z zabezpieczeniem przewodem taśmowym o długości 2 m.
UR
Autor: Damian Żabicki
