Utrzymanie sprawności silników indukcyjnych prądu przemiennego

Jeśli urządzenia w fabryce zaczynają szwankować, należy szybko wyizolować przyczynę. Czy problem tkwi w silniku, czy w układzie rozruchowym? W lipcowym wydaniu I&UR, w artykule „Naprawiać czy wymieniać? Właściwe decyzje dotyczące silników”, omówione zostały przesłanki, którymi należy się kierować przy podejmowaniu decyzji o naprawie lub wymianie. W niniejszym artykule przyjrzymy się często spotykanym kłopotom z trójfazowymi silnikami indukcyjnymi, jak je diagnozować i naprawiać. Nie można prowadzić poważnej dyskusji na temat technicznej obsługi urządzeń elektrycznych bez wcześniejszego omówienia spraw bezpieczeństwa. Należy upewnić się, że wszystkie możliwe środki bezpieczeństwa zostały powzięte w celu zabezpieczenia pracowników. Należy przestrzegać zasad przyjętych w danym miejscu pracy. Zasady te mogą uwzględniać użycie osobistych zabezpieczeń, procedury wyłączania i oznaczania miejsca pracy i inne czynności zabezpieczające, które zostały przyjęte w pracy z urządzeniami elektrycznymi. Należy pamiętać, że w przypadku urządzeń elektrycznych pierwszy błąd może być ostatnim.

Laserowane zestawy nastawcze i inne dostępne narzędzia pomagają właściwie i precyzyjnie ustawić silnik i napędzane urządzenie. Oś silnika musi być centryczna z osią napędzanego urządzenia, aby zoptymalizować pracę zestawu

Podstawowe narzędzia diagnostyczne

Przed rozpoczęciem pracy należy zgromadzić podstawowe przyrządy diagnostyczne. Potrzebne będą te typowe w rozpoznawaniu problemów silnikowych, takie jak woltomierz, amperomierz, omomierz i megaomomierz. Wykorzystujemy je do pomiarów napięcia, prądu i rezystancji silnika.

Przegrzanie silnika

Jednym z podstawowych źródeł problemów z silnikami jest przegrzewanie się. Nie jest tajemnicą, że silniki produkują ciepło w czasie swojej pracy. Ciepło jest efektem oporów uzwojenia i innych oporów generowanych przez indukcję, wpływ magnetyzmu używanego do tworzenia momentu obrotowego silnika. Jako zasadę można przyjąć regułę, że na każde 10 stopni Celsjusza wzrostu temperatury silnika, jego żywotność zmniejsza się o 50%. Zatem niezmiernie ważne jest eliminowanie złego wpływu przegrzewania silnika.

Dlatego silniki są zaprojektowane tak, aby rozpraszać ciepło w czasie normalnej pracy poprzez zewnętrzne powierzchnie oraz często stosowane wentylatory. Do pewnych zastosowań używa się silników z usprawnioną redukcją emisji ciepła, jak na przykład całkowicie zamknięte silniki bez wentylacji (TENV), chłodzone wodą i z wymiennikami ciepła powietrze-powietrze. Mimo najlepszych starań producentów, przegrzewanie jest jednak stałym problemem. Symptomy przegrzania silnika mogą przejawiać się nadmierną temperaturą zewnętrznych części, utratą mocy lub uszkodzeniem uzwojenia.

Jeśli silnik często startuje i zatrzymuje się, może nie działa wystarczająco długo na pełnych obrotach, aby oddać ciepło przez własną wentylację.

Wahania napięcia

Wahania napięcia są często spotykaną przyczyną przegrzewania się. Jako przyczynę przegrzania przyjmujemy niestabilne napięcie „jeśli procent wzrostu temperatury jest równy dwukrotności kwadratu procentu wahań napięcia”. Dla przykładu, 3% wahanie napięcia może skutkować 18% wzrostem temperatury silnika (2x(3%)²). Aby zbadać, czy napięcie jest stabilne, należy najpierw sprawdzić napięcie dostarczane do silnika, gdy jest on wyłączony. Należy ustawić woltomierz na pomiar napięcia prądu trójfazowego we właściwym dla zasilania zakresie. Pomiaru dokonuje się po stronie linii zasilającej (po stronie zasilającej układ startowy silnika), sprawdzając napięcia pomiędzy fazami oraz pomiędzy każdą z faz a uziemieniem. Pomiar napięcia pomiędzy fazami powinien dawać te same odczyty. Jeśli wahania napięcia istnieją po stronie zasilania, taki pomiar na niepracującym silniku je wykryje. Należy skontrolować system zasilający i rozwiązać problem z nim związany. Może to być spowodowane ze źle pracującym zabezpieczeniem, niestabilnym zasilaniem całego budynku, transformatorem lub przekrojem kabla zasilającego. Pomiar napięcia pomiędzy fazą a uziemieniem może się różnić ze względu na konfiguracje napięcia zasilającego, jednak te pomiary mogą być przydatne w dalszych badaniach.

Jeśli napięcie zasilania jest w porządku, następnym krokiem jest użycie woltomierza do sprawdzenia napięcia po stronie zasilanej urządzenia sterującego silnikiem w trakcie jego pracy (zaciski T silnika, napięcia pomiędzy T1 a T2, T2 a T3, T3 a T1, T1 a uziemieniem, T2 a uziemieniem, T3 a uziemieniem) Te pomiary sprawdzą napięcia występujące pomiędzy silnikiem i jego uzwojeniem a urządzeniem sterującym silnikiem.

Jeśli napięcia wskazywane nie są zbalansowane jedynie w trakcie pracy silnika, problem leży we wnętrzu silnika, w jego uzwojeniu lub w przewodach pomiędzy urządzeniami startującymi silnik a nim samym. Należy odłączyć napięcie od urządzenia sterującego i wykonać całą procedurę oznaczania zgodnie z procedurą bezpieczeństwa. Używając omomierza, należy sprawdzić rezystancję zacisków silnika i urządzeń sterujących. Pozwoli to na sprawdzenie silnika i jego okablowania. Należy sprawdzić i zapisać rezystancje pomiędzy wszystkimi fazami i pomiędzy fazami a uziemieniem. Zmierzone wartości rezystancji pomiędzy fazami powinny być bardzo do siebie zbliżone i znajdować się w przedziale wskazanym przez producenta. Wartości rezystancji zależą od mocy silnika i napięcia znamionowego. Rezystancje pomiędzy fazami a uziemieniem powinny być bardzo wysokie dla każdej kombinacji pomiarowej.

Jeśli rezystancje pomiędzy fazami są wysokie, może występować przerwa w uzwojeniu silnika, przerwa w przewodach doprowadzających lub źle wykonane połączenie w skrzynce zaciskowej. Należy odłączyć silnik od skrzynki zaciskowej i dokonać pomiarów ponownie z użyciem omometru. Należy ustalić, czy przyczyna leży po stronie silnika, czy też przewodów zasilających. Od tego zależy, czy zostanie wymieniony silnik, przewody zasilające, czy też połączenia w skrzynce zaciskowej.

Jeśli rezystancja pomiędzy fazą a uziemieniem jest niska, należy odłączyć silnik od skrzynki zaciskowej i sprawdzić zaciski silnika. Jeśli rezystancja silnika jest niska, w silniku jest zwarcie i musi zostać wymieniony. Jeśli rezystancja faza–uziemienie jest duża, należy sprawdzić przewody zasilające. Zużyte przewody należy wymienić lub ponownie połączyć, odpowiednio je izolując, aby uniknąć przepięć.

Jeśli nie występują problemy z rezystancją mierzoną omometrem, należy użyć megaomometru do sprawdzenia tych samych parametrów jak przedstawione dla omometru. Megaomometr sprawdza uzwojenie i okablowanie dużo większymi napięciami, pozwalającymi wykryć uszkodzenia izolacji uzwojenia, okablowania i połączeń.

Jednym z podstawowych źródeł problemów z silnikami jest ich przegrzewanie się.

Przeciążenie silnika

Silniki są zaprojektowane do działania w normalnych warunkach i obciążeniach opisanych na tabliczce znamionowej, gdzie zwykle jest pełna informacja o dopuszczalnym obciążeniu prądowym. Obciążenia te nie powinny być przekraczane w trakcie normalnej pracy, jednak czasem krótkie okresy przekroczenia nie są problemem. Silnik nie jest przystosowany do oddania ciepła, które powstaje w trakcie pracy pod zbyt dużym obciążeniem, gdy przekraczane są zakresy prądowe, poza startem i krótkotrwałymi przeciążeniami. Po zweryfikowaniu, że napięcia i rezystancje silnika są poprawne, za pomocą amperomierza dla prądu przemiennego należy zmierzyć prądy. Amperomierz należy połączyć z jednym z zacisków silnika. Pomiary należy wykonać dla każdej z faz (T1, T2 i T3). Odczyty prądów dla każdej z faz powinny być takie same. Jeśli dla wszystkich faz odczytane wartości przekraczają wartości znamionowe, oznacza to, że silnik jest przeciążony. Należy sprawdzić, czy napędzane urządzenie nie jest zablokowane lub przeciążone. Należy też sprawdzić stan łożysk. Silnik może też być źle dobrany do wymaganych obciążeń. Jeśli odczyty z amperomierza różnią się znacząco dla poszczególnych faz, może to wskazywać na problemy z napięciami zasilania lub uszkodzeniami uzwojeń lub połączeń. Należy wówczas sprawdzić napięcia i rezystancje według wcześniejszego opisu.

Środowisko

Silniki wymagają chłodzenia, aby usuwać nadmiar ciepła generowanego w trakcie pracy. Jeśli silnik przegrzewa się, należy sprawdzić, czy w jego otoczeniu nie występują źródła ciepła. Ciepło może być dostarczane do silnika z otoczenia poprzez radiację, konwekcję lub przewodzenie. Jeśli silnik jest zainstalowany blisko pieca, nagrzewnicy lub innego źródła ciepła, należy, o ile to możliwe, przesunąć go w inne miejsce, z dala od źródeł. Ciepło może być też dostarczane do silnika poprzez mechaniczny kontakt z ciepłymi elementami. Gdy silnik jest umieszczony w brudnym i zakurzonym środowisku, akumulacja brudu i kurzu powoduje izolację silnika. Zmniejsza to zdolność do usuwania ciepła.

Inne źródła przegrzewania

Inną możliwością jest zbyt wolna praca silnika. Silniki są projektowane, aby pracować z prędkością obrotową zbliżoną do nominalnej, zawsze jednak zgodnie z zaleceniami producenta. Uruchamiając silnik z różnymi dopuszczalnymi prędkościami, przy właściwych obciążeniach, może on efektywnie pozbywać się ciepła. Silnik zaprojektowany do pracy przy stałym obciążeniu momentem obrotowym powinien pracować z taśmociągami, świdrami, wyciągarkami itd. Zaprojektowany dla zmiennych momentów, nadaje się do pracy z pompami odśrodkowymi, dmuchawami itp. Silniki nie powinny pracować z prędkościami większymi niż te podawane na tabliczkach znamionowych. Jeśli silnik pracuje z prędkością obrotową większą niż nominalna, zmniejsza się oddawany moment obrotowy. Typowa krzywa momentu obrotowego wskazuje na stałą moc i zmieniający się moment obrotowy w górnych zakresach prędkości. Im większa prędkość powyżej nominalnej, tym mniejszym momentem obrotowym dysponuje silnik.

Krótkie cykle pracy także mogą być przyczyną przegrzewania się silnika. W czasie rozruchu przez silnik przepływa większy prąd niż przy normalnej pracy pod obciążeniem.

Jeśli silnik często startuje i zatrzymuje się, może się okazać, że nie działa wystarczająco długo na pełnych obrotach, aby oddać ciepło przez własną wentylację. Alternatywą jest umieszczenie dodatkowego wentylatora o ciągłej pracy, wymuszającego obieg powietrza wokół silnika, jako dodatkowego chłodzenia.

Mała prędkość lub brak momentu obrotowego

Prawidłowo działający silnik powinien szybko osiągać swoje nominalne obroty. Jeśli silnik rozpędza się długo lub spada jego moment obrotowy, należy sprawdzić:

Niskie napięcie – podstawową przyczyną złej pracy silników jest niewystarczające napięcie. Zbyt niskie napięcie powoduje, że silnik nie osiąga swojej nominalnej mocy. Jeśli więc nie jest osiągana wystarczająca wartość momentu obrotowego, należy przede wszystkim sprawdzić napięcie według przedstawionej wcześniej procedury.

Pojedyncza faza – zbyt niskie napięcie jednej z faz nie pozwala na wytworzenie odpowiedniej mocy, aby osiągnąć nominalny moment obrotowy. Charakterystyczny jest niski moment obrotowy lub chrobotanie silnika. W tym wypadku także należy sprawdzić napięcia według przedstawionej procedury.

Znaczące wibracje – znaczna wibracja silnika jest charakterystycznym symptomem problemów z pracą silnika. Zwykle jest to przejaw problemów z samym silnikiem lub jego obciążeniem i może doprowadzić do przedwczesnego uszkodzenia silnika lub jego obciążenia. Jeśli występują wibracje, następujące kroki mogą być pomocne w wykrywaniu przyczyn występowania wibracji i ich usuwaniu:

Nieosiowość lub niewyważone obciążenie – brak osiowości pomiędzy silnikiem a obciążającym go urządzeniem powoduje niepotrzebne wibracje. Skutkiem może być przedwczesne zużycie łożysk silnika lub/i obciążenia. Osie silnika i obciążenia muszą być wycentrowane, aby praca urządzeń była optymalna. Do centrowania służą rozmaite przyrządy, np. laserowe urządzenia centrujące. Silnik i obciążenie muszą być także połączone w pewny sposób z podstawą, aby utrzymywać osiowość i uniknąć wibracji wywołanej słabym umocowaniem.

Brak wyważenia obciążenia – to dodatkowa przyczyna wibracji. Należy sprawdzić, czy jest wyważone urządzenie obciążające silnik. Jeśli występują gdzieś ubytki, np. uszkodzone łopatki wentylatora, należy je naprawić i sprawdzić ponownie czy urządzenie jest wyważone.

Kawitacja pompy – to powszechna przyczyna wibracji pomp, które mogą z kolei powodować uszkodzenia silnika. Kawitacja występuje, jeśli pompa pracuje z niewłaściwymi parametrami, takimi jak zbyt niskie ciśnienie doprowadzające, zbyt duży wirnik, zbyt duża prędkość obrotowa lub zbyt niskie ciśnienie na wyjściu z pompy. Należy sprawdzić prawidłowe parametry pracy pompy podawane przez producenta.

Wybór i utrzymanie silnika

Współczesne silniki elektryczne są w stanie bardzo długo pracować baz awarii, jeśli są właściwie dobrane do zastosowania oraz przeprowadza się przewidziane czynności obsługowe. Wybierając silnik odpowiadający danej potrzebie, należy wziąć pod uwagę:

• napięcie,
• wymagania mocy,
• wymagania mocowania (do podstawy, do ramy itd.),
• wymagane obroty,
• typ obudowy (całkowicie zamknięta, otwarta, bryzgoszczelna itd.),
• wpływ środowiska (temperatura, kurz, pył, opiłki, substancje lotne),
• typ obciążenia (stały moment, zmienny moment, wysoka inercja),
• cykl obciążenia,
• metodę uruchamiania,
• inne specjalne wymagania.

Na właściwą obsługę silnika składa się regularne sprawdzanie smarowania łożysk (nie należy przesadzać ze smarem), monitorowanie wibracji, czyszczenie i monitorowanie stanu.

UR

Artykuł pod redakcją Andrzeja Sobczaka

Autor:

Artykuł pod redakcją Andrzeja Sobczaka