Měření při údržbě pohonů a motorů (2. část)

Co napáchají změny napětí na motoru či pohonu.

V prvé části seriálu bylo řečeno něco krátce o výkonu a jeho vyjádření jako o základním parametru měření na pohonu. Při jeho měření na pohonu je tedy dobré si uvědomit, které složky jsou jak velké a jak je velký činný výkon (P), který odvádí skutečnou práci pohonu. Z obr. 3 a obr. 5 v předchozím díle je patrné, že při stejné efektivní velikosti proudu odebíraného pohonem, je činný výkon tím menší, čím je power factor (PF) horší. U pohonů s měniči frekvence je zhoršení PF dáno hlavně zkreslením odebíraného proudu. To je první indikátor toho, že s pohonem není vše v pořádku. Proud odebíraný měničem je tedy vždy větší, než by odpovídalo jednoduchému kontrolnímu výpočtu praktiků I = P/U, neboť přívodními vodiči (i při nulovém fázovém posunu mezi U a I) protékají proudy harmonických složek. O těch a dalším ale příště.

Obr. 1. Porovnání fázorových diagramů vyvážené a nevyvážené sítě

Nyní se budeme věnovat parametrům, které podstatně ovlivňují provoz jak přímo připojených motorů, tak i pohonů vybavených měniči. Prvním a velmi podceňovaným parametrem, který je sledován i normou ČSN EN 50160 je napěťové nevyvážení, jinak řečeno napěťová nesymetrie třífázové sítě. Na obr. 1 je vidět v levé části fázorový diagram vyvážené sítě, kdy všechna tři napětí jsou stejná, úhly mezi fázemi jsou 120°, tedy střední bod takovéto soustavy, v praxi nulový uzel transformátoru zapojeného do hvězdy, má nulové napětí proti zemi. V pravé části obr. 1 je naznačena soustava nevyvážená, kde napětí jednotlivých fází se liší. Střední bod soustavy je posunut z nulového bodu a jednotlivé fáze nemají odstup 120°. Důsledky této situace na provoz motorů i měničů v praxi mohou být velmi závažné, samozřejmě v závislosti na velikosti nesymetrie.

Obr. 2. Přehřívání motoru vlivem nevyvážených fázových napětí

U motorů přímo připojených na síť při odlišných fázových napětích vinutími jednotlivých fází protéká rozdílný proud, tím se i rozdílně oteplují. Na obr. 2 je patrná závislost napěťového nevyvážení a oteplení vinutí motoru. Jak je vidět již při napěťové nesymetrii 1 %, je nesymetrie proudů protékajících vinutími motoru 6 až 9 % podle konstrukce motoru. Vinutí, kterým protéká díky nesymetrii větší proud, je následně dlouhodobě tepelně namáháno, rychleji u něj stárne izolace a dříve a častěji nastává její průraz. Navíc trpí i ložiska motoru, namáhaná zvýšenými vibracemi vlivem nesymetrie magnetického pole při otáčení.

Obr. 3. Zjištění odchylky výpočtem

Mohlo by se zdát, že předřazením měniče před motor je problém s nesymetrií napětí vyřešen. Na straně motoru, je-li měnič v pořádku, jistě ano. Nicméně nesymetrie ovlivňuje nyní provoz měniče na jeho napájecí straně a její vliv je poměrně větší, než je přímo na motor. Při nesymetrickém napájení vstupní části měniče, kterou je usměrňovač, dochází k posunu pracovního režimu usměrňovače. 

Obr. 4. Rozklad na symetrické složky

Tím dojde ke změně tvaru proudu usměrňovačem odebíraného ze sítě. Proud má jiné zkreslení než při symetrickém napájení, a tím obsahuje i jiné harmonické složky,
které mohou způsobovat značné problémy na síti závodu. O tom ale až v některé další části seriálu. Dalším významným důsledkem nesymetrie napětí napájejícího měnič je nárůst nesymetrie proudu odebíraného měničem. Zde je nárůst proudu při nesymetrii napětí 1 až 15 % proti proudu při symetrickém napětí. Důsledky jsou nasnadě. Velké tepelné namáhání součástek měniče dané fáze vedoucí k náhodným poruchám napájecí části i vliv na napětí meziobvodu napájejícího spínací část, a tím i na provoz motoru. Jak tedy změřit nesymetrii napětí či proudu na motoru nebo vstupu měniče a ověřit její vliv? Jednoduchá metoda je například multimetrem změřit postupně sdružená napětí mezi jednotlivými fázemi, vypočítat průměr a trojčlenkou dopočítat největší odchylku (obr. 3).

Tímto jednoduchým způsobem však získáme představu jen o velikosti napěťového nevyvážení, ale nevíme nic o posunu středního bodu (nuly uzlu transformátoru) atd. Proto je pro ověřování velikosti nesymetrie a jejího vlivu používán způsob nazvaný metoda symetrických složek. Nebudeme se zde pouštět do složitých matematických výpočtů, ty za nás udělá dobrý měřicí přístroj. Tato metoda jednoduše říká, že nesymetrickou soustavu lze rozložit (dekomponovat) na tři samostatné soustavy, jejichž podíl lépe vyjádří vliv nesymetrie, v našem případě vliv nesymetrie napětí nebo proudu. Jak je patrno z obr. 4, nesymetrickou soustavu, tedy třeba třífázovou soustavu napětí, lze rozložit na složku pozitivní sekvence, která má dohodnutý směr otáčení fázorů a pořadí fází. Druhou složkou je negativní sekvence. Ta se vyznačuje opačným směrem otáčení fázorů a u motorů se podílí na jejich neefektivitě (brzdí točivý moment vytvořený pozitivní sekvencí). Na obr. 5 je vidět průběh snížení krouticího momentu (derating) motoru v závislosti na nesymetrii napětí. Je vidět, že motor při 3 % nesymetrie pracuje přibližně na 90 %. Třetí složka rozkladu na obr. 4 je tzv. nulová sekvence. Ta má zvláštní vlastnost v tom, že nevytváří v motoru točivé pole, ale jen protlačuje proud vinutím a motor zahřívá. V rozvodu sítě při existenci nulové sekvence dochází k vytvoření napětí mezi nulovým uzlem transformátoru a zemí. Situace je naznačena na obr. 6.

Obr. 5. Derating motoru

Obr. 6. Napětí mezi nulou transformátoru a zemí

Jak patrno, při nesymetrii napětí se nulová složka napětí uzavírá přes střední vodič N. Tímto vodičem protéká proud a vodič zatěžuje, a tím dochází k nadbytečným ztrátám. Díky impedanci tohoto vodiče však dochází i k úbytku napětí na něm, a tak v místě spotřebiče je proti zemi napětí. Zde, v případě dostatečného proudu a špatného kontaktu
uzemnění, může vzniknout i potenciál překračující dovolené dotykové napětí. Problém s nesymetrií napětí je také ten, že norma ČSN EN 50160 připouští nesymetrii až 3 %, takže pouhou kontrolou sítě v závodě podle této normy je vše v pořádku, a motory trpí. Pro kontrolu stavu motoru či měniče je samozřejmě velmi důležité také ověřit nesymetrii odběru proudu v jednotlivých fázích a i velikost proudu vůči jeho provozní hodnotě. Čím tedy nesymetrii měřit správně? Jak již bylo řečeno, měřit jen napětí není dostatečné. 

Obr. 7. Zobrazení analyzátorem

Nejvhodnější je použít kvalitní analyzátor kvality sítě, kde je zaručeno, že výpočet dekompozice na pozitivní a nulovou složku je správný (to se od přístrojů lákajících cenou nedá očekávat) a máme vše na jedné obrazovce. Na obr. 7 je obrazovka analyzátoru, kde kromě fázorového diagramu napětí a proudů, jsou jejich velikosti a v horní části (červená značka) hodnoty negativní a nulové složky. Zaručenými typy přístrojů jsou přístroje řady Fluke 435, Kyoritsu KEW 6315 nebo Chauvin Arnoux Qualistar.

Nyní se dostáváme k dalšímu parametru napětí sítě, důležitému především pro provoz měničů. Je jím kolísání napětí. Tento parametr je opět definován normou. Z pohledu vlivu na provoz výkonové elektroniky, jako jsou řízené pohony, nejsou důležité jednorázové pomalejší změny napětí v časech trvání od stovek milisekund až po jednotky sekund, jestliže nejsou větší než 10 %. S takovými změnami si elektronika většinou poradí. Větší vliv na stabilitu a životnost měniče mají rychlé změny napětí se šířkou řádově stovky milisekund, které se téměř pravidelně opakují a velikostí ani nemusí překročit limit 10 %. Na obr. 8 je vidět záznam průběhu napětí a proudu z průmyslového podniku s vysokou úrovní impulzních změn. Posledním parametrem napětí, o kterém v tomto díle pohovoříme, jsou změny napětí s vysokou rychlostí. Impulzy – špičky na napětí kratší než 10 ms, tedy než polovina periody síťové frekvence, často nazývané transienty jsou velmi nebezpečné pro izolaci jak vinutí motorů, kabelů a vedení, tak i pro elektroniku řízených pohonů. Na obr. 9 je typický tvar transienty. Velikost špičky napětí je několikanásobně vyšší, než je amplituda sítě, a šíře může být jen 10 až 100 mikrosekund.

Obr. 9. Typický tvar transienty

Takovýto impulz, jestliže se vyskytne na motoru dlouhodobě tepelně namáhaném nesymetrií napětí, motor nemá šanci přežít. Na druhou stranu jsou nebezpečné i malé zákmity. Zde jsou sice změny napětí na špičkách malé, ale velmi rychle se opakují, a jestliže se vyskytují dlouhodobě, mají zhoubný účinek na izolaci. V následující části si povíme o dalším škůdci pohonů a to je zkreslení napětí a proudu, tedy harmonických složkách.