Měření při údržbě pohonů a motorů (9. část)

Jak a co kontrolovat na elektromotorech, aby vás náhle neopustily. 

Toto pokračování seriálu o měření při údržbě pohonů a motorů je zaměřeno na měření na vlastních elektromotorech. Popíšeme některé parametry a možnosti jejich měření důležité pro zjištění stavu motoru při údržbě. Za základní parametr motoru, který je nutné kontrolovat při údržbě kromě kontroly pracovního proudu odebíraného motorem lze považovat izolační stav vinutí motoru. Je to parametr, který dlouhodobě ovlivňuje provozní schopnosti všech typů motorů. Velká většina poruch motorů je způsobena právě zhoršením, nebo dokonce poškozením izolace vinutí motoru proti kostře motoru, poškozením izolace mezi jednotlivými cívkami vinutí motoru nebo poškozením izolace mezi závity vinutí jednotlivých cívek.

Obr. 1. Měřič izolačního stavu Kyoritsu 3125A

Základní měření izolačního stavu vinutí, které lze snadno provést, je zjištění izolačního stavu přiložením stejnosměrného napětí vhodné velikosti na jednotlivé cívky motoru a výpočtem odporu z poměru tohoto napětí a protékajícího proudu. To lze provést běžným měřičem izolačního stavu, např. přístrojem Kyoritsu 3125A (obr. 1) s možností volby velikosti napětí od 250 V do 5 kV a rozsahem měřitelného izolačního odporu až 1 TΩ. Vzhledem k tomu, že izolační stav vinutí se mění s časem, jak stárne materiál izolace, ale i s teplotou, která má navíc vliv na rychlost stárnutí, není pouhá kontrola izolačního odporu motorů dostatečným a průkazným indikátorem jeho stavu z pohledu možné poruchy. (Jestliže ovšem sledujeme hledisko dlouhodobého stavu výrobního zařízení, a neřešíme jen následky havárie zanedbaného systému.) Zde je dobré upozornit, že dlouhodobé překračování provozní teploty vinutí motoru o pouhých 10 ˚C, zkracuje životnost jeho izolace o 50 %!

Obr. 2. Uspořádání molekul izolačního materiálu

Obr. 3. Popis izolace jako soustavy kondenzátorů

Kontrola teploty pohonů bude ale tématem některého dalšího pokračování našeho seriálu. Snížení izolační schopnosti vinutí se zjednodušeně projevuje i postupnou ztrátou „elektrické elasticity“ materiálu izolace. V horní části obr. 2 lze vidět náhodné uspořádání molekul izolačního materiálu a v jeho spodní části jejich uspořádání při přiložení stejnosměrného napětí na cívku motoru. K tomuto uspořádání však nedojde okamžitě po přivedení napětí, ale po určité době, neboť jednotlivé molekuly se projevují jako jakési samostatné kondenzátory, které se nabíjejí. Izolaci si lze tedy při zjednodušení představit jako paralelní zapojení odporu R_ISO a kondenzátoru C (obr. 3). Čas nabití tohoto kondenzátoru je závislý, krom jiného, i na „elektrickém“ stáří materiálu izolace, tedy na tom, že postupně více a více molekul se nenastaví ve směru působení elektrického pole izolantu. Lokálně v izolantu vzniká větší elektrické pole, které vede k mikroprůrazům, a tím ke zhoršení izolačního stavu. Při přiložení střídavého napětí, které mění svou polaritu 100× za sekundu dochází k otáčení molekul v rytmu změny polarity napětí. Zpomalené molekuly, které se nestíhají díky stáří izolace otáčet, dále zhoršují izolační vlastnosti materiálu a hrozí průrazem izolace. Z předchozího popisu je tedy jasné, že proud při měření izolace není stálý, ale mění se v čase. Zpočátku je velký a postupně klesá až do jeho ustálení na nejmenší hodnotě, která odpovídá velikosti izolační schopnosti. Čím je tedy tento proud na počátku měření větší a v ustálení menší, nebo naopak, čím je izolační odpor na počátku měření menší a na konci větší, tím je elasticita materiálu lepší, a tedy elektrické stáří izolace lepší. Tento poměr lze tedy snadno využít k zjištění, v jaké stavu je izolace dlouhodobě. Parametr, který využívá tento poměr, se nazývá polarizační index (PI) (obr. 4). V praxi se např. používá poměr odporu naměřeného po jedné minutě po připojení napětí a po deseti minutách. Tedy PI = R_ISO10/R_ISO1. Čím je tento poměr větší, je stáří izolace lepší. V praxi PI > 4 je dobrá, mladá izolace, PI< 1,5 je již velmi stará izolace, která hrozí průrazem. Tuto funkci lze nalézt např. u již zmíněného přístroje KEW3125A. V praxi se velmi vyplatí sledovat, zaznamenávat a vyhodnocovat PI v čase. U velkých nákladných motorů např. po půl roce vynášet naměřené hodnoty do grafu.

Obr. 4. Vyjádření polarizačního indexu

Obr. 5. Test rázovou vlnou

Měření izolačního odporu cívek a jejich PI lze využít při údržbě pro získání představy o stavu a stáří izolace celého vinutí motoru, nedává však, příliš mnoho informací o možných mezizávitových průrazech nebo o průrazech napěťově závislých, které jsou časté, např. při navlhnutí izolace motoru.

Obr. 6. Výsledky pro cívky v dobrém stavu

Obr. 7. Mezizávitový zkrat

Pro ověření takovýchto situací lze snadno použít test rázovou vlnou. Při tomto testu je na jednotlivé cívky postupně přiloženo napětí z předtím nabitého kondenzátoru, jak je naznačeno na obr. 5. Na takto vzniklém rezonančním obvodu se objeví tlumené kmitání. Časový průběh tohoto kmitání charakterizuje stav vinutí. Změna periody a pokles amplitudy tohoto napětí na cívce jsou dány počtem závitů, indukčností cívky, stejnosměrným odporem i parazitními kapacitami vůči kostře motoru atd. V ideálním případě tedy např. při testu třífázového motoru budou tyto tlumené vlny mít stejný tvar pro všechny tři cívky. V praxi se budou v dobrém stavu vinutí lišit velmi málo (obr. 6). Při jakékoliv změně počtu závitů se tento stav projeví ve tvaru tohoto vlnění, a lze tak velmi

snadno odhalit např. mezizávitový zkrat nebo zkrat mezi vinutími dvou cívek apod., jak je naznačeno na obr. 7, kde červený průběh je z napěťově závislého zkratu mezi dvěma cívkami motoru. Další možností ověření stavu motoru je i měření odporu cívek mikroohmetrem. Zde je třeba připomenout nutnost použít čtyřvodičovou metodu, která zajistí kompenzaci vlivu měřicích kabelů a přechodového odporu kontaktu připojení. Popsané měřicí metody a několik dalších pro rychlé ověření stavu motoru při údržbě v sobě sdružuje přístroj z produkce německé firmy Schleich nesoucí název MotorAnalyzer 2 (viz obr. 8), Měřicí část přístroje obsahuje osm konektorů pro připojení tří fází čtyřvodičově. Lze tedy provést všechny základní testy motoru pohodlně bez přepojování. Pro testy s napětím nad 3 kV jsou dvě samostatné bezpečné vn svorky. Lze tedy měřit izolaci a elektrickou pevnost do 6 kV – izolační odpor od 1 MΩ do 99 GΩ. Přístroj měří PI a DAR. Dále obsahuje 3kV rázový generátor pro vlastností ověření vinutí, nízkonapěťový zdroj pro čtyřvodičové měření odporů vinutí v rozsahu od 1 mΩ do 499 kΩ, nízkonapěťový zdroj pro měření odporu připojení k PE v rozsahu 0 až 1 Ω a reléové pole pro připojování měřicích signálů k příslušným svorkám motoru při automatickém testu.

Obr. 8. MotorAnalyzer 2

Mezi doplňkové testy patří např. měření indukčnosti jednotlivých cívek a kapacity vinutí vůči kostře, test směru otáčení motoru před jeho připojením k síti, hledání neutrální zóny komutátoru, hledání mezizávitového zkratu pomocí přídavné sondy – to je test již pro servisní činnost při opravě motoru. Pro snadné a rychlé testování při údržbě je MotorAnalyzer2 vybaven režimem automatického testování, při kterém jsou změřeny odpory a indukčnosti všech cívek a výpočet impedance, izolační odpor vůči kostře napětím nastavitelným od 0 až 3 000 V a nakonec je proveden rázový test na všech vinutích. To vše po jediném zmáčknutí červeného tlačítka bez nutnosti přepojování měřicích kabelů na jiné svorky v přístroji, protože o přivedení správného signálu na správnou svorku se totiž postarají relé uvnitř přístroje. Na obr. 9 je vidět výsledek automatického testu motoru, na obr. 10 průběh PI testu a na obr. 11 výsledek testu rázovou vlnou. Tento test na MotorAnalyzer 2 dále umožňuje automatické krokování s rostoucím napětím až k přednastavené hodnotě. Lze tak snadno nalézt napěťově závislý průraz vinutí. Jak je vidět pravidelná kontrola výše popsaných parametrů motoru může zásadně zlepšit představu o jejich stavu a možné přibližující se havárii a pro tuto činnost se MotorAnalyzer 2 může stát velmi výkonným pomocníkem.

Obr. 9. Výpis automatického testu motoru

Obr. 10. Průběh PI testu

Obr. 11. Výsledek testu rázovou vlnou

V další části seriálu budou probrány možnosti využití termovize pro diagnostiku v oblasti pohonů i motorů.

(pokračování)

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 10/2016 na straně 56. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.