Měření při údržbě pohonů a motorů (1)

Proč je dobré vědět, co se děje na pohonu? Proč nestačí jen čekat, až dojde k poruše?

Dnešní průmyslové podniky, a nejen ty, využívají z mnoha důvodů více a více pohonů s elektronickým řízením otáček. Motorů přímo připojených na elektrickou síť je stále méně, a i ty, které dříve byly rozbíhány přepínáním Y/D, jsou připojeny různými „soft“ startéry. Důvodem je samozřejmě technologie výroby, ale i snížení spotřeby a dynamiky rozběhových proudů pohonů.

Důvod úspor je významný, neboť pohony spotřebovávají statisticky až 70 % celkové elektrické energie v průmyslu. Provoz pohonů také zásadním způsobem ovlivňuje plynulost výroby, tudíž každá porucha způsobuje značné ztráty. Udržování pohonů v optimálních podmínkách vede tedy k minimalizaci jejich spotřeby, ale i redukci počtu poruch. Je proto ekonomicky výhodné znát stav pohonů a průběžně jej ověřovat.

Protože stále hovoříme o pohonech elektrických, měření a ověřování elektrických a teplotních parametrů je zásadní činností, přinášející uvedené výhody. Měření a ověřování se však velmi zanedbává.

V tomto seriálu článků se budeme zabývat měřeními, která je vhodné provádět pro ověření stavu, v jakém pohon v průběhu jeho života je. Při popisu jednotlivých měření budeme postupovat logicky od napájecích svorek pohonu, přes měření na vnitřním meziobvodu a výstupních svorkách měniče, až k měření na vlastním motoru a i jeho hřídeli tak, jak je naznačeno v blokovém schématu na obr. 1.

Obr. 1. Blokové schéma připojeného motoru

V seriálu se budeme také zabývat využitím termovizní techniky k identifikaci počínajících poruch, a v části popisující měření na výstupu měniče se dotkneme bezpečnosti měřicích přístrojů. Při popisu měření a vyhodnocování jednotlivých parametrů budeme pro jednoduchost předpokládat, že měnič (regulátor otáček) využívá k řízení pulzně šířkovou modulaci (PWM) a připojený motor je střídavý motor s kotvou na krátko. V seriálu se nebudeme zabývat problematikou mechanických měření, jako je např. měření vibrací a souososti, ani mazáním. Nicméně se zastavíme u problému hřídelového napětí a ložiskových proudů, možnosti jejich identifikace a měření.

Nyní se vraťme na začátek blokového schématu uvedeného na obr. 1, k napájecím svorkám měniče.

Pohon je napájen z elektrické sítě závodu či budovy a elektrické parametry napájecí sítě zásadním způsobem ovlivňují provozní schopnosti měniče i motoru (v případě, že je přímo připojen na síť). Na druhou stranu proud odebíraný měničem ovlivňuje zpětně napájecí síť závodu a v některých situacích zpětně i sám sebe.

Díky využívání výkonové elektroniky a dalších nelineárních zátěží v průmyslu je napětí sítě jen vzdáleně sinusové, o proudu v síti závodu ani nemluvě. Pro představu na obr. 2 – modrá stopa – je naznačen průběh proudů odebíraného šestipulzním usměrňovačem. Je zřejmé, že nemá se sinusovým průběhem nic společného. Proto, než se pustíme do popisu toho, co měřit na vstupních svorkách měniče a jak měření vyhodnotit a ověřit tak, jak je ovlivňován napájecí sítí a současně jak ji sám ovlivňuje, je nutné si krátce připomenout základní parametry elektrické energie.

Obr. 2. Tvar proudů odebíraného šestipulzním usměrňovačem

Základní parametry kvality elektrické energie a limity její kvality jsou určeny normou ČSN EN 50160. Tato norma říká, kdy je „síť“ ještě v pořádku a kdy některý parametr již limit překročil. Špatná zpráva pro provoz a údržbu zařízení připojených na síť uvnitř závodu je, že kvalita definovaná touto normou je určena pro distribuční síť na primární straně transformátoru v připojovacím bodě závodu, tedy pro vztah dodavatel – odběratel.

To, co se děje na sekundární straně transformátoru napájejícího výrobní zařízení z 85 až 95 % určují připojená zařízení. Ve výjimečných situacích dochází k přenosu především poklesů napětí z distribuční sítě na sekundární stranu, jedná se však pouze o 5 až 10 % případů.

Podstatné je, že většina nekvality elektřiny, která ovlivňuje provoz elektrických zařízení v závodě, je vytvářena uvnitř sítě závodu a ve většině případů dokonce vlastními měniči. Vyhodnocovat tedy kvalitu elektrické energie uvnitř závodu podle ČSN EN 50160 a konstatovat, že „máme vše v pořádku“ a hledat příčinu problémů na strojích v nadřazené síti nevede k úspěchu. O to je důležitější vědět, které parametry jsou podstatné, a jaké vlastnosti sítě jsou již škodlivé pro provoz pohonů.

Jmenujme parametry napájecí sítě, které mohou ovlivnit provoz i životnost měničů.

První je jistě napájecí napětí a jeho stabilita, tedy jmenovitá hodnota, kolísání a nesymetrie. Dále pak krátkodobé jevy jako jsou napěťové špičky, přechodové jevy a zákmity. Další významný vliv má i zkreslení napětí sítě, tedy úroveň harmonických i neharmonických složek. Avšak velmi důležité jsou parametry proudové, které významně informují o stavu měniče, a to nesymetrie proudu a jeho zkreslení.

Než začneme, připomeňme si jednu ze základních elektrických veličin, kterou kromě napětí a proudu je elektrický výkon.

Na obr. 3 je zobrazen časový průběh střídavého napětí, proudu a činného výkonu. Proud je zde posunut o 30° . Skutečný výkon přenášený takovýmto systémem, např. napájením motoru je dán S = U × I.

Činný výkon je tedy dán vzorcem P = U × I × cosφ

Vztah mezi jednotlivým výkony S, P výkon jalový Q, který charakterizuje vliv fázového posuvu mezi U a I je:
S² = P² + Q²      cosφ = P/S

Obr. 3. Časový průběh střídavého napětí, proudu a činného výkonu

Obr. 4. Situace, kdy napětí je sinusové, ale proud je zkreslen vlivem usměrňovače pohonu a proud má specifický průběh

V situaci měření na měniči je důležité si uvědomit, že tento vztah platí pouze v případě, že jak napětí, tak i proud mají čistě sinusový průběh. To však u měničů a v průmyslu vesměs neplatí.

Na obr. 4 je zobrazena situace, kdy napětí je sinusové, ale proud je zkreslen vlivem usměrňovače pohonu a proud má specifický průběh. Činný výkon zde v porovnání s průběhem výkonu na obr. 3 má také nesinusový průběh. Všimněme si, že velikost činného výkonu P na obr. 4 je rozdílná (menší) než na obr. 3, kde jak napětí, tak i proud jsou sinusové. Na obr. 5 je tato situace vyjádřena graficky zavedením dalšího výkonu D, který charakterizuje pro jednoduchost vliv zkreslení proudu na rozdělení jednotlivých složek výkonu.

Zdánlivý výkon S je pak ve vztahu: S² = P² + Q² + D²

Lze tak zavést zobecněný parametr PF (power factor), který respektuje vliv zkreslení proudu: PF = P/S

Pak platí, že v případě, že D = 0, tedy neexistuje zkreslení, je PF = cosφ. Jinak řečeno PF bude vždy menší než cosφ, jak je zřejmé z obr. 6, který je snímkem obrazovky analyzátoru kvality. Rozdíl ve velikosti PF a cosφ signalizuje přítomnost zkreslení napětí nebo proudu nebo obojího. V případě pohonů je to ve většině případů však proud. Proud odebíraný měničem je pak 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.

Obr. 5. Graficky vyjádřená situace zavedením dalšího výkonu

Obr. 6. Snímek obrazovky analyzátoru kvality

Dále se budeme věnovat parametrům, které podstatně ovlivňují provoz pohonů vybavených měniči. Prvním a velmi podceňovaným parametrem, který je sledován i normou EN 50160, je napěťové nevyvážení, jinak řečeno napěťová nesymetrie třífázové sítě. Na obr. 7 je v pravé části zobrazen 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 levé části obrázku je naznačena soustava nevyvážená, kde se napětí jednotlivých fází liší. Střední bod soustavy je posunut z nulového bodu a jednotlivé fáze nemají odstup 120° . Důsledky této situace na provoz měničů v praxi mohou být velmi závažné, samozřejmě v závislosti na velikosti nesymetrie.

Obr. 7. V pravé části obrázku je fázorový diagram vyvážené sítě, všechna tři napětí jsou stejná, úhly mezi fázemi jsou 120°, v levé části je nevyvážená soustava, kde se napětí jednotlivých fází liší

Při nesymetrickém napájení vstupní části měniče, kterou je usměrňovač, dochází k posunu pracovního režimu usměrňovače. To způsobí změnu tvaru proudu usměrňovače odebíraného ze sítě. Proud má jiné zkreslení než při symetrickém napájení, a tím i obsahuje jiné harmonické složky, které mohou způsobovat značné problémy na síti závodu a samozřejmě protékají distribučním transformátorem. Dalším významným důsledkem nesymetrie napětí napájejícího měniče je nárůst nesymetrie proudu měničem odebíraného. Zde nárůst proudu může být až 15 % při nesymetrii napětí 1 %. Důsledky jsou zřejmé. Vysoké 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. Na obr. 8 je zachycena změna průběhu proudu šestipulzního měniče při nesymetrickém napájení.

Obr. 8. Změna tvaru proudu šestipulzního měniče při nesymetrickém napájení

Jak tedy změřit nesymetrii napětí či proudu a všechny další parametry sítě, vnitřní napětí a proudy meziobvodu i napětí a proudy na výstupu měniče? V minulosti k tomu bylo třeba jednak analyzátor kvality sítě a pak osciloskop s izolovanými kanály. Nyní je věc mnohem snazší.

Obr. 9. Analyzátor MDA 550

Společnost Fluke vyvinula přístroj s názvem MDA 550 (Motor Drive Analyzer obr. 9), který zahrnuje všechny potřebné funkce pro ověřování stavu měniče počínaje vstupními svorkami a konče hřídelí motoru.

V příští části seriálu si postupně probereme, jak tímto přístrojem ověřit parametry napájení, tedy i nesymetrií, a všechny další potřebné parametry.

www.blue-panther.cz