Měření při údržbě pohonů a motorů

Současné průmyslové podniky využívají nejen velké motory různé konstrukce připojené přímo na síť, ale jsou především plné obrovského množství řízených pohonů různých konstrukcí zajišťujících potřeby stále dynamičtější výroby.

Provoz těchto strojů spotřebovává statisticky až 70 % celkové energie využité v průmyslu. Provoz pohonů zásadním způsobem ovlivňuje plynulost výroby, tudíž každá porucha způsobuje značné ztráty. 

Statisticky 44 % poruch způsobených stárnutím pohonu či motoru (myšleno elektrické stárnutí), lze předejít měřením elektrických a teplotních parametrů. Přitom 14 % pohonů pracuje v přetížení, aniž o tom uživatel ví. Neznalost podmínek, za kterých tyto stroje pracují, tedy výrazně ovlivňuje ekonomiku nejen jejich provozu, ale ekonomiku celého závodu. Udržování pohonů a motorů v optimálních podmínkách vede k minimalizaci jejich spotřeby i redukci počty poruch. Vzhledem k tomu, že tématem článku jsou pohony elektrické, měření a ověřování elektrických a případně teplotních parametrů je to zásadní činnost, přinášející stabilitu výroby a ekonomické úspory. 

Obr. 1. Blokové schéma pohonu s měničem

V tomto seriálu článků se tedy budeme zabývat měřeními, která je vhodné provádět pro ověření stavu, v jakém pohon v průběhu svého 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 tak, jak je naznačeno v blokovém schématu na obr. 1. V seriálu se budeme také zabývat využitím termovizní techniky k identifikaci 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 nakrátko. 

Obr. 2. Proud odebíraný šestipulzním usměrňovačem

V seriálu se nebudeme zabývat problematikou mechanických měření, jako je například 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 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 (motorem) ovlivňuje zpětně napájecí síť závodu.

Doby, kdy se dalo předpokládat, že napětí sítě v závodě i proudy sítí protékající mají sinusový průběh, jsou dávno ty tam. Díky využívání výkonové elektroniky a dalších nelineárních zátěží je napětí sítě jen vzdáleně sinusové, o proudu v síti závodu ani nemluvě. Pro představu je na obr. 2 naznačen tvar proudů odebíraného šestipulzním usměrňovačem. Proto, než se pustíme do popisu toho co a jak měřit na vstupních svorkách měniče či motoru a ověřit, jak je ovlivňován napájecí sítí a současně jak ji sám ovlivňuje, je třeba si krátce říci něco o základních parametrech elektrické energie. 

Obr. 3. Časové průběhy (proud posunut o 30°)

Obr. 4. Zavedení pojmu jalového výkonu

Základní parametry kvality elektrické energie a její limity jsou určeny normou ČSN EN 50160. Tato norma tedy říká, kdy je síť ještě v pořádku a kdy některý parametr již limit překročil. Špatná zpráva pro provoz a údržbu zařízení připojených na síť v závodě (tedy i pohonů) je, že norma je určena k definování kvality z hlediska vztahu dodavatele s odběratelem. Limity definované touto normou jsou z pohledu neovlivnění provozu velmi volné, a tedy nedostatečné. Vyhodnotit tedy kvalitu elektrické energie uvnitř závodu podle ČSN EN 50160 a říci „máme vše v pořádku“ a hledat příčinu problému na strojích jinde než na elektrické síti, je naivní postup. Tím, v čem je problém, se budeme zabývat v dalších částech seriálu. 

Druhá špatná zpráva je, že „špatnou kvalitu“ ve většině případů nedostáváme od dodavatele, ten zcela jistě limity ČSN EN 50160 dodržuje. Jak již bylo naznačeno, parametry kvality elektrické energie jsou ovlivňovány provozem vlastní technologie na vnitřní síti závodu. Tedy kvalitu napětí přiváděného na svorky pohonu si určuje uživatel do značné míry sám provozem a stavem připojené technologie. 

Obr. 5. Časové průběhy proudu a napětí při nesinusovém proudu

O to je tedy důležitější vědět, které že to parametry jsou a jaké vlastnosti sítě jsou již škodlivé pro technologii a jaký vliv mají, v našem případě, na pohony.

Dále si tedy popíšeme ty nejdůležitější z nich. Řekneme si, co je to kolísání napětí, napěťová a proudová nesymetrie, napěťové špičky, přechodové jevy a zákmity, zkreslení napětí a proudu, harmonické a neharmonické složky napětí a proudu, jejich vliv na činnost motoru a pohonu, jak je měřit a jak vyhodnotit. Nicméně, než začneme, připomeneme si jednu ze základních elektrických veličin, kterou (kromě napětí a proudu) je elektrický výkon. Na obr. 3 je časový průběh střídavého napětí, proudu a činného výkonu. Proud je zde posunut o 30°. )

Obr. 6. Vliv zkreslení proudu na rozdělení složek výkonu

Skutečný výkon přenášený takovým systémem, například napájením motoru je dán vztahem S = U × I.

Činný výkon je tedy dán vztahem P = U × I × cosφ Na obr. 4 je naznačen vztah mezi jednotlivým výkony S, P a je zaveden výkon jalový Q, který charakterizuje vliv fázového posuvu
mezi U a I. S² = P² + Q² cosφ = P/S 

Tento vztah však platí pouze v případě, že jak napětí, tak proud mají čistě sinusový průběh. 

V případě měření na pohonech však je třeba si uvědomit, že průběh proudu není nikdy sinusový.

Na obr. 5 je vidět 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.

Obr. 7. Vztah PF a cos φ vyhodnocený analyzátorem

Všimněme si, že velikost činného výkonu P na obr. 5 je rozdílná (menší) než na obr. 3, kde jak napětí, tak proud jsou sinusové. Na obr. 6 je tato situace vyjádřena graficky zavedením dalšího výkonu D, který charaktecharakterizuje pro jednoduchost vliv zkreslení proudu na rozdělení jednotlivých složek výkonu. 

Zdánlivý výkon S vyplývá ze vztahu: S² = P² + Q² + D²

Následně lze zavést zobecněný parametr PF (power factor), který respektuje vliv zkreslení proudu: 

PF = P/S

Platí tedy, že v případě, že D = 0, tedy neexistuje zkreslení tak PF = cos φ. Jak již bylo naznačeno a je patrno z obr. 2, proud odebíraný měničem je vždy zkreslený, a proto při měření situace na jeho vstupu nebude platit PF = cos φ. Jinak řečeno, PF bude vždy menší než cos φ, jak je vidět na obr. 7, který je snímkem obrazovky analyzátoru kvality. Rozdíl ve velikosti
PF a cos φ signalizuje přítomnost zkreslení napětí nebo proudu nebo obojího. V případěpohonů je to většinou proud. 

Při měření výkonu na měničích je třeba vždy použít přístroj, který „umí“ měřit oba tyto parametry, a tak správně vyjadřuje činný výkon. V další části seriál bude pokračovat popisem důležitých parametrů sítě ovlivňujících činnost měničů, a to vlivem nevyvážení napětí a proudu.