Měření při údržbě pohonů a motorů (7. část) Proč hoří motory za měniči a co je bezpečný přístroj?

V předchozí části bylo ukázáno, jaká je situace na výstupu měniče a na svorkách motoru. Bylo řečeno, že vše, co se nachází za výstupními svorkami měniče, je v jiném světě, než je svět svorek vstupních. Napětí má pulzní charakter a frekvenci řádu kilohertzů s proměnnou šířkou. Proto pro jeho měření nelze použít běžné přístroje. Krom toho, že nelze snadno ověřit symetrii tohoto napětí nutnou pro správnou činnost napájeného motoru a další parametry podobně jako na vstupu měniče analyzátorem kvality sítě, a je potřeba použít osciloskop (a navíc ne ledajaký), tak tvar tohoto napětí přináší mnoho nových situací neznámých oproti prostředí v běžné síti 50 Hz.

Obr. 1. Napětí na kabelu k motoru

Jedním z nových vlivů, neznámých v běžné síti podniku, je vliv vysoké frekvence impulzů napětí a impedancí. Uplatňují se zde jevy, známé spíše z vysokofrekvenční techniky, a neznámé pro běžné pracovníky údržby.

Napětí s rychlými náběžnými hranami přiváděné na kabel vedoucí k motoru, který nemusí být impedančně přizpůsoben k výstupní impedanci měniče a vstupní impedanci motoru, může vytvářet odražené vlny nebo zákmity, jak je vidět na obr. 1. Hlavním problémem, který vznikem odrazů nastává, je nárůst špiček napětí jak na straně motoru, tak i měniče a možnosti poškození izolace. Navíc tento stav přispívá ke vzniku hřídelového napětí, které zkracuje životnost ložisek a vytváří výrazné součtové unikající proudy.

Trend zvyšování efektivnosti měničů frekvence vede navíc ke stálému zvyšování spínací rychlosti, a tím i růstu rychlosti náběžných hran impulzů výstupního napětí měniče a také ke zvyšování nebezpečí odrazů a napěťových špiček.

Vztah mezi délkou kabelu, rychlostí náběžné hrany a výsledným nárůstem špičky napětí je na obr. 2.

Obr. 2. Vztah mezi délkou kabelu, rychlostí náběžné hrany a nárůstem špičky napětí

Velikost napětí odraženého na svorkách motoru zpět na měnič a přičteného ke špičce napětí a zpět odraženého na svorky motoru je určena něčím, co je nazýváno v technice vysokých frekvencí činitelem odrazu. Ten je závislý na vstupní impedanci motoru a kabelu a samozřejmě na frekvenci i délce kabelu.

Jak bylo řečeno, impulzy s rychlými hranami se pohybují mezi svorkami motoru a měniče, a na motoru tak vznikají přepěťové odrazy, které mohou mít velikost dvoj-, troj- i vícenásobku stejnosměrného napětí na středním obvodu měniče. Situace na svorkách motoru je patrná z obr. 3.

Jak je vidět pro zjištění přítomnosti takovýchto odrazů a jejich velikosti, stejně jako při ověřování symetrie, se neobejdeme bez osciloskopu. Nelze použít ani multimetr se zachycením maxim, jak si někteří pracovníci myslí, neboť rychlost špiček na výstupu měniče je o několik řádů větší než rychlost zachycování multimetru. Na výstupu měniče se pohybujeme v prostředí s frekvencemi až jednotek megahertzů, se kterým si tyto přístroje neporadí, a proto výsledky takových pokusů vedou k mylným závěrům.

Obr. 3. Impulzy na svorkách motoru

Na obr. 4 a obr. 5 jsou vidět průběhy napětí na svorkách motoru bez odrazů (obr. 4), kdy motor je připojen krátkým kabelem délky přibližně 3 m, a s odrazy, kde kabel má délku 30 m (obr. 5). Zde je důležité si povšimnout rozdílu velikosti špičkového napětí na obou obrázcích. Ten je asi 210 V. Dále je významný rozdíl v naměřených efektivních hodnotách napětí na obou obrázcích, který je pouhých 5 V (malé číslice na displeji). Z toho plyne, že měřením voltmetrem, kterému odpovídají naměřené efektivní hodnoty, problém odrazů není možné zjistit.

Další dva průběhy na obr. 6 a obr. 7 byly zachyceny nastavením osciloskopu na jeden impulz pro špičkovou hodnotu. Na obr. 6 je vidět detail náběžné hrany bez odrazu a na obr. 7 je náběžná hrana se zákmitem, jehož špička je více jak dvojnásobkem amplitudy impulzu bez odrazu.

Reálným nebezpečím takovýchto přepěťových impulzů je okamžitý nebo postupný průraz izolace vinutí a zničení motoru, případně měniče. Tyto situace se v praxi dějí mnohem častěji, než se většina provozovatelů pohonů domnívá. Většina z nich ani netuší, co se na svorkách motoru děje. Nepromyšlená instalace měničů na stávající pohony nebo situace, kdy opakovaně mění zničené motory na stejném místě, je toho příkladem.

Obr. 4. Napětí na svorkách motoru bez odrazů

Nelze však použít jakýkoliv běžný osciloskop, jak bylo již naznačeno v předchozí části seriálu. Ne snad z důvodu jeho frekvenčních schopností. Zde bohatě postačí přístroj s šíří pásma do 200 MHz a vzorkovací frekvencí 2,5 GS. Důvodem nemožnosti použití „běžného přístroje“ jsou již zmíněné napěťové špičky i způsob připojování, kdy výstup měniče je ve většině případů v zapojení do trojúhelníka a je třeba použít přístroj s navzájem izolovanými kanály. Dále je dobré si uvědomit, že při těchto měřeních se pohybujeme v prostředí silnoproudu se všemi důsledky tohoto prostředí na bezpečnost jak pracovníka a přístroje, tak i měřeného zařízení. Protože takováto měření jsou prováděna převážně v rámci údržby a hledání příčin poruch, tedy „měříme, protože nevíme“, je nutné mít jistotu, že se lze připojit kamkoliv bez nebezpečí způsobení poruchy, zničení přístroje nebo měřeného zařízení, nebo dokonce úrazu pracovníka.

Tuto jistotu v žádném případě nezajistí běžný osciloskop, který sice vyhoví měřicími schopnostmi, ale v žádném případě nevyhoví z pohledu „silnoproudé“ bezpečnosti kladené na takovéto přístroje normou ČSN EN 61010. V této normě, právě z hlediska bezpečnosti přístroje, je elektrická instalace nízkého napětí rozdělena na čtyři pásma a tomu odpovídající čtyři kategorie bezpečnosti přístrojů (CAT I až IV), které je v daných částech možné bezpečně použít. Celá elektrická část pohonu je podle tohoto rozdělení v kategorii CAT III. Z dále uvedeného popisu bude zřejmé, proč pro měření nelze v žádném případě použít jakýkoliv osciloskop. Všechny stolní osciloskopy a většina osciloskopů přenosných, které jsou u nás v praxi pro takovát měření používány, jsou v CAT I nebo CAT II.

Obr. 5. Napětí na svorkách motoru s odrazy

Uvedená norma se samozřejmě týká všech přístrojů používaných pro měření celé instalaci nízkého napětí do 1 000 V, a proto základní pravidla probereme podrobněji.

Přepěťové vlny se vyskytují ve všech rozvodech napájejících průmyslové zátěže a mohou dosáhnout až tisíce voltů. Následky takového přepětí mohou být devastující jak pro motor, pohon či jiné zařízení, ale i pro někoho, kdo právě provádí nějaké měření na takovémto rozvodu. Protože, jak již bylo mnohokráte řečeno, „měříme, protože nevíme“ je třeba riziko snížit předem, použitím přístroje vhodného pro danou část instalace. Zásadně tedy používat přístroj vhodný pro místa, kde se pracuje, a zkoušený a ověřený podle odpovídajících standardů.

Pro zajištění lepší bezpečnosti elektrotechniků byla vyvinuta bezpečnostní norma pro zkušební a měřicí přístroje používané u systémů do 1 000 V střídavých, včetně rozvodů 400 a 690 V třífázových. Jde o již citovanou normu pro konstrukci měřicích přístrojů ČSN EN 61010-1.

V této normě jsou elektrické rozvodné systémy rozděleny, jak již bylo řečeno, do čtyř kategorií počínaje místem spotřebiče. Začíná se kategorií jedna (CAT I) a čím blíže k napájecí zdrojové části systému se měří, tím je kategorie vyšší, neboť hrozí větší nebezpečí.

Obr. 6. Detail náběžné hrany bez odrazu

Přepětí v kategoriích tři a čtyři jsou tedy velmi nebezpečná, neboť proud, který vzniká v těchto částech rozvodů při poruše, může dosáhnout až tisíců ampérů. Kategorie čtyři odpovídá oblasti rozvodu napájecího vedení až k hlavním skříním budov a zahrnuje vrchní i kabelové vedení sloužící k tomuto napájení. Kategorie tři odpovídá vnitřnímu rozvodu budov. Zahrnuje i třífázové průmyslové rozvody 3× 400 V, sběrnice rozváděčů či ovládání motorů, tedy i výstupy pohonů.

Pevně připojená zařízení jsou také kategorie tři (CAT III). Většina elektrotechniků v údržbě pracuje v prostředí kategorie tři a čtyři, a v mnoha případech pracují lidé v prostředí kategorie čtyři, aniž o tom vědí.To může vést k velkému nebezpečí a ohrožení jejich zdraví i života.

Obr. 7. Náběžná hrana se zákmitem

Instalace nižších kategorií mají obvykle větší impedanci, která tlumí přechodové jevy a pomáhá omezit poruchový proud, který může živit hořící oblouk a vznik horké plazmy.

Kategorie dvě (CAT II) odpovídá rozvodům nejnižší úrovně a pohyblivým přívodům 230 V. Kategorie jedna jsou pak jištěné elektronické obvody uvnitř zařízení.

Většina instalací zahrnuje několik kategorií současně. Například běžný rozváděč pro motory je kategorie tři na straně napětí 400 V a kategorie jedna na straně ovládání. Zde je nutné použít měřicí přístroj s kategorií minimálně tři. Použít pro měření v takovémto místě levnou zkoušečku nebo multimetr s kategorií dvě znamená, že riskujeme explozi přístroje a popáleniny.

Obecně tam, kde jsou možné velké poruchové proudy, mají přepěťové vlny větší úroveň, a měření se tudíž stává nebezpečnějším.

Pro práci v prostředí kategorie tři nebo čtyři by měly být používány přístroje označené CAT III 600 V nebo 1 000 V anebo CAT IV 600 V. Pro usnadnění volby a použití musí výrobci uvádět příslušnou kategorii pro kterou je přístroj použitelný, na jeho panelu (obr. 8) tak, aby si byl technik vždy před použitím jist, že používá vhodný přístroj.

Obr. 8. Vyznačení kategorie přímo na přístroji

Proč jsou přepěťové jevy tak nebezpečné? Přepětí způsobená zapnutím zátěže jsou většinou více než dostatečná, aby způsobila obloukový výboj uvnitř přístroje. Zkratové proudy o velikosti až statisíců ampérů mohou protékat několik mikrosekund. Při těchto proudech se přehřejí hroty měřicích sond a začnou se upalovat. Vytváří se oblouk mezi kontaktním bodem a měřicím hrotem. V ten v samý čas je odstartován výboj, který exploduje uvnitř přístroje. Než dojde k dalšímu, měřicí přístroj exploduje v ruce technika.

Teplota může přitom dosáhnout až 6 000 °C. Plazma takovéto teploty způsobí velmi vážná poranění technikovi a dynamické účinky zkratu mohou poškodit systém. To vše se může stát při pouhém běžném měření nebo kontrole napětí, jestliže měřicí přístroj není konstrukčně vhodný pro dané místo měření. Z tohoto je jasné, že použití dostatečně bezpečného přístroje je nezbytné nejen z důvodu možné chyby uživatele, ale především z důvodu možného náhodného výskytu přepěťových špiček.

Naneštěstí v podnicích při pořizování přístrojů většinou rozhodují minimální technické požadavky – tedy zda přístroj zobrazí příslušný jev a minimální cena. Jako argument, že daný přístroj měl na štítku vhodnou kategorii, a přesto se při měření poškodil a poškodil i zdraví pracovníka (protože byl z dálného východu), patrně formálně obstojí, ale zdraví nevrátí. Přístroje z dálného východu jsou stále více rozšířené, případné kopie renomovaných značek jsou díky nízké ceně velmi oblíbené u nákupčích i manažerů. Pro výrobce takového přístroje není problém uvést na přístroji cokoliv a díky platné legislativě není ani protizákonné takovéto přístroje dodávat, i když jsou vlastně smrtelně nebezpečné a nikdy neprošly nezávislou zkušebnou, neb příslušné certifikáty si může vydat výrobce sám.

Pracovníci managementu na všech úrovních si však neuvědomují, že v rámci platné legislativy volba přístroje vhodného, tedy bezpečného pro danou činnost, je z hlediska případných následků na nich. Jediná cesta, která zajistí bezpečnost, je používat přístroje z produkce ověřených výrobců,které prokazatelně prošly alespoň dvěma nezávislými zkušebnami. A rada pro řadové uživatele je, nenechat si vnutit používání přístrojů, které nejsou pro práci v potřebné kategorii, a jejich výrobcem není ověřená firma, jinak riskují své zdraví. V příštím díle se ještě vrátíme k problematice bezpečnosti z pohledu pojistek a probereme vznik hřídelového napětí na řízených pohonech.