Zadbaj o silniki prądu przemiennego

Silniki indukcyjne prądu przemiennego zawdzięczają swoją popularność wyższej wydajności w stosunku do silników prądu stałego, jak też, co jest szczególnie istotne w przemyśle, stosunkowo dużej bezawaryjności. Ich uszkodzenia nie są jednak niczym niezwykłym i spowodowane mogą być wieloma przyczynami. Powstają one zarówno na skutek niedopasowania silnika do danej aplikacji, jak też z powodu przegrzewania się w wyniku nierówności napięć faz zasilających. O ile każdy silnik charakteryzuje się skończoną żywotnością, te wymienione, jak i inne czynniki mogą w znaczącym stopniu przyczyniać się do jej zmniejszenia. Na szczęście wiele z negatywnych zjawisk można minimalizować lub wręcz eliminować. W pierwszej kolejności należy poznać jednak ich źródła.

Przegrzewanie silników indukcyjnych

Przyczyną dużej części problemów z działaniem silników indukcyjnych jest ich przegrzewanie się, co jest skutkiem niedostatecznego rozpraszania ciepła podczas pracy. Nadmierne grzanie się może być jednocześnie oznaką uszkodzenia. Chociaż po przegrzaniu silnik może nadal poprawnie pracować, niekorzystnie wpływa ono m.in. na stan izolacji jego uzwojenia, przyśpieszając jej starzenie się, czego skutkiem może być skrócenie czasu eksploatacji napędu. Grzanie się silników indukcyjnych jest wpisane w ich naturę i wynika z przepływu prądu przez uzwojenie stojana, jak też oporów mechanicznych. Z tego powodu silniki budowane są w sposób pozwalający na efektywne rozpraszanie ciepła – zwykle za pomocą radiatorów na bokach obudowy lub wentylatora. Spotyka się również silniki chłodzone w sposób bardziej wyrafinowany - wykorzystujące np. wymienniki ciepła.

Jedną z wymienionych przyczyn przegrzewania się silników jest niedopasowanie danego napędu do urządzenia lub systemu, w którym jest on wykorzystywany. W szczególności silnik może być przeciążany, co, o ile jest procesem długotrwałym, prowadzić może do jego uszkodzenia. Typowym tego powodem jest wykorzystanie silnika o zbyt małej mocy w stosunku do wymaganej w danym układzie. Niedopasowanie elementów napędowych, zużyte łożyska oraz nadmierne tarcie to dodatkowe czynniki, które powodują wzrost temperatury podczas pracy.

Dla poprawnego działania silnika istotne jest również, aby pracował on w środowisku umożliwiającym odpowiednie odprowadzanie powstającego ciepła. Praca na słońcu czy bliskość dodatkowego źródła ciepła to czynniki, które należy brać pod uwagę przy tworzeniu aplikacji i, jeżeli to możliwe, redukować jeszcze na etapie projektu. Za pogorszenie chłodzenia odpowiada również nagromadzenie się brudu w silniku oraz na jego obudowie – jest to szczególnie częste w przypadku pracy w warunkach dużego zapylenia. Wewnętrzne zanieczyszczenia utrudniają przepływ powietrza, natomiast brudna obudowa powoduje gorsze odprowadzanie ciepła do otoczenia. Z tych powodów zadbanie o względną czystość silników jest istotnym zadaniem dla służb utrzymania ruchu.

Niewłaściwe chłodzenie napędu może być spowodowane również zbyt niskimi lub zmiennymi obrotami silnika, szczególnie w przypadku silników z wentylatorami. W praktyce ocenia się, że za dwukrotne skrócenie czasu pracy silnika odpowiada wzrost jego temperatury o 10°C do 15°C powyżej temperatury nominalnej. We wszystkich tych przypadkach konieczne jest sprawdzenie parametrów pracy, o czym piszemy również dalej, jak też ich porównanie z wartościami wzorcowymi podanymi przez producenta na tabliczce znamionowej i dokumentacji silnika.

Hałas i wibracje silników

Zbyt duży poziom hałasu generowanego przez silnik to często oznaka jego niepoprawnej pracy – szczególnie gdy towarzyszą mu wibracje. Zjawiska te mogą być powodowane niedopasowaniem wału silnika do napędzanego urządzenia, ich źródłem może być też samo urządzenie lub przekładnia (transmisja napędu). Częste powody występowania nadmiernego hałasu i wibracji to również niewłaściwe zasilanie silnika oraz zużycie mechaniczne jego elementów. Skutki wibracji mogą być tymczasem znaczne. Przykładowo dla silników synchronicznych lub asynchronicznych pierścieniowych mogą one powodować poluzowanie się drutu i jego uszkodzenia mechaniczne – pękanie, łuszczenie się oraz ścieranie izolacji. W wyniku ich występowania możliwe jest również szybsze zużywanie się części mechanicznych – przykładowo elementy toczne w pierścieniach łożysk mogą ulegać poluzowaniu.

W przypadku stwierdzenia niepokojących objawów związanych z pracą silnika, konieczne jest określenie ich przyczyn. Jeżeli po sprawdzeniu połączenia wału silnika z napędzanym urządzeniem pod względem współosiowości przyczyna występujących wibracji pozostaje nieznana, prawdopodobnie konieczne jest odłączenie silnika od urządzenia. W przypadku gdy przy pracy w staniej jałowym wibracje nie ustępują, ich przyczyn należy szukać w samym silniku, w pierwszej kolejności w jego niesymetrycznym zasilaniu. Jeżeli silnik wprawiony w obroty, ale odłączony od zasilania, nadal wibruje, przyczyny są natury mechanicznej. Mogą nimi być zarówno zgięcie wału, źle wyważony wirnik, luźne elementy wewnątrz silnika lub zużyte łożyska. Niejednokrotnie powody są również mniej poważne – np. wentylator obcierający o ramę.

Odpowiednie zasilanie silników indukcyjnych

Czynnikiem, który znacząco wpływa na żywotność silnika, jest jakość energii elektrycznej, którą zasilany jest silnik. Specjaliści zajmujący się silnikami indukcyjnymi oceniają, że w przypadku silników trójfazowych nierówność napięć fazowych jest jedną z istotniejszych przyczyn przegrzewania się tych napędów, powstawania drgań i skracania czasu ich eksploatacji. Według szacunkowych danych różnice pomiędzy napięciami fazowymi na poziomie 2% skutkować mogą wzrostem temperatury silnika o około 10%, przy czym zależność ta jest wielomianowa (kwadratowa). Nierówność napięć powoduje, że wartości strumienia magnetycznego dla każdego z faz również są nierówne, czego skutkiem siły mechaniczne względem wirnika nie są identyczne i nierównomiernie na niego oddziałują.

Do podstawowych pomiarów jakości zasilania silnika należy pomiar wartości napięć fazowych, którymi zasilany jest silnik. Pomiar powinien być wykonany woltomierzem prądu przemiennego przy wyłączonym silniku – należy zmierzyć napięcia międzyfazowe oraz napięcia faza-ziemia. Odpowiednie wartości napięć powinny być równe – jeżeli tak jest, należy zmierzyć je przy włączonym silniku i biegu jałowym, co zostało opisane w dalszej części artykułu. W przypadku nierówności napięć przyczyn należy szukać poza samym silnikiem. Należy dodać, że powodem nierówności napięć fazowych może być uszkodzenie silnika, takie jak występowanie zwarcia jednego z uzwojeń lub uszkodzony pręt w przypadku silnika klatkowego. Przyczyną może być również zużycie silnika – np. nierówna szczelina powietrzna pomiędzy wirnikiem a stojanem, czego powodem występowania mogą być uszkodzone lub zużyte łożyska silnika.

Okresowe przeglądy silników

Najlepszym sposobem do minimalizowania liczby problemów związanych z silnikami, są ich okresowe przeglądy. Chociaż częstotliwość obsługi technicznej zależy od danej aplikacji, przegląd silników równolegle z okresowym przeglądem maszyny, w której są one używane, jest zwykle wystarczający. Częstsze przeglądy konieczne mogą być w przypadku zastosowań o szczególnym znaczeniu dla procesu produkcji. Mogą one być wykonywane w większości przypadków bez odłączania silnika od napędzanego systemu lub demontażu jego obudowy. Podczas przeglądu stosować można następujące wskazówki i powinno się zwrócić uwagę na:

• Warunki chłodzenia – konieczne jest wyczyszczenie, wydmuchanie i pozbycie się brudu zalegającego w radiatorze i elementach odpowiedzialnych za wentylację silnika. Jeżeli przy oględzinach silnika, który ma otwory wentylacyjne, okaże się, że jego wnętrze jest zanieczyszczone w stopniu uniemożliwiającym poprawne chłodzenie, konieczny może być demontaż obudowy i wyczyszczenie środka silnika. Dokonując oględzin należy zwrócić uwagę na ewentualną korozję.
• Wysoka temperatura, drgania i hałasy – należy sprawdzić, czy silnik się nie przegrzewa, jak też ocenić, czy jego praca jest poprawna pod względem głośności oraz poziomu wibracji. W razie niepokojących objawów należy znaleźć ich przyczynę.
• Kontrola łożysk – łożyska wymagają okresowego smarowania oraz częstszego smarowania w przypadku pracy silnika w niekorzystnych warunkach środowiskowych, szczególnie jeżeli ma on tendencję do nagrzewania się. Należy stosować odpowiednie środki smarne w odpowiednich ilościach.
• Kontrola uzwojeń – testem, który może zaoszczędzić wielu późniejszych problemów, jest pomiar rezystancji izolacji uzwojeń (opisane poniżej). Jest on szczególnie istotny w przypadku silników wykorzystywanych w środowiskach o podwyższonej wilgotności, jak też przy pracy w podwyższonych temperaturach. W takich przypadkach konieczna może być również kontrola podłączenia przewodów zasilających.
• Dokumentacja – istotnym elementem polityki utrzymania i serwisowania maszyn w zakładzie jest prowadzenie odpowiedniej dokumentacji. Przy przeglądach należy zapisywać wykonane czynności i wnioski.

Dbałość o uzwojenie silnika - nadzór i konserwacja

Silniki prądu przemiennego, szczególnie o wysokich mocach, nie wymagają otwierania obudowy i inspekcji stanu uzwojeń podczas rutynowych przeglądów. Jeżeli istnieje możliwość takiej inspekcji silnika, kontynuując listę porad rozpoczętą w poprzednim rozdziale, można wskazać na następujące czynności konserwacyjne:

• Brud zgromadzony na uzwojeniach jest niekorzystny nie tylko pod względem odprowadzania z nich ciepła, ale również może absorbować wilgoć i substancje powodujące uszkodzenia izolacji uzwojeń. Jego czyszczenie najlepiej jest poprzedzić wstępnym odkurzaniem. Nie należy stosować wydmuchiwania powietrzem pod wysokim ciśnieniem, gdyż może ono przenosić elementy powodujące uszkodzenia izolacji.
• Równie niekorzystnym czynnikiem jest zawilgotnienie silnika, co może powodować powstawanie zwarć. Silniki, które zostały zalane (nie tylko wodą, ale również innymi cieczami przewodzącymi) powinny być osuszone, ewentualnie wyczyszczone. W ostatnim przypadku do czyszczenia należy stosować środki, które nie są agresywne chemicznie w stosunku do elementów silnika, szczególnie uzwojeń i ich izolacji.
• Uzwojenia lub wyprowadzenia, które są luźne, mogą poruszać się na skutek wibracji lub pola magnetycznego, powodując ścieranie się lub pękanie ich izolacji. W najgorszym przypadku uszkodzenia tego typu mogą skutkować koniecznością przezwajania silnika.
• W przypadku silników synchronicznych lub asynchronicznych pierścieniowych należy również sprawdzić stan uzwojeń wirnika. Są one bardziej narażone na uszkodzenia niż uzwojenia stojanu, gdyż podczas pracy silnika działają na nie siły odśrodkowe. Konieczne jest, aby ściśle przylegały one do siebie, dzięki czemu nie istnieją luźne zwoje mogące negatywnie wpływać na wyważenie wirnika.
• W przypadku silników klatkowych konieczna jest inspekcja prętów i pierścieni zwierających. Przerwa elektryczna w jednym z tych elementów powoduje dużą niestabilność wirnika, co objawiać może się może wibracjami.

Dodatkowo należy zwrócić uwagę na fakt, że prąd pobierany przez każde z uzwojeń powinien być analogiczny, jednocześnie nie przekraczać (w przypadku dłuższych obciążeń) wartości nominalnych. Testowanie rezystancji uzwojeń może być poprzedzone pomiarami wartości napięć międzyfazowych i napięć faza-ziemia przy włączonym silniku. Jeżeli odpowiednie napięcia są nierówne, a przyczyną nie są parametry zasilania (procedura pomiarowa opisana została wcześniej), należy zmierzyć rezystancje uzwojeń silnika. Powinny być one analogiczne do siebie oraz do wartości, które producent podaje w dokumentacji. Jeżeli tak nie jest, przyczyną może być zarówno zwiększona rezystancja połączeń, jak też rozwarcie. W pierwszej kolejności należy sprawdzić podłączenie przewodów zasilających silnik – ich korozja lub przegrzanie może być przyczyną wzrostu rezystancji. Jeżeli natomiast omawiane rezystancje, szczególnie w stosunku do ziemi, są zbyt małe, można spodziewać się istnienia zwarcia spowodowanego np. uszkodzeniem izolacji. W tym przypadku konieczna jest dokładniejsza inspekcja silnika.

Kontrola stanu izolacji uzwojeń

Rutynowa kontrola uzwojeń pozwala na określenie stanu ich izolacji i ewentualną naprawę zanim nastąpi uszkodzenie silnika. Włączenie tego typu testów w okresową kontrolę jest szczególnie wskazanym rozwiązaniem jeżeli silnik pracuje w niesprzyjających warunkach środowiskowych, a jego możliwa awaria wiąże się z dużymi kosztami naprawy lub kosztami wynikającymi z przestoju produkcji.

Najprostszym i bardzo skutecznym testem jest sprawdzenie izolacji uzwojeń silnika w stosunku do ziemi, co polega na polega na zasilaniu jednego z wyprowadzeń silnika napięciem stałym, zwykle o wartości 500V lub 1kV, i pośrednim pomiarze rezystancji izolacji. W przypadku standardów NEMA wymagana jest minimalna rezystancja do ziemi wynosząca 1M? na każdy 1kV napięcia plus dodatkowo 1M? (pomiar w temperaturze 40°C). Wartość zmierzona dla średniej wielkości silników w dobrym stanie przekracza zwykle 50M?. Niskie wartości rezystancji wskazują na zredukowaną izolację, czego powodem może być zawilgotnienie lub zabrudzenie wnętrza. Przyczyną mogą być też efekty starzeniowe spowodowane zbyt wysoką temperaturą pracy napędu.

Dobrym testem jest również pomiar wartości izolacji przy zimnym oraz rozgrzanym silniku. Z powodu rozszerzalności cieplnej uzwojeń stojana i wirnika mierzona rezystancja może się zmieniać, dlatego jej pomiar w warunkach temperaturowych najbardziej zbliżonych do tych podczas pracy jest najbardziej wiarygodny. Jednocześnie im większa zmiana rezystancji mierzonej w przypadku zimnego i rozgrzanego silnika, tym ogólny stan izolacji gorszy.

Awaria silnika indukcyjnego - remont czy wymiana?

Silniki indukcyjne spełniające warunki energooszczędności stają się alternatywą dla dotychczas stosowanych rozwiązań. Na zdjęciu silnik z firmy ABB o mocy do 600KM z serii NEMA 506AT – 688.

Nawet gdy minimalizowane są przyczyny prowadzące do skrócenia czasu eksploatacji, w wielu przypadkach uszkodzenie jest nieuniknione. Gdy już nastąpi, kadra odpowiedzialna za utrzymanie ruchu staje zwykle przed decyzją, czy bardziej kosztowny jest remont uszkodzonego silnika czy zakup nowego. Jako intuicyjnie droższe ocenia się zwykle drugie z rozwiązań, szczególnie w przypadku silników o większych mocach. Jednak po wzięciu pod uwagę przyszłego czasu pracy silnika po naprawie, jej kosztu, jak też strat, które mogą być związane z przestojem urządzenia, wybór odpowiedniej opcji przestaje być intuicyjny. Przykładowo w przypadku silników klatkowych uszkodzenie wirnika może wiązać się z uszkodzeniem jego powierzchni, jak też miejscowym stopieniem lub rozerwanie prętów czy pierścienia zwierającego. Ostatnie z uszkodzeń może być katastroficzne. Wydaje się, że najlepszym remedium pozostają okresowe przeglądy i konserwacja napędu, które odsuwają omawiany moment w czasie.

Decyzja dotycząca naprawy lub wymiany uszkodzonego silnika może być jeszcze trudniejsza, jeżeli weźmie się pod uwagę zmiany w technologii, które zaszły w ostatnich latach. Trendem, który stał się bardzo istotny w branży jest bowiem coraz częstsze stosowanie silników o wysokiej sprawności energetycznej, takich jak EPAct oraz NEMA Premium. W przypadku silników indukcyjnych prądu przemiennego głównym kosztem, który ponosi użytkownik, nie jest bowiem cena zakupu silnika, ale koszt jego użytkowania na który składają się głównie wydatki na energię elektryczną. Biorąc to pod uwagę, wykonując kalkulację serwisu silnika i jego wymiany, należy koniecznie wziąć pod uwagę całościowe koszty wiążące się z użytkowaniem silnika w danej aplikacji (TCO – Total Cost of Ownership), szczególnie gdy wiąże się ona z jego pracą ciągłą przez dłuższy czas.

Zbigniew Piątek