PergolyVše o izolaci cívek elektromotoru: Měření, diagnostika a vliv frekvenčních měničů
Toto pokračování seriálu o měření při údržbě pohonů a motorů je zaměřeno na měření na vlastních elektromotorech. 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. Cívka představuje srdce každého elektromotoru nebo hnacího systému. Z tohoto důvodu je obzvláště důležitá pravidelná údržba a servis, které zabrání nepříjemným překvapením. Udržitelné opatření při výrobě cívek a jejich navíjení jsou důležitá nejen z hlediska bezpečnosti výroby, ale také z hlediska nákladů.
Základní měření izolačního stavu vinutí
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 s možností volby velikosti napětí od 250 V do 5 kV a rozsahem měřitelného izolačního odporu až 1 TΩ. Měření izolačního odporu zahrnuje měření odporu elektrických vinutí a komutátorů. Pro měření odporu vůči zemi se při zkouškách používá stejnosměrný proud.
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.
Fyzikální princip stárnutí izolace a Polarizační index (PI)
Snížení izolační schopnosti vinutí se zjednodušeně projevuje i postupnou ztrátou „elektrické elasticity“ materiálu izolace. Izolaci si lze tedy při zjednodušení představit jako paralelní zapojení odporu RISO a kondenzátoru C. 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. 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.
Čtěte také: Vlastnosti dřevovláknité izolace – požární odolnost
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 jakém stavu je izolace dlouhodobě. Parametr, který využívá tento poměr, se nazývá polarizační index (PI).
V praxi se např. používá poměr odporu naměřeného po jedné minutě po připojení napětí a po deseti minutách. Tedy PI = RISO10/RISO1. 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.
Následující tabulka ukazuje interpretaci hodnot polarizačního indexu:
| Polarizační index (PI) | Stav izolace |
|---|---|
| PI > 4 | Dobrá, mladá izolace |
| 1.5 < PI ≤ 4 | Přijatelná izolace |
| PI ≤ 1.5 | Velmi stará izolace, hrozí průrazem |
Test rázovou vlnou pro detekci mezizávitových zkratů
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. Pro ověření takovýchto situací lze snadno použít test rázovou vlnou. Při tomto testu je na jednotlivé cívky postupně přiloženo napětí z předtím nabitého kondenzátoru. 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. Test rázovou vlnou dokáže snadno odhalit např. mezizávitový zkrat nebo zkrat mezi vinutími dvou cívek apod.
Čtěte také: Kročejová izolace a její použití
Měření odporu cívek mikroohmetrem a komplexní přístroje
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. 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. 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. Tento test na MotorAnalyzer 2 dále umožňuje automatické krokování s rostoucím napětím až k přednastavené hodnotě. Lze tak snadno nalézt napěťově závislý průraz vinutí.
Vliv frekvenčních měničů na izolaci motoru a ložiska
Dnešní moderní doba přináší řadu moderních technických aplikací, kdy stále více klasických zařízení je nahrazováno novými modernějšími stroji. Máme možnost měnit plynule otáčky motorů, regulovat výkon či plynule měnit rychlost výrobních linek. Stejnosměrné regulované pohony jsou nahrazovány regulovanými pohony s asynchronními motory, kroužkové motory v těžkém průmyslu nahrazují motory nakrátko ve spojení motor-frekvenční měnič. Všechna tato zařízení používající k regulaci motoru frekvenční měnič jsou vystavena účinkům kapacitních proudů a vlivu dalších elektrických účinků. Pro správnou funkci soustrojí motor-měnič je nutné pamatovat na správné zapojení motoru k měniči a hlavně na správné uzemnění a pospojování, které je pro životnost a funkčnost zařízení velice důležité.
Frekvenční měnič se skládá ze čtyř hlavních částí: usměrňovač, meziobvod, měnič a řídicí obvod. Třífázový frekvenční měnič, který je napájen střídavým proudem obvykle o frekvenci 50 Hz, se v usměrňovači usměrní. Usměrněný stejnosměrný proud je „zvlněný“. V meziobvodě frekvenčního měniče se usměrněný proud za použití filtrů, cívek a kondenzátorů stabilizuje a vyhladí. Měnič je poslední místo před motorem, kde je výstupní napětí přizpůsobeno požadavkům pro napájení motoru. Modulované výstupní napětí z frekvenčního měniče má obdélníkový charakter, proud nám tvoří již požadovanou sinusovku příslušné frekvence. Důležitým parametrem frekvenčního měniče je tzv. pulzní frekvence. Velikost této pulzní frekvence (řádově v kHz) ovlivňuje tvar výstupního napětí a proudu. Čím je tato frekvence větší, tím hladší je sinusový průběh proudu.
Čtěte také: Informace o úpravě povrchu dřevovláknité izolace
Pokud napájíme motor z frekvenčního měniče, na napájecí frekvenci (Hz) je také namodulovaná vysokofrekvenční pulzní frekvence (kHz). V obvodu elektromotoru je mnoho izolací (kapacit), které se v obvodu chovají podobně jako kondenzátor. Každá tato kapacita (kapacita vodičů, kapacita izolace vinutí, rotorových tyčí, vzduchové mezery apod.) má svoji impedanci (odpor střídavého proudu) Z = 1/(2πfC). To znamená, že čím vyšší je pulzní frekvence, tím menší je impedance izolačního materiálu a tím větší teče proud přes izolaci.
Výrobci motorů dnes vyrábí motory, které jsou uzpůsobeny pro práci s frekvenčním měničem. Motor má upravené vinutí, zesílenou izolace a přední ložisko (NDE) je většinou izolované. Tato izolace ložiska poměrně dobře funguje pro proudy o nižších frekvencích. Abychom zabránili poškození ložisek motoru a dalších zařízení, je nutné dodržet doporučení výrobců, které spočívá ve správném pospojování neživých částí celého zařízení. Dále je vhodné použít na straně hřídele přizemnění hřídele pomocí kartáče, kde stator motoru vodivě spojíme s rotorem motoru.
Problém ovšem nastává, pokud máme elektromotor se dvěma volnými konci a z obou stran motoru máme přes spojku připojené další zařízení. Proto je bezpodmínečně nutné na straně izolovaného ložiska použít také izolovanou spojku, která od zařízení odizoluje hřídel motoru a tím obvod opět rozdělí. Dlouhodobé zkušenosti ukazují, že ložiska jsou ohrožena tehdy, když efektivní hodnota hřídelového napětí přesáhne 200 mV až 250 mV. Při vyšším napětí může docházet k degradaci mazacího tuku v ložisku, a tím ke ztrátě mazacích vlastností mazacího tuku a k poškození dráhy ložiska od průchodu ložiskových proudů.
Mnoho diagnostiků řeší stále se opakující poškození ložisek motorů a souvisejících zařízení. Někdy je nutné ve velmi krátkých intervalech provádět výměny ložisek, ucpávek apod. Dochází k degradaci maziv a především k velmi krátké životnosti komponentů a i celého zařízení. Dnešní dobu ovládají specializace, kdy projektanti nebo celé firmy řeší pouze svoji část projektu. Pokud na zařízení v provozu vznikne později problém, je ve většině případů volán diagnostik, který již musí ovládat všechny obory. Začne měřením vibrací. Zjistí, že je na zařízení je poškozené ložisko a při demontáži odebere vzorek tuku, tribodiagnostik provede jeho analýzu. Ta ukáže, že je tuk velmi zoxidován, což může být důsledkem průchodu ložiskových proudů. To ale nemusí být úplně zřejmé z prohlídky samotného ložiska. Přivolá elektrodiagnostika, který začne posuzovat a měřit napájecí proudy, hřídelové napětí, zemnicí nebo přechodové odpory a provádět frekvenční analýzy všech těchto proudů. V neposlední řadě je nutné společně posoudit celý návrh v souvislosti s dosavadním měřením - jak po stránce strojní, tak po stránce elektrické, včetně způsobu pospojování a systému zemnění. Pokud je zjištěna příčina například v chybějící izolované spojce, přichází nejtěžší část diagnostiky - přesvědčit provozovatele, případně projektanta, že je na zařízení vážný konstrukční problém a že příčina potíží spočívá třeba právě v nepoužití izolované spojky a přemostění izolace ložiska. Pokud se i toto podaří, nastává druhý problém - někdo to celé musí zaplatit.
Poznámka: Článek je založen na materiálech z časopisu ELEKTRO.
tags: #vše #o #izolaci #cívek #elektromotoru
