Jak mierzyć prędkość obrotową urządzeń napędowych i jak badać kondensatory do kompensacji mocy biernej

Jak mierzyć prędkość obrotową urządzeń napędowych i jak badać kondensatory do kompensacji mocy biernej

Jak mierzyć prędkość obrotową urządzeń napędowych i jak badać kondensatory do kompensacji mocy biernej

Przeprowadzenie badań eksploatacyjnych urządzeń napędowych pozwala stwierdzić, czy pracują one zgodnie z parametrami podanymi przez producenta oraz wcześnie wykryć ewentualne nieprawidłowości.

W poprzednim numerze „Pomiarów elektrycznych w praktyce” opisywaliśmy m.in. pomiar temperatury, badania termowizyjne, sprawdzenia rezystancji uzwojeń i mierzenie mocy silników elektrycznych.

 

Pomiar prędkości obrotowej

Prędkość obrotowa jest jednym z podstawowych parametrów metrologicznych w układach napędowych. Opisuje ona ruch elementów wirujących i określa liczbę obrotów wykonanych w jednostce czasu. Prędkość obrotowa najczęściej wyrażana jest w obrotach na minutę (obr/min) i oznaczana jest literą „n”.

Prędkość obrotową można mierzyć przyrządami stacjonarnymi i przenośnymi. Niezależnie od tego, który z tych sposobów jest zastosowany, każdy układ do pomiaru prędkości obrotowej składa się z podstawowych podzespołów funkcjonalnych: przetwornika pomiarowego, układu przetwarzania wielkości pomiarowej i elementów wyjściowych. Zadaniem przetwornika pomiarowego jest zamiana drogi kątowej ciała wirującego na wielkość elektryczną analogową, np. napięcie, lub cyfrową – szereg impulsów. Sygnały wyjściowe z przetwornika są przetwarzane w celu określenia prędkości obrotowej. Sposób wyznaczania prędkości obrotowej zależy od rodzaju przetwornika pomiarowego. Wielkością wyznaczaną może być chwilowa prędkość obrotowa, średnia prędkość obrotowa, droga kątowa itp. Zadaniem układu wyjściowego jest przedstawienie wyników pomiaru, np. na wyświetlaczu, uformowanie sygnału komunikacyjnego analogowego lub cyfrowego zawierającego informacje o prędkości obrotowej i udostępnianie go przez odpowiedni interfejs komunikacyjny do układów sterowania. W zależności od sposobu budowy podzespoły układu pomiarowego mogą być ze sobą w różny sposób połączone. Takie urządzenia nazywane są tachometrami, licznikami impulsów, obrotomierzami itp.

Przyrządy do pomiaru prędkości obrotowej w warunkach przemysłowych, poza bieżącą kontrolą prędkości obrotowej, stosowane są m.in. do monitoringu ciągłości działania maszyn, kontroli zakresu prędkości maszyn, w układach płynnego sterowania prędkością obrotową napędów elektrycznych, do kontroli poślizgu w celu ochrony sprzęgieł, do pomiaru drgań skrętnych, do badań diagnostycznych maszyn w warunkach rozruchu i wybiegu oraz do wielu podobnych zadań.

Metody pomiaru prędkości obrotowej, w zależności od zastosowanych przetworników pomiarowych, można podzielić na:

  • metody stykowe – polegające na mechanicznym połączeniu przetwornika pomiarowego z obiektem wirującym. W ramach tych metod stosuje się:

– prądnice tachometryczne,

– resolwery,

– przyrządy tensometryczne,

– przetworniki impulsowo obrotowe,

– przetworniki kodowe;

Pomiary metodami stykowymi stosuje się zazwyczaj w zakresie obrotów 20 obr/min do 20 000 obr/min. Mają one wady wynikające z obciążenia elementu wirującego badanej maszyny dodatkowym momentem hamującym, poślizgów lub niedokładnego docisku części pomiarowej miernika w punkcie stycznym badanej maszyny, trudny pomiar prędkości obrotowej niewielkich urządzeń.

  • metody bezstykowe – z zastosowaniem przetworników optycznych, elektromagnetycznych, porównawczych i podobnych. Metody te są pozbawione części wad występujących przy metodach stykowych. Jednak element wirujący musi być oznakowany odpowiednim znacznikiem wskazującym jego położenie kątowe.

Przy obydwu z wymienionych metod stosowane są przetworniki analogowe lub cyfrowe. Przetworniki analogowe zamieniają bezpośrednio sygnał prędkości na wyjściowe napięcie lub prąd, który jest ciągłą funkcją mierzonej prędkości. Należą do nich np. prądnice tachometryczne lub sądy indukcyjne wiroprądowe bądź pojemnościowe. W przyrządach cyfrowych ruch obrotowy jest przetwarzany na ciąg impulsów przez różniczkowanie kąta obrotu i generowanie dyskretnej funkcji wyjściowej, pozwalającej na oszacowanie prędkości obrotowej przez zliczanie liczby impulsów wygenerowanych w jednostce czasu lub pomiar czasu między impulsami. Pozwala to na przetwarzanie sygnałów z przetworników cyfrowych oraz wyliczanie prędkości uśrednionej i prędkości chwilowej.

Prędkość obrotową maszyn elektrycznych najczęściej mierzy się:

  • obrotomierzem (tachometrem) odśrodkowym,
  • prądnicą tachometryczną,
  • tachometrem stroboskopowym,
  • tachometrem cyfrowym,
  • resolwerem.
  • Enkoderem.

Obrotomierz odśrodkowy jest podobnie zbudowany jak odśrodkowy regulator prędkości obrotowej. Tachometr łączy się z wałem badanej maszyny za pomocą sprzęgiełka. Tachometr, dzięki łatwo wymienialnym przekładniom zębatym, pozwala na pomiar prędkości obrotowej w szerokim zakresie obrotów. Stosowany jest do pomiaru prędkości obrotowej w stanie ustalonym.

Prądnica tachometryczna to najczęściej jednofazowa prądnica synchroniczna z ruchomymi magnesami trwałymi. Strumień magnetyczny ma więc wartość stałą. Siła elektromotoryczna (SEM) E indukowana w uzwojeniu twornika jest proporcjonalna tylko do prędkości obrotowej:

E = cфn = cn

Gdzie:

ф – strumień magnetyczny,

n – prędkość obrotowa,

c – stała prądnicy, określająca wartość napięcia przy 1000 obr/min.

Woltomierz mierzący napięcie na wyjściu prądnicy jest wyskalowany w obrotach/min.

Zaletami prądnic tachometrycznych do pomiarów prędkości obrotowej są:

  • natychmiastowy wynik pomiaru prędkości obrotowej,
  • duża dokładność pomiaru,
  • łatwa akwizycja, przetwarzanie i odczyt sygnału pomiarowego,
  • krótki czas reakcji na zmiany prędkości obrotowe.

Metodę tę można stosować do pomiaru prędkości obrotowej zarówno w stanie ustalonym, jak i nieustalonym. Wadą wymienionych metod pomiarowych prędkości obrotowej jest dodatkowe obciążenie maszyny momentem hamującym, które w przypadku badań maszyn o mocy ułamkowej i mikromaszyn jest czynnikiem uniemożliwiającym przeprowadzenie pomiaru.

Tachometr stroboskopowy jest pozbawiony tej wady. Głównym elementem tachometru stroboskopowego jest lampa błyskowa o regulowanej liczbie błysków w jednostce czasu, np. w ciągu minuty. Regulacja liczby błysków prowadzona jest płynnie i polega na przestrajaniu generatora błysków. Na wale badanej maszyny rysuje się promieniową kreskę. Kreskę tę (wirujący wał maszyny) oświetla się stroboskopem o tak wyregulowanej częstości błysków lampy, aby uzyskać pozornie nieruchomy obraz kreski. Oznacza to, że częstość błysków lampy stroboskopowej, mierzona w jednostce czasu, np. w ciągu minuty, jest równa liczbie obrotów wału maszyny w tym czasie. Wartość mierzonej liczby obrotów maszyny odczytuje się bezpośrednio na skali przyrządu. Wadą tej metody jest możliwość stosowania jej do pomiarów prędkości obrotowej maszyn tylko w stanie ustalonym. Dokładność pomiaru wynosi około 3%.

Tachometr cyfrowy pozwala na uzyskanie znacznej dokładności pomiaru prędkości obrotowej. Jego działanie polega na zliczaniu impulsów elektrycznych w jednostce czasu. Liczba impulsów musi być proporcjonalna do liczby obrotów badanej maszyny. Na wale badanej maszyny umieszcza się tarczę z rozmieszczonymi na okręgu symetrycznie otworami. Z jednej strony tarczy umieszcza się źródło światła, zaś z drugiej przetwornik fotoelektryczny. Tarcza wirując, powoduje impulsowe oświetlanie przetwornika, który zamienia je na impulsy elektryczne. Impulsy elektryczne, po sformatowaniu, przesyłane są do licznika tachometru. Wynik pomiaru odczytuje się na ekranie przyrządu. Dokładność pomiaru wynosi około 0,1%.

Resolwery należą do tej samej rodziny przetworników co prądnice tachometryczne. Jest to niewielka dwufazowa maszyna elektryczna z uzwojeniem wzbudzenia na wirniku sprzężonym z elementem wirującym. Uzwojenie wirnika zasilane jest prądem przemiennym o znacznej częstotliwości, co powoduje wytwarzanie zmiennego pola magnetycznego, indukującego SEM w dwóch uzwojeniach stojana przesuniętych względem siebie o 90o. SEM indukowane w tych uzwojeniach są proporcjonalne do sinusa i cosinusa kąta obrotu (θ). Każdy kąt obrotu ms ma przypisaną parę wartości sinusa i cosinusa. Przy obrocie o kąt 360o resolwer informuje o bezwzględnej pozycji wirnika. Pomiary położenia kątowego wału maszyny i prędkości obrotowej za pomocą resolwera są dokładne. Resolwery cechują: duża niezawodność i odporność na ekstremalne warunki środowiskowe i zakłócenia zewnętrzne.

 

Pomiary eksploatacyjne baterii kondensatorów energetycznych

Wraz z pomiarami eksploatacyjnymi silników elektrycznych należy również przeprowadzić badania kondensatorów energetycznych do kompensacji mocy biernej w celu poprawy współczynnika mocy cosφ. Najważniejsze badania zestawione są w tablicy 1.

Tablica 1. Najważniejsze badania baterii kondensatorów energetycznych

Lp.

Rodzaj badania

Przebieg badania

Uwagi

1.

Pomiar napięcia zasilającego

Pomiar napięcia zasilającego baterię wykonuje się przez odczyt wskazań woltomierzy zainstalowanych na stałe od strony zasilania, a w razie ich braku woltomierza przenośnego.

Wynik pomiaru jest pozytywny, jeżeli napięcie zasilania poszczególnych kondensatorów nie przekracza trwale 110% ich napięcia znamionowego.

 

2.

Sprawdzenie braku zwarcia między zaciskami i obudową

kondensatora

Badanie wykonuje się po wyłączeniu zasilania i rozładowaniu baterii. Kontrolę baterii o napięciu < 1 kV przeprowadza się induktorem o napięciu znamionowym 1 kV, a kondensatorów o Un > 1 kV induktorem o napięciu znamionowym 2,5 kV.

Wynik badania jest pozytywny, jeśli nie stwierdzono zwarcia.

Po każdej próbie baterię należy rozładować

3.

Sprawdzenie ciągłości obwodów rozładowania

Badanie wykonuje się po wyłączeniu zasilania i rozładowaniu baterii. Sprawdzenie ciągłości obwodów rozładowania można wykonać omomierzem lub induktorem. Wynik badania jest pozytywny, jeśli nie stwierdzono przerw w obwodach rozładowania.

 

4.

Pomiar obciążenia poszczególnych faz baterii

Pomiar obciążenia poszczególnych faz baterii wykonuje się przez odczyt wskazań amperomierzy zainstalowanych na stałe. W razie ich braku pomiar wykonać multimetrem cęgowym. Wynik pomiaru jest pozytywny, jeśli:

– obciążenie nie przekracza 130% prądu znamionowego baterii;

– różnica obciążenia poszczególnych faz baterii w odniesieniu do fazy o największym obciążeniu nie przekracza:

– 10% baterii połączonych w trójkąt,

– 5% baterii połączonych w gwiazdę.

 

5.

Pomiar pojemności kondensatorów oraz równomierności rozłożenia pojemności na poszczególne fazy

Pomiar wykonać mostkiem prądu przemiennego lub metodą techniczną.

Aby uzyskać zadowalającą dokładność użyć przyrządów o klasie dokładności co najmniej 0,5, układ pomiarowy należy zasilać napięciem sinusoidalnie zmiennym.

Wyniki pomiarów uznaje się za pozytywne, jeżeli:

– różnica pojemności jednostki kondensatorowej, zmierzona w trakcie jej eksploatacji w stosunku do jej pojemności w momencie oddania do eksploatacji, nie przekracza 3%;

– różnica pojemności poszczególnych faz baterii w odniesieniu do fazy o największej pojemności nie przekracza:

– 10% baterii połączonych w trójkąt,

– 5% baterii połączonych w gwiazdę,

– różnica pojemności kondensatorów w grupach łączonych szeregowo w fazie baterii nie przekracza 4% w odniesieniu do grupy o największej pojemności.

W razie stwierdzenia nierównomiernego rozkładu pojemności w poszczególnych fazach lub w grupach połączonych szeregowo należy je przełączyć tak, aby uzyskać równomierny rozkład obciążeń poszczególnych faz.

Błąd pomiaru nie powinien przekraczać 1%

6.

Układ do pomiaru pojemności kondensatorów jednofazowych

                    
                                        


 

7.

Układy do pomiarów pojemności kondensatora trójfazowego

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pojemności w poszczególnych układach pomiarowych oblicza się z zależności

           



 


C1, 2, 3 = 3183 [μF]

I – prąd odczytany na amperomierzu,

U – napięcie odczytane na woltomierzu,

3183 – współczynnik

Do pomiaru stosować regulowane napięcie przemienne o wartości 24 V do 100 V

 

Pojemność kondensatora trójfazowego oblicza się z zależności

 

Pojemności kondensatorów w poszczególnych fazach oblicza się z zależności

 

 

Pomiary skuteczności ochrony przeciwporażeniowej

Pomiary skuteczności ochrony przeciwporażeniowej urządzeń napędowych przeprowadza się zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-6 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6. Sprawdzenia

 

Autor: inż. Michał Świerżewski absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej. Specjalista w zakresie instalacji elektrycznych w wykonaniu przeciwwybuchowym. Wieloletni biegły sądowy ds. bezpieczeństwa przeciwpożarowego i przeciwwybuchowego instalacji elektrycznych