Pomiary eksploatacyjne urządzeń napędowych

Pomiary eksploatacyjne urządzeń napędowych

Pomiary eksploatacyjne urządzeń napędowych

Za zużycie energii elektrycznej w procesach technologicznych są w znacznej mierze odpowiedzialne silniki elektryczne. Aby upewnić się, że pracują one zgodnie z parametrami określonymi przez wytwórcę, i wcześnie wykryć przyczyny ewentualnych nieprawidłowości, niezbędne jest okresowe przeprowadzanie badań eksploatacyjnych w terminach określonych w instrukcjach eksploatacji.

Elektryczne urządzenie napędowe to silnik elektryczny prądu przemiennego lub stałego wyposażony w układy zasilania, sterowania, regulacji, sygnalizacji, zabezpieczeń i pomiarów.

Silniki elektryczne są to maszyny elektromechaniczne, które zamieniają energię elektryczną na energię mechaniczną. Pomimo różnic w wielkości i typie wszystkie one pracują na tej samej zasadzie: prąd elektryczny przepływając przez uzwojenie w polu magnetycznym, wytwarza siłę, która powoduje obrót uzwojenia, tworząc moment obrotowy. W układach elektrycznych napięcie jest miarą siły potrzebnej do wprawienia elektronów w ruch, a natężenie prądu jest miarą przepływu ładunku w czasie jednej sekundy przez materiał, do którego napięcie jest przyłożone. Iloczyn napięcia i natężenia prądu nazywa się mocą elektryczną wg zależności:

P = U × I

gdzie: moc P podana jest w watach [W], napięcie w woltach [V] i prąd w amperach [A].

Wat jest to jednostka mocy równa jednemu dżulowi na sekundę. W przypadku źródła prądu stałego moc jest równa iloczynowi napięcia i prądu. Przy źródle prądu przemiennego musi być uwzględniony współczynnik mocy (cosф). Współczynnik mocy jest wielkością bezwymiarową, przyjmującą wartośćmniejszą lub równą 1.Opisuje on ilość dostarczonej mocy czynnej.

Przy współczynniku mocy cos ф mniejszym od jedności występują straty mocy. Jest tak dlatego, że napięcie i natężenie prądu w obwodzie prądu przemiennego mają zazwyczaj przebiegi sinusoidalne z nieprzerwanie zmieniającą się wartością napięcia i natężenia prądu z pewnym przesunięciem. Moc jest iloczynem napięcia i natężenia prądu, więc ma ona największą wartość, gdy ich przebiegi (punkty charakterystyczne – minima i maksima) pokrywają się, tzn. są zgodne w fazie. Taka sytuacja zachodzi przy obciążeniu czysto rezystancyjnym, gdy oba przebiegi są zgodne w fazie i współczynnik mocy jest równy 1. Najczęściej jednak niemal wszystkie rodzaje obciążeń nie są czysto rezystancyjne i przebiegi napięcia i prądu się nie pokrywają. Może to być spowodowane indukcyjnością (silnik) lub nieliniowością obciążenia.

Elektryczne urządzenia napędowe dzieli się na grupy:

  • I grupa – silniki elektryczne o mocy znamionowej większej od 250 kW oraz urządzenia o napięciu znamionowym wyższym od 1 kV, bez względu na wartość mocy znamionowej,

  • II grupa – silniki o mocy znamionowej od 50 do 250 kW o napięciu znamionowym do 1 kV,

  • III grupa – silniki elektryczne o mocy od 5,5 kW do mocy poniżej 50 kW,

  • IV grupa – silniki elektryczne o mocy mniejszej od 5,5 kW.

Rodzaje badań eksploatacyjnych

W eksploatacji elektrycznych urządzeń napędowych wyróżnia się następujące rodzaje badań:

  • badania odbiorcze urządzeń nowych lub po remoncie,

  • badania profilaktyczne (okresowe),

  • badania dorywcze.

Badania odbiorcze przeprowadza się w miejscu zainstalowania urządzenia napędowego w celu sprawdzenia prawidłowości jego zainstalowania i zgodności z dokumentacją techniczną. Badania profilaktyczne (okresowe) przeprowadza się w celu określenia stanu technicznego urządzenia napędowego i możliwości jego dalszej eksploatacji. Dotyczą one zwłaszcza urządzeń dużej mocy i pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych, np. w strefach zagrożonych wybuchem. Terminy badań eksploatacyjnych i ich zakres powinny być określone w instrukcji eksploatacji.

Badania dorywcze wykonuje się w terminach nieustalonych, wynikających z doraźnych potrzeb, np. po awarii urządzenia, po naprawie itp.

Badania czynnych urządzeń elektroenergetycznych zalicza się do prac o szczególnym zagrożeniu zdrowia i życia ludzkiego. Z tego względu prace pomiarowo-kontrolne czynnych urządzeń elektroenergetycznych powinny być wykonywane przez co najmniej dwie osoby. Jedna z tych osób powinna mieć aktualne świadectwo kwalifikacyjne uprawniające do wykonywania pomiarów i interpretacji ich wyników, zaś druga co najmniej przeszkolenie w zakresie udzielania pomocy przedlekarskiej porażonym prądem elektrycznym.

Badania eksploatacyjne urządzenia napędowego składają się z oględzin i pomiarów jego parametrów.

Oględziny

Oględziny urządzeń napędowych w czasie ruchu powinny obejmować:

  • wskazania aparatury kontrolno-pomiarowej, zwłaszcza obciążenia i współczynnika mocy,

  • urządzenia zasilające,

  • urządzenia rozruchowe i regulacyjne,

  • układy sterowania, sygnalizacji oraz urządzenia pomiarowe,

  • pierścienie ślizgowe i komutatory,

  • szczotki i szczotkotrzymacze, urządzenia energoelektroniczne,

  • warunki chłodzenia elementów energoelektronicznych,

  • dobór zabezpieczeń,

  • nagrzewanie się obudowy i łożysk,

  • stan osłon części wirujących,

  • stan przewodów ochronnych i zasilających oraz ich przyłączenia,

  • poziom drgań,

  • działanie układów chłodzenia.

Pomiar temperatury silników elektrycznych

W warunkach eksploatacji często występuje podwyższona temperatura powierzchni zewnętrznych i uzwojeń silników elektrycznych. Najczęstszymi przyczynami tego zjawiska są: zmienione warunki zasilania, nadmierne obciążenie momentem na wale silnika, zmienione warunki chłodzenia, znaczna liczba częstych rozruchów silnika nieprzystosowanego do pracy przerywanej.

Zmiana warunków zasilania najczęściej polega na obniżeniu napięcia w sieci zasilającej. Na przykład: zmiana napięcia w granicach 5% wywołuje liniowy wzrost obciążenia, co z kolei jest przyczyną wzrostu strat w uzwojeniach i przyrostu temperatury proporcjonalnie do kwadratu przyrostu prądu. Długotrwałe obniżenie napięcia zasilającego może spowodować kumulację ciepła, której nie zawsze może sprostać istniejący system chłodzenia. Inną przyczyną nadmiernej temperatury silnika może być przeciążenie momentem wynikające z uszkodzeń mechanicznych urządzenia napędzanego. Przyczyny te powodują wzrost momentu obciążenia (hamującego) na wale silnika, co następnie jest przyczyną wzrostu prądu obciążenia ponad prąd znamionowy. Taki wzrost prądu obciążenia może powodować przegrzewanie wirnika, a nawet wytopienie jego prętów, zniszczenie izolacji uzwojeń czy uszkodzenie gniazd łożyskowych.

Istotne znaczenie ma również wilgotność pomieszczenia, w którym pracuje silnik. Niedostosowanie klasy izolacji uzwojeń silnika do wilgotności w pomieszczeniu, w którym pracuje silnik, może powodować doziemianie układu zasilania i jego niesymetrię.

Kolejną przyczyną nagrzewania się silnika może być nadmierna liczba rozruchów w jednostce czasu. Dopuszczalne nagrzewanie się silnika powinno być dostosowane do rodzaju pracy: ciągłej, przerywanej dorywczej. Praca zespołu silnik-maszyna napędzana musi być dostosowana do dopuszczalnej dla silnika liczby rozruchów w określonym czasie, w taki sposób, aby układ chłodzenia mógł odprowadzić wytwarzane ciepło.

Pomiar temperatury zewnętrznych powierzchni silników elektrycznych wykonuje się termometrami cieczowymi (nie rtęciowymi), termoelementami z miliwoltomierzem lub termorezystorami, np. Pt100.

Pomiary temperatury obudowy silnika elektrycznego zwartego wykonuje się w miejscach o spodziewanej najwyższej temperaturze: pośrodku obudowy w pobliżu skrzynki zaciskowej, na końcu obudowy od strony napędowej w pobliżu tarczy łożyskowej. Od strony przeciwnapędowej nie ma potrzeby pomiaru temperatury, bowiem strona ta nie nagrzewa się do temperatury wyższej niż strona napędowa. W silnikach pierścieniowych należy również badać temperaturę osłony urządzenia szczotkowego.

Odczyty temperatury w poszczególnych częściach obudowy należy wykonywać przy znamionowym obciążeniu silnika, trwającym co najmniej 3 godziny. Temperatury osłon silników elektrycznych i współpracującej z nimi aparatury nie mogą przekraczać wartości określonych przez producenta. Temperaturę uzwojeń mierzy się za pomocą termoelementów, termometrów rezystancyjnych lub termistorów.

Termowizyjne badania silników elektrycznych

Poprawność pracy silników elektrycznych można również oceniać za pomocą pomiarów termowizyjnych. Pomiary te są nieagresywnym i bezpiecznym źródłem wiedzy o stanie technicznym silników i przebiegu ich pracy w stanie rzeczywistym, czyli pod obciążeniem. W przypadku większości maszyn i urządzeń przemysłowych można określić wzorcowy stan cieplny charakterystyczny przy prawidłowej pracy urządzenia. Stan ten jest punktem wyjścia przy tworzeniu mapy cieplnej urządzenia, zapisywany w postaci termogramów umieszczanych w bazie danych maszyny. Tak utworzoną bazę danych wykorzystuje się jako materiał porównawczy przy wykonywaniu badań termowizyjnych i ocenie stanu technicznego wszystkich maszyn tego samego typu.

Lokalizację ewentualnych zwarć w pakietach blach stojanów silników elektrycznych i w rdzeniach transformatorów wykonuje się przez pomiar termowizyjny podczas nagrzewania indukcyjnego stojana lub rdzenia transformatora przez wymuszenie strumienia magnetycznego wywołanego przepływem prądu w odpowiednio nawiniętej pętli pomiarowej. W miejscach zwarć w pakietach blach powstają lokalne nagrzania, które mogą być rozpoznane i precyzyjnie zlokalizowane za pomocą kamery termowizyjnej.

Pomiar rezystancji uzwojeń silników elektrycznych

Wszystkie próby silników elektrycznych rozpoczyna się od pomiaru rezystancji uzwojeń w stanie zimnym. Pomiar wykonuje się podczas postoju silników, po odłączeniu od nich przewodów zasilających i urządzeń pomocniczych.

Przy pomiarach małych silników za temperaturę stanu zimnego przyjmuje się temperaturę otaczającego powietrza, w przypadku dużych maszyn temperaturę stanu zimnego ustala się termometrami umieszczonymi wewnątrz maszyny w czasie 30 min do 1 godziny przed rozpoczęciem pomiarów. Temperaturę uzwojeń można zmierzyć termometrem rezystancyjnym. Trzeba zmierzyć temperaturę każdego uzwojenia i zanotować średnią. W tablicy 1 zestawiono najczęściej wykonywane pomiary rezystancji uzwojeń silników elektrycznych.

Tablica 1. Pomiary rezystancji uzwojeń silników elektrycznych

Lp.

Rodzaj pomiaru

Wymagania techniczne

Uwagi

1.

Pomiar rezystancji uzwojenia stojana

Wartość rezystancji uzwojeń powinna być zgodna z danymi producenta.

 

2.

Pomiar rezystancji izolacji

1. Silniki asynchroniczne o napięciu Un do 1 kV – rezystancja izolacji nie powinna być mniejsza od 5 MΩ.

2. Silniki prądu stałego o napięciu Un do 1000 V – rezystancja izolacji uzwojeń w temperaturze 75oC nie powinna być liczbowo mniejsza niż wartość napięcia znamionowego [V].

Pomiar należy wykonać miernikiem rezystancji izolacji o napięciu probierczym 1000 V.

  3. Silniki asynchroniczne o napięciu znamionowym Un powyżej 1 kV – rezystancja izolacji uzwojeń w temperaturze 75oC, wyrażona w kΩ, nie powinna być liczbowo mniejsza niż wartość napięcia znamionowego wyrażona w V.

 

3.

Próba napięciowa uzwojeń

Wynik 60s próby napięciowej uzwojeń silników I i II grupy wykonanej napięciem przemiennym o wartości równej 75% wartości napięcia podczas próby wykonanej w zakładzie wytwórczym lub remontowym powinien być pozytywny. Wartość rezystancji izolacji zmierzonej bezpośrednio po próbie nie powinna być mniejsza niż 80% wartości uzyskanej przed próbą.

 

4.

Pomiar rezystancji izolacji innych elementów urządzenia

Rezystancja izolacji powinna być zgodna z danymi producenta, a w razie ich braku nie mniejsza niż 5 MΩ przy napięciu probierczym U = 500 V.

 

5.

Pomiar rezystancji izolacji łożysk

Rezystancja izolacji łożysk (silników z izolowanymi stojakami łożyskowymi) nie powinna być mniejsza niż 1 MΩ.

 

Pomiar rezystancji uzwojeń dotyczy urządzeń napędowych grupy 1 o mocy większej od 250 kW oraz urządzeń o napięciu znamionowym wyższym od 1 kV.

Zazwyczaj rezystancję uzwojeń mierzy się:

  • metodami mostkowymi,

  • metodą techniczną.

Najbardziej popularne są metody mostkowe – mostkiem Thomsona do pomiaru małych rezystancji (do 10Ω) i mostkiem Wheatstone’a do pomiaru większych rezystancji. Warunkiem uzyskania dokładnych wyników pomiarów jest zestawienie układów pomiarowych z elementów wysokiej klasy, co w warunkach przemysłowych może być trudne. Z tego względu często stosuje się metodę techniczną (z użyciem woltomierza i amperomierza). Dokładność wyników pomiarów zrealizowanych tą metodą zależy od klasy dokładności użytych przyrządów. Na rysunku 1a pokazany jest schemat połączeń do pomiaru małych rezystancji, a na rysunku 1b – schemat układu do pomiaru dużych rezystancji.

Rys. 1. Układy do pomiaru rezystancji metodą techniczną: a) układ do pomiaru małych rezystancji, b) układ do pomiaru dużych rezystancji

Rezystancje uzwojeń wirników, w których obwodach znajdują się zestyki ślizgowe, mierzy się bezpośrednio na działkach komutatora lub na pierścieniach ślizgowych. Ważne jest zdefiniowanie „rezystancji małej” i „rezystancji dużej”. Rezystancja mała to rezystancja znacznie mniejsza od rezystancji wewnętrznej użytego woltomierza, zaś rezystancja duża to rezystancja znacznie większa od rezystancji zastępczej amperomierza i jego bocznika.

Źródłem zasilania układu pomiarowego powinien być akumulator o pojemności zapewniającej stałą wartość napięcia zasilającego w czasie pomiaru. Rezystancję każdego uzwojenia (każdej fazy) należy wykonać oddzielnie. Natężenie prądu płynącego przez mierzone uzwojenie trzeba tak dobrać, aby nie powodowało nagrzewania się tego uzwojenia. Również z tego powodu sam pomiar i odczyt zmierzonej wartości powinien trwać możliwie krótko. Zmieniając wartości natężenia prądu, jednocześnie odczytuje się wskazania amperomierza i woltomierza. Rezystancję uzwojenia oblicza się wg wzoru:

a gdy trzeba uwzględnić poprawkę wg wzoru:

– w przypadku układu z rysunku 1a:

– w przypadku układu z rysunku 1b:

gdzie:

I – prąd zmierzony amperomierzem [A],

U – napięcie zmierzone woltomierzem [V],

Rv – rezystancja wewnętrzna woltomierza [Ω],

Ra – rezystancja wewnętrzna amperomierza i ewentualnego bocznika [Ω].

Zmierzone wartości rezystancji uzwojeń silnika powinny odpowiadać wartościom podanym przez wytwórcę. W razie braku tych danych zmierzone rezystancje uzwojeń poszczególnych faz stojana nie powinny się różnić między sobą o więcej niż 2% największej wartości.

Pomiary rezystancji uzwojeń silników prądu stałego

Pomiar rezystancji uzwojeń twornika, biegunów pomocniczych, uzwojeń kompensacyjnych i uzwojeń szeregowych wykonuje się w sposób pokazany na rysunku 2.

Rys. 2. Pomiar rezystancji uzwojenia twornika silnika prądu stałego

Aby nie dopuścić do nagrzewania się uzwojeń w czasie pomiaru, prąd pomiarowy trzeba ograniczyć do 25% prądu znamionowego mierzonych uzwojeń. Przy stosowaniu prądów pomiarowych o większych wartościach trzeba odpowiednio skrócić czas pomiarów. Przy pomiarze rezystancji uzwojeń twornika końcówki przewodów pomiarowych prowadzonych od woltomierza powinny być przyłożone bezpośrednio do działek komutatora położonych pod różnymi szczotkami maszyny, a nie przyłączone do szczotek. Obie szczotki powinny ściśle przylegać do komutatora. Pomiar wykonuje się przy trzech różnych położeniach twornika i wyznacza wartość średnią. Rezystancję uzwojenia bocznikowego mierzy się w zależności od jej szacunkowej wartości – metodą techniczną w układzie do pomiaru małej rezystancji lub w układzie do pomiaru dużych rezystancji.

Gdy do dalszych obliczeń potrzebna jest znajomość rezystancji uzwojeń w temperaturze pracy, to rezystancję zmierzoną w stanie zimnym należy przeliczyć na wartość przy pewnej temperaturze umownej uzależnionej od klasy izolacji tych uzwojeń. Temperatura umowna wynosi przy klasie izolacji uzwojeń A, B i E: 347 K (75oC) i 387 K (115oC) przy klasie izolacji uzwojeń F i H. Przykładowo: gdy uzwojenia silnika wykonane są przewodami miedzianymi, ich rezystancję przelicza się zgodnie z zależnością:

gdzie:

T1 – temperatura w stanie zimnym [K],

T2 – temperatura odniesienia [K],

RT1 – rezystancja uzwojenia w temperaturze w stanie zimnym [Ω],

R – rezystancja uzwojenia w temperaturze odniesienia [Ω].

Spadek napięcia na szczotkach. Rezystancja szczotek oraz rezystancja przejścia między szczotką i komutatorem ma charakter nieliniowy. Zależy ona bowiem od natężenia przepływającego prądu, prędkości obrotowej komutatora, biegunowości szczotki, siły nacisku, rodzaju materiału szczotki i komutatora. Charakterystyczne parametry różnego rodzaju szczotek podawane są w katalogach producentów. W praktyce nie mierzy się rezystancji przejścia, lecz mierzy się spadek napięcia na tej rezystancji. Można oszacować, że spadek ten dla pary szczotek kształtuje się wg krzywej uproszczonej na rysunku 3.

Rys. 3. Spadek napięcia na szczotkach (wykres uproszczony)

Pomiar rezystancji izolacji uzwojeń

Rezystancję izolacji uzwojeń mierzy się po odłączeniu przewodów zasilających i urządzeń pomocniczych. Temperatura izolacji w czasie pomiaru powinna być wyższa od 10oC. Przy pomiarach wykonywanych przed uruchomieniem maszyny zainstalowanej w pomieszczeniu lub po jej postoju dłuższym niż 7 dni można przyjąć, że temperatura izolacji jest równa temperaturze otoczenia.

Rezystancję izolacji mierzy się megaomomierzami o napięciu zależnym od napięcia znamionowego uzwojeń i charakteru badań. Napięcie pomiarowe powinno wynosić:

  • w trakcie badań odbiorczych:

– 1000 V uzwojeń o napięciu znamionowym do 1 kV,

– 2500 V uzwojeń o napięciu znamionowym wyższym od 1 kV,

– 2Un uzwojeń wzbudzenia maszyn synchronicznych;

  • w trakcie badań okresowych:

– 500 V uzwojeń o napięciu znamionowym niższym niż 500 V,

– 1000 V uzwojeń o napięciu znamionowym od 500 do 1000 V,

– 2500 V uzwojeń o napięciu znamionowym wyższym od 1000 V.

Przed przystąpieniem do pomiaru badane uzwojenie o napięciu do 1 kV należy uziemić na okres 1 min, a uzwojenie o napięciu wyższym od 1 kV na okres 5 min w celu rozładowania.

Pomiar rezystancji izolacji wykonuje się w ten sposób, że mierzy się rezystancję między danym uzwojeniem i zaciskiem ochronnym maszyny, z którym łączy się pozostałe uzwojenia silnika. Po czym mierzy się rezystancję izolacji między poszczególnymi uzwojeniami. Jako oddzielne uzwojenia traktuje się tylko te, które mają zaciski wyprowadzone na zewnątrz. Na przykład uzwojenie stojana silnika pierścieniowego składa się z trzech osobnych uzwojeń, a połączone wewnątrz uzwojenie trzech faz wirnika traktuje się jako jedno uzwojenie. Trzeba pamiętać, że zawsze po zakończeniu pomiaru badane uzwojenie należy rozładować.

Wynik pomiaru należy odczytać po 60 s od chwili rozpoczęcia pomiaru. W ten sposób otrzymuje się rezystancję izolacji określoną jako R60. W przypadku maszyn o napięciu znamionowym wyższym od 1 kV należy dokonać odczytu rezystancji izolacji po 15 s, uzyskując wartość rezystancji R15. Podczas pomiaru rezystancji izolacji trzeba zmierzyć i zanotować temperaturę uzwojeń. Wyniki pomiaru uznaje się za pozytywne, jeżeli rezystancja izolacji uzwojeń każdej fazy spełnia warunki podane w tablicy 2.

Tablica 2. Wskaźniki rezystancji izolacji uzwojeń silników elektrycznych

Rodzaj maszyny lub uzwojenia

Badania odbiorcze

Badania profilaktyczne

 

R60

R60/R15

(współczynnik absorpcji)

R60

R60/R15

(współczynnik absorpcji)

 

 

Silnik indukcyjny

Un ≤ 1kV

> 5 MΩ przy 20oC

 

> 1 MΩ przy 20oC

 

Un > 1 kV

 

> 1 MΩ/kV przy 75oC

> 1,5 przy 20oC

> 1,4 przy 40oC

> 1,3 przy 60oC

 

≥ 1,3

Silniki prądu stałego

> 1 MΩ/kV przy 75oC

Rozrusznik

> 1 MΩ przy 20oC

 

Silniki synchroniczne

 

 

>MΩ

 przy 75oC

 

> 1,5 przy 20oC

> 1,4 przy 40oC

> 1,3 przy 60oC

MΩ przy 75oC

 

≥ 1,3

Uzwojenia wzbudzenia silników synchronicznych

1 MΩ

przy 75oC1)

≥ 0,5 MΩ przy 20oC

Pozostałe elementy obwodu wzbudzenia

50 MΩ

≥ 1 MΩ przy 20oC

Un – napięcie znamionowe [V], Sn – moc pozorna znamionowa [MVA], R60 /R15 – współczynnik absorpcji.

1) Jeżeli wytwórca nie zaleca inaczej.

 

 

W temperaturach innych niż podane w tablicy 2 z przedziału od 10oC do 85oC zmierzone rezystancje izolacji można przeliczać w sposób uproszczony: obniżenie temperatury o 10oC powoduje 1,5-krotny wzrost rezystancji i odwrotnie.

Rezystancję izolacji przewodów zasilających mierzy się tak samo jak oprzewodowania instalacji elektrycznych.

Wartość rezystancji izolacji uzwojeń stojana silników o napięciu znamionowym do 1 kV nie powinna, w czasie pomiarów odbiorczych wynosić mniej niż 5 MΩ. Przy badaniach okresowych wymagana jest wartość rezystancji izolacji nie mniejsza niż 1000 Ω na każdy wolt napięcia znamionowego. Negatywne wyniki pomiarów mogą świadczyć o zawilgoceniu, zabrudzeniu lub uszkodzeniu izolacji uzwojeń maszyny.

Rezystancja izolacji uzwojeń silników asynchronicznych o napięciu wyższym od 1 kV powinna być mierzona w temperaturze 75oC. Zmierzona wartość rezystancji izolacji wyrażona w kiloomach (kΩ) nie powinna być liczbowo mniejsza niż wartość napięcia znamionowego wyrażona w woltach.

Rezystancję izolacji uzwojeń silników prądu stałego o napięciu znamionowym do 1 kV mierzy się megoomierzem o napięciu 1000 V. Wartość rezystancji izolacji wyrażona w kΩ w temperaturze 75oC nie powinna być liczbowo mniejsza niż wartość napięcia znamionowego wyrażonego w woltach. W zakresie temperatur od 10oC do 85oC zmierzoną wartość izolacji w temperaturze t należy przeliczyć na wartość w temperaturze 75oC (w sposób uproszczony) wg reguły: obniżenie/podwyższenie temperatury o 10oC powoduje 1,5-krotne zwiększenie/ zmniejszenie rezystancji izolacji.

Próba napięciowa napięciem przemiennym

Próbę napięciową napięciem przemiennym wykonuje się zazwyczaj w ramach badań odbiorczych silników i niekiedy w czasie badań okresowych (profilaktycznych). Próbę napięciową należy poprzedzić pomiarem rezystancji izolacji uzwojeń silnika. Układ pomiarowy zasilany jest z transformatora probierczego. Napięcie mierzy się po stronie wysokiego napięcia woltomierzem przyłączonym przez laboratoryjny przekładnik napięciowy. W czasie badania napięcie trzeba zwiększać płynnie od zera do pełnego napięcia probierczego. Po osiągnięciu napięcia probierczego należy je utrzymywać przez 60 s.

Po zakończeniu próby trzeba ponownie zmierzyć rezystancję izolacji uzwojeń. Wartość napięcia probierczego próby powinna wynosić:

  • maszyn synchronicznych i wzbudnic – 80%,

  • pozostałych maszyn – 75% napięcia probierczego u wytwórcy lub w zakładzie remontowym.

Wynik próby uważany jest za pozytywny, gdy:

  • izolacja uzwojeń nie została przebita,

  • nie wystąpiły przeskoki iskrowe w czasie badania maszyny,

  • rezystancja izolacji po próbie wynosi nie mniej niż 80% wartości rezystancji izolacji przed próbą.

Suszenie uzwojeń silnika

Niekiedy przed pierwszym uruchomieniem lub po dłuższym postoju silnika rezystancja izolacji jego uzwojeń jest mniejsza od wymaganej na skutek zawilgocenia. W takim przypadku konieczne jest wysuszenie silnika. Maszyny elektryczne najczęściej są suszone:

  • ogrzanym powietrzem z zewnątrz,

  • ciepłem tworzonym przez straty w uzwojeniach,

  • ciepłem powstałym w wyniku strat w rdzeniu.

Do suszenia nagrzanym powietrzem z zewnątrz najlepiej wykorzystywać dmuchawy. Można też wykorzystać inne źródła ciepła, np. lampy żarowe, promienniki, grzejniki elektryczne. Źródła ciepła umieszcza się wewnątrz silnika po demontażu wirnika. Metody suszenia za pomocą strat w uzwojeniach nie należy stosować do suszenia bardzo zawilgoconych silników lub bezpośrednio po ich zalaniu wodą. W takich przypadkach należy maszynę wstępnie wysuszyć ciepłem zewnętrznym. Silniki indukcyjne najczęściej suszy się metodą strat w uzwojeniach przy zahamowanym wirniku. Uzwojenie zasila się napięciem obniżonym. Wartość napięcia trzeba tak dobrać, aby prąd suszenia nie przekraczał wartości 50% do 70% prądu znamionowego. Do suszenia silników metodą strat w uzwojeniach można też użyć zasilania prądem stałym lub przemiennym jednofazowym.

Suszenie uzwojeń metodą strat w żelazie (w rdzeniu) wykonuje się po demontażu wirnika. Na żelazo czynne stojana nawija się przewodami izolowanymi uzwojenie magnesujące. Trzeba obliczyć parametry tego uzwojenia – moc niezbędną do suszenia, liczbę zwojów, prąd i przekrój przewodów.

Niezależnie od zastosowanej metody suszenia trzeba spełnić wymagania wstępne:

  • przed suszeniem maszynę trzeba oczyścić i przedmuchać sprężonym powietrzem,

  • maszynę trzeba odizolować cieplnie,

  • umożliwić odprowadzanie wilgoci z wnętrza maszyny w trakcie suszenia

oraz wymagania w trakcie suszenia:

  • nie należy przekraczać dopuszczalnych temperatur (tablica 3);

  • utrzymać powolny wzrost temperatury;

  • mierzyć rezystancję izolacji uzwojeń na początku suszenia co 30 min, a po osiągnięciu temperatury ustalonej co 1 godz. Na początku pomiaru rezystancja izolacji maleje, a następnie powoli wzrasta, osiągając wartość ustaloną.

Tablica 3. Najwyższe dopuszczalne temperatury w trakcie suszenia w najcieplejszym dostępnym miejscu

Miejsce pomiaru

Sposób pomiaru

Temperatura (oC) przy suszeniu metodą

strat w uzwojeniach

strat w rdzeniu

nagrzewania zewnętrznego

 

Rdzeń lub uzwojenie

Termometrem cieczowym

70

70

70

Przez pomiar rezystancji uzwojeń

 

90

 

70

 

70

Termoelementem

80

70

70

Powietrze wypływające z maszyny

Termometrem cieczowym, termometrem oporowym, termoelementem

 

65

 

65

 

65

Suszenie kończy się, gdy rezystancja izolacji przy ustalonej temperaturze utrzymuje się na stałym poziomie i współczynnik absorpcji jest większy niż 1,3.

Pomiar momentu obrotowego i mocy na wale maszyny

W większości maszyn elektrycznych następuje zamiana energii elektrycznej na energię mechaniczną (w silnikach) lub energii mechanicznej na elektryczną (w prądnicach). Często w czasie badań wykonywany jest pomiar mocy mechanicznej dostarczanej lub odbieranej z maszyny za pośrednictwem jej wału. Badania takie są konieczne przy wyznaczaniu sprawności maszyny i określaniu charakterystyk mechanicznych silników.

Metody wyznaczania mocy lub momentu na wale maszyny dzieli się na:

  • metody bezpośrednie.

  • metody pośrednie,

  • mieszane (metoda prądnicy hamulcowej).

Metoda bezpośrednia polega na pomiarze momentu obrotowego M na wale maszyny oraz prędkości obrotowej n. Szukana moc mechaniczna na wale silnika wynosi:

Pmech. = 2 ∙ π ∙ M ∙ n [W]

gdzie:

Pmech. – moc na wale,

M – moment obrotowy [N∙m],

n – prędkość obrotowa [obr/s].

Prędkość obrotową mierzy się dowolną metodą (opisaną dalej), zaś moment obrotowy mierzy się za pomocą urządzenia nazywanego hamulcem pomiarowym.

Metoda pośrednia wyznaczania mocy lub momentu obrotowego silnika polega na bezpośrednim pomiarze mocy elektrycznej Pel. na zaciskach badanej maszyny i określeniu strat mocy traconej w maszynie ∆P. Szukana moc mechaniczna na wale silnika wynosi:

Pmech. = Pel. – ∆P

Wartość momentu obrotowego można obliczyć z zależności:

Metoda łącząca elementy obydwu wskazanych metod polega na tym, że jako hamulec stosuje się prądnicę (zazwyczaj prądu stałego bocznikową lub obcowzbudną), której znana jest zależność mocy mechanicznej na wale Pmech. lub sprawności od mocy elektrycznej Pel. oddawanej z zacisków:

η = f(Pel)

Badany silnik napędza prądnicę hamulcową, która po wzbudzeniu może być obciążona i oddawać moc, np. do odbiornika o regulowanej rezystancji. Przy zmierzonej mocy na zaciskach prądnicy hamulcowej można z wykresu odczytać odpowiadającą jej sprawność. Pozwala to, przy znanej prędkości obrotowej, obliczyć moment obrotowy silnika z zależności:

Straty w maszynie hamulcowej i tym samym jej sprawność są funkcją wielu zmiennych – prądu, napięcia, prędkości obrotowej, temperatury. Aby można było korzystać z wykresu

η = f(Pel), musi on być wyznaczony przy takich samych wartościach parametrów, jakie występują w czasie danego pomiaru. W tym celu trzeba posługiwać się całą rodziną charakterystyk wyznaczonych przy różnych prędkościach obrotowych przy stałej wartości napięcia zasilającego.

Pomiar mocy

Pomiar mocy czynnej

W obwodach trójfazowych moc czynną określa się jako sumę mocy poszczególnych faz. W zależności od rodzaju obwodu trójfazowego i rodzaju odbiornika rozróżnia się układy do pomiaru mocy w obwodach trój- lub czteroprzewodowych obciążonych symetrycznie bądź niesymetrycznie. Zasilanie z sieci trójfazowej jest z zasady symetryczne, co oznacza, że moduły napięć fazowych są sobie równe, a ich fazy są przesunięte względem siebie o 120o .

W obwodach trójfazowych czteroprzewodowych obciążonych symetrycznie lub niesymetrycznie stosuje się połączenie trzech watomierzy (rys. 4). Całkowita moc obwodu jest równa sumie wskazań trzech watomierzy:

P = P1 + P2 + P3

Rys. 4. Układ do pomiaru mocy czynnej w sieci czteroprzewodowej obciążonej niesymetrycznie (P = P1 + P2 + P3)

Układ ten zapewnia poprawny wynik pomiaru niezależnie od rodzaju obciążenia i zasilania z sieci. W sieci czteroprzewodowej obciążonej symetrycznie moc wszystkich faz jest jednakowa, np. w silniku trójfazowym wystarczy zmierzyć moc jednej fazy (rys. 5)

i pomnożyć przez trzy:

P = 3P1

Rys. 5. Układ do pomiaru mocy czynnej w sieci czteroprzewodowej obciążonej symetrycznie (P = 3P1)

W sieciach bez przewodu neutralnego moc mierzy się jednym watomierzem w układzie ze sztucznym punktem neutralnym. Obwód napięciowy watomierza o rezystancji R1 wraz z rezystorami R2 i R3 równymi R1 tworzy symetryczną gwiazdę (rys. 6), co powoduje, że watomierz włączony jest na napięcie fazowe i prąd fazowy. Podobnie jak poprzednio, moc całkowita obwodu trójfazowego P = 3P1.

Rys. 6. Układ do pomiaru mocy czynnej w sieci trójprzewodowej obciążonej symetrycznie (P = 3P1)

W sieciach trójfazowych obciążonych niesymetrycznie moc można mierzyć trzema watomierzami z obwodami napięciowymi połączonymi w gwiazdę. Wówczas moc całkowita obwodu równa jest sumie wskazań mierników. W praktyce stosuje się tańszy i wygodniejszy układ dwóch watomierzy nazywany układem Arona. Układ Arona umożliwia prawidłowy pomiar nocy w sieci trójfazowej bez przewodu neutralnego przy symetrycznym napięciu zasilającym i dowolnym obciążeniu (rys. 7). Moc całkowita obwodu jest sumą wskazań obu watomierzy (P = P1 + P2 ).

Rys. 7. Dwa watomierze do pomiaru mocy czynnej w sieci trójprzewodowej w układzie Arona przy dowolnym obciążeniu (P = P1 + P2 )

Pomiar mocy biernej

Moc bierną określoną wzorem

Q = UIsinφ

mierzy się w obwodach elektroenergetycznych jednofazowych waromierzem (watomierzem z układem Hummla) włączanym tak samo jak watomierz. W obwodach trójfazowych zasilanych symetrycznie moc bierną mierzy się najczęściej odpowiednio włączonymi watomierzami. W sieci trójfazowej symetrycznie zasilanej i symetrycznie obciążonej moc bierną można mierzyć jednym watomierzem (rys. 8). Wskazanie watomierza odpowiada zależności:

P1 = UST IR cos(90o – φ) = √3UfIfsinφ

gdzie: Uf i If towartości skuteczne napięcia i prądu fazowego.

Moc bierną obwodu trójfazowego określa wzór:

Q = 3UfIfsinφ

Wskazanie watomierza należy więc pomnożyć przez √3, wówczas:

Q = √3Pt = √3√3UfIfsinφ

Rys. 8. Układ do pomiaru mocy biernej jednym watomierzem

Moc bierną w sieci czteroprzewodowej obciążonej niesymetrycznie mierzy się trzema watomierzami połączonymi jak na rysunku 9. Wskazanie każdego watomierza jest √3 razy większe od mocy biernej poszczególnych faz. Całą moc bierną obwodu oblicza się ze wzoru:

Pomiary mocy czynnej i biernej w obwodach trójfazowych wymagają stosowania jednego, dwóch lub trzech watomierzy. Obecnie produkowane są watomierze i waromierze trójfazowe o dwóch lub trzech ustrojach we wspólnej obudowie, których momenty napędowe działają na wspólną oś miernika; podziałka miernika jest opisana w wartościach mocy trzech faz.

Rys. 9. Układ do pomiaru mocy biernej trzema watomierzami

Rys. 10. Układ do pomiaru mocy biernej dwoma watomierzami

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