Silnik indukcyjny rzadko psuje się „sam z siebie”. Zanim dojdzie do awarii, zwykle pojawia się seria sygnałów: rosną drgania, łożysko grzeje się mocniej niż zwykle, prądy w fazach przestają być równe, a rozruch trwa coraz dłużej. Kto potrafi te sygnały odczytać, może zaplanować postój, zamiast czekać, aż silnik wyłączy zabezpieczenie.
W tym wpisie opisuję, co w silniku psuje się najczęściej, jaki mechanizm za tym stoi i jakimi metodami wykryć problem na wczesnym etapie. Dobór samych zabezpieczeń omawiam osobno we wpisie Zabezpieczenia silników elektrycznych.
Co psuje się najczęściej? Statystyka awarii
W literaturze najczęściej cytowane są dwa badania niezawodnościowe: IEEE-IAS oraz EPRI. Różnią się populacją badanych maszyn, dlatego liczby nie są identyczne, ale w obu na pierwszym miejscu są łożyska.
| Element | IEEE-IAS | EPRI |
|---|---|---|
| Łożyska | 44% | 41% |
| Uzwojenia stojana | 26% | 37% |
| Wirnik | 8% | 10% |
| Inne | 22% | 10% |
Struktura uszkodzeń zmienia się jednak z napięciem znamionowym. W silnikach nN uszkodzenia stojana stanowią ok. 9% awarii, w silnikach SN już 35–40%, a w silnikach WN ponad 65% (MDPI Energies, Early Detection of Faults in Induction Motors). Z czego to wynika? Im wyższe napięcie, tym większe narażenie elektryczne izolacji, więc w silnikach SN i WN monitorowanie stanu uzwojeń zwraca się znacznie szybciej niż w małych silnikach nN.
Podobny obraz daje zestawienie ABB dla silników WN o napięciu 5–15 kV, pracujących w przemyśle naftowym na Morzu Północnym. Łożyska odpowiadają tam za 41,8% awarii, uzwojenia za 12,9%, pręty i pierścienie klatki za 7,6%, a wał i sprzęgło za 4,3% (ABB, High-voltage motors: one size does not fit all).
Skąd biorą się te uszkodzenia? Przegląd literatury w MDPI Energies (Comprehensive Review) wymienia jako główne inicjatory uszkodzenia mechaniczne, starzenie, wysokie drgania i złe smarowanie, a jako przyczynę bazową najczęściej niewłaściwe lub nieterminowe utrzymanie ruchu. Większość z tych przyczyn prowadzi w końcu do tego samego skutku, czyli przegrzania silnika (Utrzymanie Ruchu, monitoring parametrów zasilania). Zacznę od łożysk, bo to one psują się najczęściej.
1. Łożyska
Łożysko najczęściej niszczy utrata lub zanieczyszczenie smaru, korozja albo nadmierne obciążenie. Przy smarowaniu błędem jest zarówno zbyt mała, jak i zbyt duża ilość smaru, bo w obu przypadkach łożysko się przegrzewa. W silnikach WN częstą przyczyną postojów jest też zła obsługa łożysk i błędy popełnione przy ich wymianie w czasie remontów (Szymaniec, BazTech).
Uszkodzone łożysko ma również skutki elektryczne. Rosnące drgania i temperatura obciążają izolację, a w skrajnym przypadku wirnik zaczyna ocierać o stojan i niszczy uzwojenie. Dlatego awaria opisana w protokole jako „zwarcie w uzwojeniu” mogła zacząć się właśnie od łożyska.
Stan łożysk śledzi się na dwa sposoby. W większych silnikach w gniazdach łożyskowych montuje się czujniki RTD, które pokazują trend temperatury. Natomiast analiza drgań pozwala wykryć uszkodzenie bieżni lub koszyka po składowych o częstotliwościach charakterystycznych dla danego typu łożyska.
2. Prądy łożyskowe przy zasilaniu z przemiennika częstotliwości
Przemiennik z modulacją PWM nie wytwarza na wyjściu symetrycznego układu napięć sinusoidalnych. Przełączanie tranzystorów IGBT tworzy napięcie wspólne (common-mode), które przez pojemności pasożytnicze silnika sprzęga się z wałem. Gdy napięcie na wale przekroczy wytrzymałość filmu smarnego, przez łożysko przepływa wyładowanie. Pojedyncze wyładowania wypalają mikrowżery (EDM), a powtarzające się przez tysiące godzin pracy prowadzą do ryflowania bieżni, tzw. fluting (ASHRAE, VFD-induced bearing currents, Eaton, VFD PWM output issues and solutions).
W opracowaniach opartych na NEMA MG-1 cz. 31 jako próg przebicia filmu smarnego podaje się ok. 10–40 V wartości szczytowej (TAPPI, Kressbach). Rozrzut jest duży, bo wytrzymałość filmu zależy od rodzaju smaru, temperatury i prędkości obrotowej.
Prądy łożyskowe to nie jedyny skutek zasilania z przemiennika. Zjawiska w takich silnikach opisuje specyfikacja IEC TS 60034-25:2022, która zastąpiła dawną IEC TS 60034-17. Rozróżnia ona silniki przystosowane do zasilania z przemiennika (converter capable) i silniki projektowane specjalnie do takiej pracy (converter duty). W przypadku długiego przewodu silnikowego strome zbocza napięcia PWM i odbicia fali powodują nierównomierny rozkład napięcia w uzwojeniu. Najbardziej obciążone są wtedy pierwsze zwoje cewki i to tam degraduje się izolacja zwojowa.
Środki zaradcze dobiera się do mocy silnika, długości przewodu i rodzaju prądu łożyskowego. Najczęściej stosuje się:
- pierścień lub szczotkę uziemiającą wał,
- łożysko izolowane (zwykle po stronie N) albo łożyska hybrydowe z elementami ceramicznymi,
- filtry na wyjściu przemiennika: dławik, filtr du/dt, filtr sinusoidalny lub filtr napięcia wspólnego,
- symetryczny przewód silnikowy z ekranem połączonym obustronnie oraz poprawne połączenie wyrównawcze między silnikiem a przemiennikiem.
Trzeba też pamiętać o chłodzeniu. Przy niskiej prędkości przewietrznik na wale kręci się wolniej, więc silnik chłodzi się gorzej niż przy zasilaniu z sieci. Jeśli napęd długo pracuje z niską prędkością i stałym momentem, potrzebne jest obce chłodzenie albo obniżenie obciążenia według krzywej producenta.
3. Woda, wilgoć i izolacja uzwojeń
Woda trafia do silnika przez nieszczelną skrzynkę zaciskową, przez źle dobrany stopień ochrony IP albo przy montażu niezgodnym z pozycją przewidzianą przez producenta. Często jednak źródłem jest kondensacja, która powstaje w czasie postoju, gdy silnik stygnie przy wysokiej wilgotności otoczenia. Wilgoć obniża rezystancję izolacji, a to grozi upływem albo przebiciem przy pierwszym załączeniu (HEM Motor, anti-condensation heaters).
Izolacja uzwojeń starzeje się też bez udziału wody. W głównej mierze odpowiada za to temperatura, bo każde dodatkowe 10°C skraca trwałość izolacji mniej więcej o połowę. Do tego dochodzą drgania, które wycierają lakier w żłobkach, a przy zasilaniu z przemiennika także strome zbocza napięcia obciążające izolację zwojową. W silnikach SN i WN izolację niszczą dodatkowo wyładowania niezupełne.
W praktyce utrzymania ruchu sprawdzają się następujące działania:
- grzałki postojowe (antykondensacyjne), które utrzymują temperaturę wnętrza silnika kilka stopni powyżej otoczenia i są załączane stykiem pomocniczym stycznika na czas postoju,
- pomiar rezystancji izolacji megaomomierzem po dłuższym postoju lub po zalaniu, zawsze przed załączeniem; dla obwodów nN do 500 V norma PN-HD 60364-6 wymaga przy odbiorze co najmniej 1 MΩ przy napięciu probierczym 500 V DC,
- odłączenie przewodów silnikowych od przemiennika częstotliwości przed pomiarem, ponieważ napięcie probiercze może uszkodzić półprzewodniki mocy w stopniu wyjściowym przemiennika,
- suszenie uzwojeń, gdy wynik pomiaru jest za niski (DRG Motor, insulation resistance test),
- zapisywanie wyników z kolejnych lat, bo spadający trend rezystancji izolacji mówi więcej niż pojedynczy pomiar,
- otwory spustowe kondensatu w najniższym punkcie obudowy, dobrane do pozycji montażowej silnika.
4. Asymetria zasilania i zanik fazy
NEMA definiuje asymetrię napięć jako maksymalne odchylenie napięcia przewodowego od średniej, odniesione do tej średniej. Dobrze pokazuje to przykład z NREL/DOE, Eliminate Voltage Unbalance: przy napięciach 462, 463 i 455 V średnia wynosi 460 V, maksymalne odchylenie 5 V, a asymetria ok. 1,1%.
Taka wartość wygląda niewinnie, ale skutki są nieproporcjonalnie duże. Asymetria prądów jest 6–10 razy większa niż asymetria napięć (NREL/DOE), a wraz z nią rośnie temperatura uzwojeń. Według reguły podawanej przez NEMA dodatkowy przyrost temperatury w procentach wynosi ok. 2 × (asymetria w %)². Przy 2% asymetrii daje to ok. 8%, czyli dla silnika o przyroście temperatury 100 K dodatkowe ok. 8 K. Ponieważ każde dodatkowe 10°C skraca trwałość izolacji mniej więcej o połowę, nawet niewielka asymetria wyraźnie skraca życie silnika (ACHR News).
Dlatego NEMA MG-1 zaleca, aby asymetria na zaciskach silnika nie przekraczała 1%. Powyżej tej wartości silnik trzeba odciążyć, a przy asymetrii większej niż 5% praca nie jest zalecana (EPRI). Dopuszczalne obciążenie w zależności od asymetrii pokazuje tabela i wykres poniżej.
| Asymetria napięcia | 1% | 2% | 3% | 4% | 5% |
|---|---|---|---|---|---|
| Dopuszczalne obciążenie | 98% | 95% | 88% | 82% | 75% |
Asymetria ma zwykle przyziemne przyczyny: nierównomiernie rozłożone odbiorniki jednofazowe, uszkodzoną baterię kondensatorów, luźne lub skorodowane połączenia albo przepalony bezpiecznik w jednej fazie. Sprawdza się ją pomiarem napięć na zaciskach silnika pod obciążeniem albo analizatorem jakości energii.
Skrajnym przypadkiem asymetrii jest zanik fazy, czyli praca niepełnofazowa. Składowa przeciwna prądu wytwarza wtedy pole wirujące przeciwnie do wirnika i indukuje w prętach klatki prądy o częstotliwości bliskiej 100 Hz. Przez efekt naskórkowości prądy te płyną przy powierzchni pręta i silnie go nagrzewają. Ciepło przechodzi dalej na wał i łożyska, przez co uszkodzenie łożyska może zamaskować elektryczną przyczynę awarii (PLE Service). Okresowa termowizja rozdzielnic i połączeń pozwala wychwycić przegrzewające się zaciski, zanim któryś z nich przerwie fazę.
Jak dobrać zabezpieczenie od asymetrii i zaniku fazy (przekaźnik czuły na zanik fazy, funkcje 46 i 47), opisuję we wpisie Zabezpieczenia silników elektrycznych. Znaczenie numerów funkcji wyjaśnia wpis Kody ANSI zabezpieczeń elektroenergetycznych.
5. Drgania: niewyważenie, niewspółosiowość, montaż
Hałas i drgania są objawem problemu, ale same również niszczą silnik. Drgania wycierają lakier izolacyjny w żłobkach i powodują mikropęknięcia izolacji (DRG Motor), a przy okazji przyspieszają zużycie łożysk. Źródło drgań nie musi przy tym leżeć w samym silniku. Często jest nim niewspółosiowość sprzęgła albo niewyważona maszyna napędzana.
Stan drganiowy maszyny ocenia się według norm serii ISO 10816 / ISO 20816, które dzielą wyniki na strefy A, B, C i D. Granice tych stref zależą od mocy i rodzaju maszyny, sposobu jej posadowienia oraz części normy, dlatego wynik pomiaru porównuje się z tabelą właściwą dla konkretnego silnika. W praktyce więcej niż pojedynczy odczyt mówi trend: wzrost poziomu drgań między kolejnymi pomiarami jest sygnałem do analizy widma.
Sama wartość skuteczna nie mówi jednak, skąd drgania się biorą. Do tego służy analiza widmowa, w której charakterystyczne składowe wskazują konkretną przyczynę (HEM Motor, ISO 20816):
- dominująca składowa 1× prędkość obrotowa wskazuje na niewyważenie,
- składowa 2× przy wysokiej składowej osiowej wskazuje na niewspółosiowość,
- składowe o częstotliwościach charakterystycznych łożyska wskazują na jego uszkodzenie,
- drgania o częstotliwości 2× częstotliwość sieci, czyli 100 Hz, wskazują na problem elektryczny, np. asymetrię zasilania albo nierówną szczelinę powietrzną.
Przy usuwaniu drgań liczy się kolejność prac. Najpierw usuwa się tzw. miękką łapę (soft foot), czyli szczelinę pod jedną z łap silnika; szczelina powyżej ok. 0,05 mm kwalifikuje się do podkładkowania. Dopiero potem osiowuje się silnik z maszyną napędzaną, a na końcu wyważa (AXILINE). Wyważanie silnika stojącego na krzywo ustawionej ramie nie usunie drgań, bo ich źródło zostaje na miejscu.
6. Wirnik: długi i częsty rozruch
Uszkodzenia klatki wirnika stanowią 5–15% defektów silników indukcyjnych. Najbardziej narażone są napędy z ciężkim rozruchem, dużą liczbą rozruchów i dużym poślizgiem, takie jak wentylatory o dużej bezwładności czy młyny węglowe uruchamiane w stanie zasypanym (Napędy i Sterowanie 2016, BazTech).
Z czego to wynika? W czasie rozruchu prąd w wirniku jest wielokrotnie większy od znamionowego, a chłodzenie, ze względu na niską prędkość, najsłabsze. Każdy długi rozruch dokłada więc naprężeń cieplnych na prętach i pierścieniach zwierających. Po wielu takich cyklach w prętach pojawiają się pęknięcia, najczęściej w miejscu połączenia z pierścieniem.
Pęknięte pręty da się wykryć bez zatrzymywania napędu. Służy do tego analiza widma prądu stojana (MCSA), w której uszkodzenie klatki widać jako wstęgi boczne wokół składowej 50 Hz, oddalone od niej o wartość zależną od poślizgu (Urządzenia dla Energetyki, diagnostyka MCSA). Pomocniczo stosuje się termowizję wirnika i pomiar strumienia poosiowego (Energotest).
Diagnostyka: która metoda wykrywa co
Każda z opisanych przyczyn ma swoją metodę wykrywania. Zestawienie poniżej pomaga dobrać pomiary do konkretnego napędu.
| Metoda | Co wykrywa | Uwagi |
|---|---|---|
| Analiza drgań (widmo) | łożyska, niewyważenie, niewspółosiowość, luzy, część problemów elektrycznych (100 Hz) | ocena stref wg ISO 10816 / ISO 20816 |
| Pomiar temperatury łożysk i uzwojeń (RTD, PTC) | przegrzanie łożysk, niewydolne chłodzenie, przeciążenie | RTD pozwala śledzić trend |
| Pomiar rezystancji izolacji | zawilgocenie i starzenie izolacji | po postoju, przed załączeniem, z odłączonym przemiennikiem |
| Analiza widma prądu stojana (MCSA) | pęknięte pręty i pierścienie klatki, mimośród | on-line, bez zatrzymania napędu |
| Pomiar napięć i prądów fazowych | asymetria zasilania, zanik fazy | pod obciążeniem, na zaciskach silnika |
| Termowizja | przegrzane połączenia w rozdzielnicy i skrzynce zaciskowej, nagrzewanie wirnika | okresowo, pod obciążeniem |
| Oględziny bieżni po demontażu | ryflowanie od prądów łożyskowych | przy wymianie łożysk w silnikach zasilanych z przemiennika |
Najwięcej dają te metody wtedy, gdy wyniki zapisuje się regularnie i porównuje z poprzednimi. Rosnący trend drgań albo spadający trend rezystancji izolacji pozwala zaplanować postój, zanim silnik wyłączy zabezpieczenie. Jak dobrać to zabezpieczenie, od wyłącznika silnikowego po przekaźnik cyfrowy, opisuję we wpisie Zabezpieczenia silników elektrycznych: dobór, klasy wyzwalania, czujniki PTC i przekaźnik cyfrowy.