Typowe awarie i usterki silników
Aby dobrać najbardziej odpowiednie zabezpieczenia, trzeba poznać i zrozumieć występujące awarie i usterki silników elektrycznych.
Silniki w trakcie pracy nieustannie narażone są na siły wywołane zarówno przepływem prądu elektrycznego i jak wszelkiego rodzaju naprężeniom mechanicznym.
Występują trzy podstawowe rodzaje awarie silników: elektryczne, mechaniczne oraz mechaniczne, który są pochodną działania prądu elektrycznego. Typowe rodzaje awarii i usterek silnika to:
- Uszkodzenie łożysk;
- Uszkodzenie izolacji;
- Zablokowanie wirnika;
- Przegrzanie
- Przeciążenia (elektryczne i mechaniczne)
- Asymetria obciążania oraz asymetria napięcia zasilającego wpływająca na nierównomierne obciążenie faz;
- Bieg wsteczny
- Niewspółosiowość wału
- Wibracje
Przegrzanie silnika może wynikać kilku przyczyn:
- z niewłaściwego doboru silnika do napędzaj maszyny,
- niewystarczającego chłodzenia przy niskiej prędkości przy zasilaniu silników z przemienników częstotliwości,
- zmian obciążenia silnika, wynikającym m.in. z utyki wału;
- gorące warunki otoczenia.
Uszkodzenie izolacji, prowadzące do spalenia uzwojeń czego konsekwencją jest zwarcie wewnątrz silnika lub w obwodzie zasilania silnika może być spowodowane przegrzaniem, przeciążeniem lub przepięciami.
Około 80% awarii silników elektrycznych jest wynikiem uszkodzeń uzwojeń stojana silnika i usterek łożysk.
Uszkodzenie łożysk w silnikach może wskazywać na nieprawidłowy dobór łożyska do danego zastosowania lub niewłaściwe smarowanie łożysk (nieprawidłowa gospodarka smarownicza). Należy zauważyć, że silnik przeznaczone do pracy pionowej wymaga innych łożysk niż silnik zamontowane poziomo.
Zakłada się, że ponad połowa wszystkich awarii silników wynika z nieprawidłowego działanie łożysk, z których większość wynika ze zbyt małego lub zbyt dużego smarowania. Inną istotną przyczyną uszkodzeń łożysk jest brak właściwego osiowania maszyny oraz silnika.
Niewłaściwe osiowanie wału wpływa na uszkodzenia łożysk w bardzo krótkim czasie. Stąd tak istotne jest, aby wał silnika był w wspólnej osi z wałem napędzanej maszyny, co można osiągnąć tylko za pomocą precyzyjnych technik osiowania, takich jak laser.
Inne problemy, które mogą wystąpić w przypadku silników, to:
- woda, która dostaje się wewnątrz silnika do uzwojeń stojana lub obudowy zacisków przyłączeniowych, która może powodować zwarcia;
- niewłaściwy montaż silnika lub typ obudowy;
- niewyważenie wirnika;
- asymetria zasilania.
Nadmierny hałas wskazuje na problemy z silnikiem i zwykle towarzyszą mu drgania, które mogą powodować jego uszkodzenia. Na skutek drgań dochodzi do pękania i tarcia materiałów, głównie uzwojeń stojana. Drgania mogą znacząco również przyspieszyć uszkodzenie łożyska. Za każdym razem, gdy zauważalne jest zwiększenie hałasu lub drgań w działającym silniku, należy niezwłocznie podjąć działania diagnostyczne i naprawcze. To, co wydaje się oczywistym źródłem hałasu lub wibracji, może być objawem ukrytego problemu. Dlatego często wymagana jest dokładna diagnostyka. Hałas i drgania mogą być spowodowane przez niewyosiowany wał silnika lub mogą być przenoszone na silnik z napędzanej maszyny lub układu przenoszenia mocy.
Innym problemem jest długi czas rozruchu. Jeśli silnik jest poddawany wielu kolejnym rozruchom, może dojść do przegrzania i uszkodzenia wirnika.
Zabezpieczenia silników
Bez względu na napięcie znamionowe i oraz moc silników podstawowym zabezpieczeniem jest ochrona przez zwarciami i przeciążeniami.
Małe silniki niskiego napięcia (do kilkunastu kW) są zwykle chronione tylko przed przeciążeniami i zwarciami. W pozostałych przypadkach (duże silniki niskiego napięcia oraz w szczególności silniki średniego napięcia) mają również inne zabezpieczenia.
Zabezpieczenia przeciążeniowe i nadprądowe muszą być zaprojektowane tak, aby były niewrażliwe na prądy rozruchowe w czasie rozruchu, aby uniknąć niewłaściwego zadziałania.
W przypadku silników niskiego napięcia ochrona przed zwarciami może być wykonywana przez wkładki bezpiecznikowe, często będące elementem rozłączników bezpiecznikowych. Bezpieczniki mają praktycznie natychmiastowo wykryć i wyeliminować prądy ze zwarciowe lub prądy przy zablokowanym wirniku.
Możliwe jest zastosowanie wyłączników z wyzwalaczami zwłocznymi, które dają możliwość zarówno realizacji zabezpieczenia termicznego, jak również zwarciowego. Jeśli występuje nadmierne nagrzanie silnika, stan taki zostaje wykryty przez działanie wyłącznika termicznego. Jeśli natomiast wystąpi zwarcie, wyłącznik wykrywa wzrost chwilowych wartości prądu i nastąpi wyłączenie.
Bezpieczniki zwykle nie nadają się do ochrony przed przeciążeniami, ponieważ ich dobór dla zapewnienia ochrony przed przeciążeniem, powodowałby ich zadziałanie w przypadku wystąpienia wysokiego prądu rozruchowego silnika.Ochrona za pomocą bezpieczników stwarza ponadto ryzyko poważnych uszkodzeń silnika, w przypadku zadziałania bezpiecznika tylko w jednej fazie. Aby tego uniknąć wymagane jest stosowanie dodatkowego zabezpieczenia.
Silniki dużych mocy silniki niskiego napięcia oraz silniki średniego napięcia są chronione przed zwarciami (zarówno między fazowymi jak i doziemnymi) poprzez dedykowane przekaźniki nadprądowe podłączone do przekładników prądowych.
Ochrona przed przeciążeniami zapewniana jest zazwyczaj przez przekaźnik przeciążeniowy termiczny. W tym celu wykorzystuje się wyzwalacze cieplne bimetalowe zwane termicznymi, wyłączniki silnikowe z wyzwalaczami elektromagnetycznymi lub elektroniczne przekaźniki zabezpieczeniowe.
Cyfrowe przekaźniki zabezpieczeniowe, stosowane są przede wszystkich w aplikacjach napędowych z wykorzystaniem silników dużej mocy niskiego napięcia oraz silników średniego napięcia. Tego typu rozwiązania stosowane są również w silnikach małych mocy ale istotnych z punktu widzenia danego procesu produkcyjnego. Cyfrowe przekaźniki są urządzeniami wyposażonymi w mikroprocesor. Mogą one modelować stan cieplny uzwojeń silnika poprzez monitorowanie prądu silnika, a także mogą realizować dodatkowe funkcje pomiarowe i komunikacyjne.
Ochrona silników z zabezpieczeniami realizowanymi przez cyfrowe zespoły zabezpieczeń obejmuje zazwyczaj następujące funkcje [wg ANSI]:
- Zabezpieczenie termiczne przeciążeniowe: [49]
- Zabezpieczenie zwarciowe [50 / 51]
- Zabezpieczenie ziemnozwarciowe [50N / 51N]
W niektórych sytuacjach nie zaleca się zabezpieczania silników przed przeciążeniami, tak jest w przypadku przeciwpożarowych pomp wodnych i wentylatorów oddymiających.
Dla silników niskiego napięcia dużych mocy oraz średniego napięcia zalecane jest stosowanie dodatkowych funkcji zabezpieczeniowych:
- Wejścia RTD/termistor [49/38],
- Zabezpieczenie przed asymetrią [46],
- Zabezpieczenie przed wydłużonym rozruchem [48],
- Zabezpieczenie przed zablokowanym wirnikiem [51LR-50S],
- Zabezpieczenie przed przekroczeniem limitu rozruchów [66],
- Zabezpieczenia temperatury łożysk [38]
- Zabezpieczenie przed asymetrią [47]
- Zabezpieczenie przed zablokowanym wirnikiem
- Zabezpieczenie pod i nadnapięciowe [27 i 59]
- Zabezpieczenie od nadmiernych drgań [39]
- ochrona przed odwróceniem kolejności faz
- Zabezpieczenie różnicowe [87] – dla silników dużej mocy np.
Zabezpieczenie różnicowe jest często zalecane do stosowania dla silników o mocach większych niż 2000kW. Zabezpieczenie różnicowe wykrywa zarówno zwarcia międzyfazowe jak i ziemnozwarciowe. W przypadku ochrony różnicowej prąd na każdym końcu każdego uzwojenia jest mierzony i porównywany w celu określenia wystąpienia uszkodzenia. Ta funkcja wymaga dwóch zestawów przekładników prądowych oraz możliwości podłączenia do obu końców uzwojeń silnika, tak aby można było zmierzyć prąd fazowy wchodzący i wychodzący z każdej fazy. Zabezpieczenie różnicowe odejmuje prąd wychodzący z każdej fazy od prądu przechodzącego do każdej fazy i porównuje wynik z wartością nastawy i w przypadku przekroczenia tej wartości następuje wyłączenie. Używając sześciu przekładników prądowych, podczas rozruchu silnika prądu na obu końcach uzwojenia na każdej fazie mogą nie być równe, ponieważ przekładniki prądowe nie są identyczne, a asymetryczne prądy mogą powodować, że wartości pomiarowe na każdej fazie będą różne. Aby zapobiec nieprawidłowym wyłączeniom, poziom nastawy prądu różnicowego powinien być ustalony z uwzględnieniem odpowiedniego współczynnika lub z uwzględnieniem opóźnienia czasu zadziałania odpowiedniego dla czasu rozruchu silnika.
Zabezpieczenie przed przegrzaniem uzwojeń odbywa się zwykle za pomocą rezystancyjnych detektorów temperatury (RTD) oraz termistorów.
W silnikach zasilanych z przemienników częstotliwości, gdy zachodzi konieczność pracy przy niskich prędkościach obrotowych dla rozwiązania problemu przegrzewania silnika, wymagana może być zabudowa oddzielnego wentylatora chłodzącego, wspomagającego wentylatora silnika.
Zbyt długi czas rozruchu powoduje przegrzanie wirnika. Ponieważ nie jest możliwe fizyczne zmierzenie ciepła wirnika w silnikach klatkowych, konieczne jest określenie ciepła poprzez pomiar prądu stojana potrzebnego dla wzbudzenia wirnik. Model cieplny wirnika jest ustalana za pomocą krzywej I2t. Odpowiednie zabezpieczenie od ponownego rozruchu ma zablokować załączenie, jeśli wykryje, że wirnik osiągnął temperaturę, która doprowadzi do jego uszkodzenia w przypadku próby uruchomienia. Przekaźnik zabezpieczeniowy umożliwi zatem ponowne uruchomienie silnika tylko wtedy, gdy wirnik ma wystarczającą rezerwę termiczną do uruchomienia.
Zabezpieczenie łożysk jest zwykle wykonywane przez RTD w celu monitorowania temperatury.
Ochrona przed drganiami wykorzystuje czujniki/przyspieszeniomierze, które są zazwyczaj umieszczane w kluczowych miejscach silnika i łożysk.