Silniki wykorzystywane są dziś praktycznie we wszystkich środowiskach, nie tylko związanych z przemysłem. Stają się coraz bardziej złożone, przez co utrzymanie ich maksymalnej wydajności może stanowić wyzwanie. Należy też pamiętać, że przyczyny usterek silnika i napędu nie ograniczają się tylko do jednej dziedziny techniki. Zarówno mechaniczne, jak i elektryczne usterki mogą doprowadzić do awarii silnika, więc posiadanie odpowiedniej wiedzy decyduje o różnicy między kosztownym przestojem a wydłużonym czasem sprawności sprzętu.

© Fluke

Jakość energii elektrycznej

1. Stany nieustalone napięcia

Stany nieustalone napięcia mogą pochodzić z wielu źródeł — z zewnątrz i z wewnątrz zakładu. Włączanie i wyłączanie sąsiadujących obciążeń, listwy kondensatorów korekty współczynnika mocy lub nawet warunki pogodowe mogą generować stany nieustalone napięcia w sieciach przesyłowych. Te stany przejściowe, które różnią się amplitudą i częstotliwością, mogą powodować erozję lub uszkodzenia izolacji w uzwojeniach silników. Odnalezienie źródeł tych stanów przejściowych może być utrudnione ze względu na sporadyczność zdarzeń i fakt, że ich objawy mogą być zróżnicowane. Na przykład, na przewodach sterujących może pojawić się stan nieustalony, który nie musi powodować uszkodzenia sprzętu, ale może zakłócić jego działanie.

Wpływ: poważne uszkodzenie izolacji uzwojenia silnika prowadzi do szybkiego uszkodzenia silnika i nieplanowanego przestoju.

Krytyczność: wysoka

>>Analizatory jakości energii elektrycznej<<

2. Asymetria napięcia

Trójfazowe systemy dystrybucji często obsługują jednofazowe obciążenia. Brak równowagi w impedancji lub rozłożeniu obciążenia może przyczynić się do zachwiania równowagi wszystkich trzech faz. Potencjalne usterki mogą wystąpić w okablowaniu silnika, końcówkach przewodów w silniku oraz potencjalnie na samych uzwojeniach. L3 W trójfazowych systemach zasilania brak równowagi może prowadzić do obciążeń w każdym z obwodów fazy. L2 Na najniższym poziomie wszystkie trzy fazy napięcia powinny zawsze mieć taką samą wielkość. L1

Wpływ: brak równowagi powoduje zbyt duży przepływ prądu w jednej lub kilku fazach, co zwiększa temperaturę roboczą i prowadzi do uszkodzeń izolacji.

Krytyczność: średnia

>>Kamery termowizyjne pozwolą wykryć usterki silników<<

3. Zniekształcenie harmoniczne

Upraszczając, składowe harmoniczne to wszelkie niepożądane dodatkowe źródła napięć prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości lub przepływy dostarczające energię do uzwojenia silnika. Ta dodatkowa energia nie jest zużywana do obracania wału silnika, ale krąży w uzwojeniach i w ostatecznym rozrachunku przyczynia się do wewnętrznych strat energii. Te straty rozpraszają się w postaci ciepła, które z czasem pogarsza właściwości izolacyjne uzwojeń. W każdym systemie, w którym występują obciążenia elektroniczne, dochodzi do zniekształceń harmonicznych. Aby rozpocząć badanie zniekształceń harmonicznych, należy użyć analizatora jakości energii elektrycznej w celu monitorowania aktualnych poziomów prądów i temperatury w transformatorach, aby upewnić się, czy nie są one nadmiernie obciążone. Każda składowa harmoniczna ma inny dopuszczalny poziom zakłóceń, które są zdefiniowane w normach takich jak IEEE 519-1992.

Wpływ: spadek sprawności silnika prowadzący do dodatkowych kosztów i wzrostu temperatur roboczych.

Krytyczność: średnia

Napędy o zmiennej częstotliwości

4. Odbicia wyjściowych sygnałów PWM napędu

Napędy o zmiennej częstotliwości wykorzystują technologię modulacji szerokości impulsu (PWM) do sterowania napięciem wyjściowym i częstotliwością prądu przesyłanego do silnika. Odbicia są generowane wtedy, gdy występuje niedopasowanie impedancji pomiędzy źródłem a obciążeniem. Niedopasowanie impedancji może wystąpić w wyniku niewłaściwej instalacji, niewłaściwego doboru podzespołów lub uszkodzeń sprzętu wskutek zużycia. W obwodzie silnika napędowego, szczyt odbicia może być tak wysoki jak poziom napięcia szyny DC.

Wpływ: uszkodzenie izolacji uzwojenia silnika prowadzące do nieplanowanego przestoju.

Krytyczność: wysoka

5. Prąd Sigma

Prądy Sigma są rezultatem częstotliwości sygnału, poziomu napięcia, pojemności elektrycznej i indukcyjności przewodników. Te krążące prądy mogą przedostać się poprzez uziemienie zabezpieczające, powodując uciążliwe fałszywe alarmy lub w niektórych przypadkach nadmiar ciepła w uzwojeniach. Prądy Sigma mogą występować w okablowaniu silnika i są sumą prądów w trzech fazach w każdym punkcie czasu. W idealnej sytuacji, suma tych trzech prądów powinna być równa zeru. Innymi słowy, prąd powrotny z napędu powinien być równy prądowi kierowanemu do napędu. Prądy Sigma mogą być również rozumiane jako sygnały asymetryczne w wielu przewodnikach, które mogą objętościowo sprzęgać prąd do przewodnika uziemiającego.

Wpływ: nieustalone wyzwalanie fałszywych alarmów z powodu przepływu prądu do uziemienia ochronnego.

Krytyczność: niska

6. Przeciążenia robocze

Przeciążenie silnika ma miejsce w chwili, gdy silnik jest nadmiernie obciążony. Podstawowe objawy, które towarzyszą przeciążeniu silnika to zbyt duży pobór prądu, niewystarczający moment obrotowy i przegrzanie. Nadmiar ciepła jest główną przyczyną awarii silnika. W przypadku nadmiernego obciążenia poszczególnych podzespołów silnika łożyska, uzwojenie silnika i inne podzespoły mogą działać prawidłowo, ale silnik w dalszym ciągu będzie gorący. Z tego powodu warto rozpocząć rozwiązywanie problemów od sprawdzenia, czy nie wystąpiło przeciążenie silnika. Ponieważ 30% usterek silnika jest powodowanych przez przeciążenie, ważne jest, aby wiedzieć, w jaki sposób mierzyć i rozpoznawać przeciążenia silnika.

Wpływ: przedwczesne zużycie podzespołów elektrycznych i mechanicznych silnika prowadzące do trwałego uszkodzenia.

Krytyczność: wysoka

Parametry mechaniczne

7. Niewspółosiowość

Niewspółosiowość ma miejsce wówczas, gdy wał napędowy silnika nie jest prawidłowo ustawiony względem obciążenia lub gdy podzespół łączący silnik z obciążeniem jest niewspółosiowy. Wielu specjalistów uważa, że sprzęgło elastyczne eliminuje i kompensuje niewspółosiowość, ale chronione jest jedynie samo sprzęgło. Nawet ze sprzęgłem elastycznym niewspółosiowy wał przekazuje szkodliwe siły cykliczne wzdłuż wału do silnika, co prowadzi do nadmiernego zużycia silnika i zwiększenia pozornego obciążenia mechanicznego. Dodatkowo niewspółosiowość może wzmagać drgania zarówno obciążenia jak i wału napędowego silnika. Istnieje kilka typów niewspółosiowości:

Niewspółosiowość kątowa: linie środkowe wałów przecinają się, a nie są równoległe.

Niewspółosiowość równoległa: linie środkowe wałów są równoległe, a nie są koncentryczne.

Niewspółosiowość złożona: połączenie niewspółosiowości równoległej i kątowej. (Uwaga: niemal wszystkie niewspółosiowości są niewspółosiowościami złożonymi, ale specjaliści traktują te niewspółosiowości jako dwa odrębne typy ze względu na większą łatwość usunięcia niewspółosiowości poprzez oddzielne zajmowanie się niewspółosiowością kątową i równoległą).
Wpływ: przedwczesne zużycie mechanicznych podzespołów napędu prowadzące do przedwczesnych uszkodzeń.

Krytyczność: wysoka

8. Niewyważenie wału

Brak wyważenia obracającej się części to stan, w którym środek masy nie leży na osi obrotu. Innymi słowy, na wirniku pojawia się tzw. ciężki punkt. Chociaż braku wyważenia silnika nigdy nie można wyeliminować całkowicie, to można określić, kiedy wykracza ono poza normę i wtedy usunąć ten problem. Brak wyważenia może być spowodowany przez wiele czynników, w tym:

• Gromadzenie się brudu
• Brak obciążników wyważenia
• Różnice produkcyjne
• Nierówne masy w uzwojeniu silnika i inne czynniki związane z zużyciem.

Zastosowanie wibrometru lub testera wibracji może pomóc określić, czy wirująca maszyna jest wyważona.

Wpływ: przedwczesne zużycie mechanicznych podzespołów napędu prowadzące do przedwczesnych uszkodzeń.

Krytyczność: wysoka

9. Luz wału

Luz występuje wtedy, gdy pojawi się nadmierny prześwit między częściami. Luz może wystąpić w kilku miejscach:

• Luz obrotowy jest powodowany przez nadmierny prześwit pomiędzy obracającymi się i nieruchomymi elementami maszyny, np. w łożysku.
• Luz nieobrotowy występuje między dwoma normalnie nieruchomymi częściami, takimi jak podstawa i fundament, lub obudowa łożyska i maszyna.

Podobnie jak w przypadku wszystkich innych źródeł wibracji, ważne jest, aby wiedzieć, w jaki sposób zidentyfikować i rozwiązać problem tak, aby uniknąć strat finansowych. Zastosowanie wibrometru lub testera wibracji może pomóc określić, czy w wirującym urządzeniu występuje luz.

Wpływ: przyśpieszone zużycie podzespołów obrotowych prowadzące do awarii mechanicznej.

Krytyczność: wysoka

10. Zużycie łożysk

Uszkodzone łożysko ma zwiększony opór, emituje więcej ciepła i ma niższą sprawność z powodu usterek mechanicznych, usterek smarowania lub zużycia.
Uszkodzenie łożyska może być spowodowane przez kilka czynników:

• Obciążenie większe od zakładanego
• Niedostateczne lub nieprawidłowe smarowanie
• Nieskuteczne uszczelnienie łożyska
• Niewspółosiowość wału
• Nieprawidłowy montaż
• Normalne zużycie
• Wzbudzone napięcia wału

Uszkodzenie łożyska od samego początku powoduje efekt kaskadowy przyśpieszający awarię silnika. 13% usterek silnika jest powodowanych przez uszkodzenie łożysk, a w zakładach ponad 60% uszkodzeń mechanicznych to rezultat zużycia łożysk. Dlatego też umiejętność rozwiązywania tego problemu jest bardzo ważna.

Wpływ: przyśpieszone zużycie podzespołów obrotowych prowadzące do usterki łożyska.

Krytyczność: wysoka

Czynniki niewłaściwego montażu

11. Miękka podstawa

Tak zwana miękka podstawa (ang. soft foot, dosł. miękka stopa) to stan, w którym mocowanie podstawy silnika lub podzespołu napędzanego silnika nie jest równe lub powierzchnia, na której zamontowana jest podstawa, jest nierówna. Może to prowadzić do sytuacji, w których dokręcenie śrub mocujących podstawy powoduje powstanie nowych naprężeń i niewspółosiowości. Miękka podstawa często jest widoczna między dwoma ukośnie ustawionymi śrubami mocującymi, w sposób podobny do tego, w jaki nierówne krzesło lub stół ma tendencję do bujania się po skosie. Istnieją dwa rodzaje miękkiej podstawy:

• Równoległa — występuje wtedy, gdy jedna ze stóp montażowych jest wyższa niż pozostałe trzy stopy.
• Kątowa — występuje wtedy, gdy jedna ze stóp montażowych nie jest równoległa lub "normalna" względem powierzchni montażowej.

W obu przypadkach miękka podstawa może być spowodowana zarówno przez nierówności stóp montażowych maszyny lub podłoża montażowego, na którym spoczywają stopy. W obu przypadkach przed rozpoczęciem wyrównywania wału należy wykryć i usunąć miękką podstawę. Wysokiej jakości przyrząd do laserowego osiowania pomoże w stwierdzeniu, czy w przypadku konkretnej maszyny obrotowej występuje problem miękkiej podstawy.

Wpływ: niewspółosiowość mechanicznych podzespołów układu napędowego

Krytyczność: średnia

12. Naprężenie rur

Naprężenie rury odnosi się do stanu, w którym nowe obciążenia, naprężenia i siły działające na resztę sprzętu i infrastrukturę są przekazywane wstecz na silnik i napęd, wzbudzając niewspółosiowość. Najbardziej znanym przykładem są proste połączenia silnika/pompy, gdzie jest przykładana siła na instalację rurową, jak np.:

• Przesunięcie fundamentów (podłoża)
• Nowo zamontowany zawór lub inny podzespół
• Obiekt uderzający, zginający lub po prostu naciskający na rurę
• Uszkodzone lub brakujące wieszaki rury lub mocowanie ścienne

Te siły mogą wywierać kątowy lub inny nacisk na pompę, co z kolei powoduje niewspółosiowość wału silnika/pompy. Z tego powodu ważne jest, aby sprawdzać wyrównanie maszyny nie tylko w momencie montażu, ponieważ precyzyjne wyrównanie to przejściowy stan, który może zmieniać się w czasie.

Wpływ: niewspółosiowość wału i powodowane tym obciążenia obracających się podzespołów, prowadzące do przedwczesnych awarii.

Krytyczność: niska

13. Napięcie wału

Jeśli napięcia wału silnika przekraczają zdolności izolacyjne smaru do łożysk, mogą wystąpić przebicia prądu na pierścień zewnętrzny łożyska powodujące korozję wżerową i wyżłobienia na bieżniach łożysk. Pierwszą oznaką tego problemu będzie hałas i przegrzewanie się łożysk, które zaczną tracić swój pierwotny kształt, a cząsteczki metalu wymieszane ze smarem zwiększają siły tarcia łożyska. Może to doprowadzić do zniszczenia łożyska w ciągu kilku miesięcy działania silnika. Uszkodzenie łożyska stanowi kosztowną usterkę zarówno pod względem kosztów naprawy silnika jak i kosztów przestoju, zatem zapobieganie temu poprzez pomiar napięcia wału i prądu łożyska stanowią istotne czynności diagnostyczne. Napięcie wału jest obecne tylko wtedy, gdy silnik jest zasilany i obraca się. Sonda w postaci szczotki węglowej umożliwia pomiar napięcia wału obracającego się silnika.

Wpływ: wyładowania łukowe na powierzchniach łożysk tworzą wżery korozyjne i żłobkowanie powodując nadmierne wibracje i uszkodzenie łożysk.

Krytyczność: wysoka

Cztery strategie sukcesu

Układy sterowania silnikiem są powszechnie wykorzystywane w zakładach produkcyjnych w krytycznych procesach. Awaria sprzętu może spowodować duże straty finansowe zarówno z powodu potencjalnych kosztów naprawy silnika, kosztów części lub wymiany, a także kosztów przestojów układów napędzanych silnikiem. Awarii powodowanych normalnymi obciążeniami roboczymi można uniknąć dostarczając inżynierom i technikom utrzymania ruchu odpowiednich informacji, ustalając priorytety zadaniowe i zarządzając konserwacją zapobiegawczą w celu monitorowania urządzeń i rozwiązywania trudno wykrywalnych, występujących okresowo problemów. Dzięki temu możliwe jest także obniżenie kosztów przestojów.

Istnieją cztery podstawowe strategie, które można realizować w celu przywrócenia lub uniknięcia przedwczesnego uszkodzenia napędu silnikowego i obracającego się podzespołu:

1. Dokumentowanie warunków pracy, danych technicznych maszyny oraz zakresów tolerancji parametrów.
2. Rutynowe rejestrowanie i dokumentowanie kluczowych pomiarów instalacji, przed i po konserwacji.
3. Tworzenie archiwum pomiarów w celu ułatwienia analizy trendów i identyfikacji zmian warunków.
4. Sporządzanie wykresów poszczególnych pomiarów w celu określenia trendu odniesienia. Wszelkie zmiany w linii trendu o więcej niż +/- 10-20% (lub jakiekolwiek inne wartości procentowe ustalone na podstawie wydajności systemu lub stopnia ważności) powinny być badane w celu określenia przyczyny źródłowej ich występowania.

Źródło: Fluke