Uszkodzenia uzwojeń silników elektrycznych spowodowane odbiciami napięcia

Jeden z zakładów przemysłowych borykał się z problemem okresowych awarii silnika elektrycznego napędzającego ważną dla całego procesu technologicznego pompę wody.

BADANIA REZYSTANCJI IZOLACJI SILNIKA

Przeprowadzona inspekcja zdemontowanego silnika wskazała na uszkodzenie izolacji uzwojenia jednej z faz silnika. Badania rezystancji izolacji silnika przed jego zainstalowaniem i uruchomieniem spełniały wymogi zawarte w normie PN-EN 60034.

Istotnym z punktu widzenia przyczyny awarii okazała się informacja, że falownik zasilający silnik znajduje się w rozdzielni oddalonej o 80m co automatycznie zwróciło uwagę na możliwość wystąpienia zjawiska odbicia napięcia na zaciskach silnika. Zjawisko to spowodowane jest niedopasowaniem impedancji między falownikiem a silnikiem elektrycznym co w konsekwencji prowadzi to odbicia fali napięciowej.

Celem potwierdzenia powyższej tezy, wykonano dwa pomiary z wykorzystaniem scopometru. Pierwszy z pomiarów został wykonany bezpośrednio na wyjściu przetwornicy częstotliwości. Niestety, co widać na rysunku 1, pomiar ten nie potwierdził występowania zjawiska odbicia napięcia.

Drugi z pomiarów wykonano bezpośrednio na zaciskach silnika mierząc napięcia międzyfazowe (UWAGA!: pomiar taki należy wykonać urządzeniem pomiarowych z izolowanymi kanałami – brak oscyloskopu lub scopometru z izolowanymi kanałami przy pomiarze napięć między fazowych na kilku fazach jednocześnie spowoduje zwarcie co w konsekwencji może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia pomiarowego, jak i może narazić osobę dokonującą pomiaru na niebezpieczeństwo porażenia prądem elektrycznym) Już z pierwszy pomiarów wskazywał na znaczące odbicia napięcia. Więcej szczegółów uzyskano po zmianie ustawień wyzwalania, podstawy czasu i amplitudy w scopometrze.

Pomiar wykazał wartość napięcia w piku sięgającą 1.54kV! Wartość przyrostu napięcia du/dt wynosiła 4kV/us. Tak duża wartość zmierzonego parametru du/dt może doprowadzić do miejscowego uszkodzenia izolacji – najczęstszą konsekwencją są zwarcia między zwojowe na czołach uzwojeń. Warto nadmienić, że powyższa usterka nie jest możliwa do zdiagnozowania z wykorzystaniem klasycznych urządzeń pomiarowych służących do pomiarów rezystancji izolacji, gdzie pomiar przeprowadzany jest między uzwojeniem a stojanem silnika. Aby poprawnie zdiagnozować uzwojenie, w którym doszło do zwarć międzyzwojowych konieczne jest zastosowanie pomiaru typu SurgeTest.

Eliminacja szkodliwego dla silnika zjawiska odbicia napięcia możliwa jest poprzez skrócenie odległości linii zasilającej między falownikiem a silnikiem elektrycznym

W przypadku, w którym nie ma powyższej możliwości alternatywą jest zastosowanie dławika silnikowego, który zapewni wygładzenia pulsacji prądu silnika, a ponadto ograniczenia prądu zwarciowego w obwodzie obciążenia przekształtnika, jak również tłumienie przepięć komutacyjnych i kompensację pojemności linii zasilającej.

Warto nadmienić, że zastosowanie dławika silnikowego spowoduje spadek napięcia rzędu 10-15%, który z kolei może spowodować przeciążenie przetwornicy częstotliwości. W związku z powyższym przy doborze całego układu napędowego z dławikiem silnikowym warto wyspecyfikować nieznacznie przewymiarowaną przetwornicę częstotliwości. Kolejny praktycznym aspektem zastosowanie dławika silnikowego jest przeniesienie się hałasu związanego z wartością częstotliwości nośnej z silnika bezpośrednio na dławik – o fakcie tym należy pamiętać w trackie lokalizowania miejsca, w którym zostanie zainstalowany dławik.