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.

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.

Wstępna analiza silnika po jego demontażu wskazała na uszkodzenie izolacji na czołach uzwojeń

Wstępna analiza silnika po jego demontażu wskazała na uszkodzenie izolacji na czołach uzwojeń

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.

Pomiar parametru du/dt bezpośrednio na zaciskach falownika, który nie wykazał problemów związanych z potencjalnym odbiciem fali napięciowej

Pomiar parametru du/dt bezpośrednio na zaciskach falownika, który nie wykazał problemów związanych z potencjalnym odbiciem fali napięciowej

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.

Wstępny pomiar na zaciskach silnika, który jednoznacznie wskazuje na możliwość wystąpienia zjawiska odbicia napięcia

Wstępny pomiar na zaciskach silnika, który jednoznacznie wskazuje na możliwość wystąpienia zjawiska odbicia napięcia

Dokładna analiza sygnału mierzonego na zaciskach silnika jednoznacznie wskazała na wysoką wartość parametru du/dt niszczącego izolację uzwojeń

Dokładna analiza sygnału mierzonego na zaciskach silnika jednoznacznie wskazała na wysoką wartość parametru du/dt niszczącego izolację uzwojeń

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.

Rysunek 5 –

Pomiar rezystancji izolacji

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.