POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH

LABORATORIUM ELEKTRYCZNE

Badania eksploatacyjne maszyn elektrycznych (E – 19)

Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ

3

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie zakresu obowiązujących badań technicznych dla silników elektrycznych oraz wykonanie podstawowych pomiarów eksploatacyjnych wybranej maszyny elektrycznej.

2. Wprowadzenie Maszyny elektryczne, będące w eksploatacji, cechuje duża różnorodność. Istnieje wiele kryteriów podziału tych urządzeń. Ogólnie dokonuje się podziału maszyn ze względu na rodzaj przetwarzanej energii na: silniki, prądnice i przetwornice. Ze względu na rodzaj prądu zasilającego rozróżniamy maszyny prądu stałego lub przemiennego. Najliczniejszą grupę maszyn elektrycznych stanowią silniki prądu przemiennego i im poświęcimy główną uwagę. Silniki prądu przemiennego mogą być: synchroniczne, indukcyjne lub komutatorowe, będąc jednocześnie jedno-, dwu-, trójlub wielofazowe. Wśród silników indukcyjnych (asynchronicznych) rozróżnia się jeszcze silniki pierścieniowe i najczęściej stosowane silniki klatkowe. Z punktu widzenia badań technicznych i eksploatacyjnych oprócz rodzaju silnika bardzo ważną rolę odgrywa podział silników na grupy ze względu na wartość mocy znamionowej. Silnik może być użytkowany po przeprowadzeniu wymaganych pomiarów eksploatacyjnych wchodzących w skład badań technicznych, które wykażą, że urządzenie jest bezpieczne. 2.1. Zależność zakresu badań od rodzaju maszyny

Maszyny elektryczne poddawane są pomiarom i badaniom zarówno w czasie produkcji, jak i w czasie eksploatacji. Wykaz badań wchodzących w zakres prób typu i wyrobu podano w tabeli 1.1. Tabelę sporządzono dla trzech zasadniczych rodzajów maszyn elektrycznych: ·

maszyny prądu stałego,

·

maszyny indukcyjnej (asynchronicznej),

·

maszyny synchronicznej.

4 Tabela 1.1

Rodzaj próby lub badania Oględziny

Rodzaj maszyny prądu asynchro- synchrostałego niczna niczna x x x

Sprawdzenie stopnia ochrony

x

x

x

Pomiar rezystancji uzwojeń prądem stałym

x

x

x

Wyznaczenie charakterystyk biegu jałowego

x

x

x

Próba nagrzewania

x

x

x

Wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej i znamionowego prądu wzbudzenia Wyznaczenie charakterystyki mechanicznej silników

x

Sprawdzenie zasobu wzbudzenia

x

Próba przeciążalności prądem lub momentem

x

Próba komutacji

x

Wyznaczenie strat i sprawności

x

x x x x

x

x

x

x

Próba wytrzymałości mechanicznej przy n > nN

x

x

x

Próba izolacji zwojowej

x

x

x

Próba izolacji głównej uzwojeń

x

x

x

Pomiar poziomu zakłóceń radioelektrycznych

x

x

x

Pomiar znamionowego napięcia wirnika w silnikach pierścieniowych

x

Pomiar prądu i momentu rozruchowego

x

x

Pomiar strat w stanie zwarcia

x

x

Wyznaczenie strat, sprawności i współczynnika mocy

x

Sprawdzenie kształtu krzywej napięcia prądnic

x

Wyznaczenie reaktancji zastępczych i stałych czasowych

x

Wyznaczenie charakterystyki zwarcia ustalonego

x

Wyznaczenie charakterystyki regulacji i obciążenia

x

Wyznaczenie strat obciążeniowych

x

Próba wytrzymałości uzwojeń na zwarcie udarowe

x

Badanie wzbudnicy maszyn obcowzbudnych

x

x

5 2.2. Klasyfikacja elektrycznych urządzeń napędowych

Wymagania odnośnie do prawidłowych wartości parametrów eksploatacyjnych silników są silnie uzależnione od wartości napięć i mocy znamionowych. Rozróżnia się tutaj cztery grupy urządzeń: ·

grupa I – urządzenia o mocy większej niż 250 kW oraz urządzenia o napięciu znamionowym powyżej 1 kV bez względu na moc,

·

grupa II – urządzenia o mocy od 50 kW do 250 kW o napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kV,

·

grupa III – urządzenia o mocy od 5,5 kW do 50 kW,

·

grupa IV – urządzenia o mocy poniżej 5,5 kW.

2.3. Zakres badań technicznych silników elektrycznych

W tabeli 1.2. przedstawiono obowiązujący zakres badań technicznych dla silników elektrycznych [11]. Tabela 1.2 Rodzaj pomiaru

Wymagania techniczne

1

2

Uwagi

3 Pomiar nie jest Pomiar rezystancji Wartości rezystancji uzwojeń powinny wymagany dla silników uzwojeń silników być zgodne z danymi producenta. II, III, IV grupy. – Rezystancja izolacji uzwojeń silników I grupy przy temp. 75ºC zmierzona po Pomiar rezystancji 60 sekundach powinna być nie mniejsza należy przeprowadzać: niż 1 MΩ na 1 kV napięcia – megaomomierzem znamionowego. o napięciu 500 V – Stosunek rezystancji izolacji uzwojenia i niższym, silników o napięciu od 1 kV zmierzonej – megaomomierzem po 60 sekundach do rezystancji o napięciu 1000 V Pomiar rezystancji zmierzonej po 15 sekundach nie dla uzwojeń powinien być mniejszy niż 1,3 izolacji uzwojeń o napięciu 500 V (niezależnie od temperatury). i wyższym do – Rezystancja izolacji uzwojeń silników 1000 V, II, III, IV grupy przy temperaturze 20ºC – megaomomierzem i wyższej nie powinna być mniejsza niż o napięciu 2500 V 5 MΩ. dla uzwojeń – Rezystancja izolacji uzwojeń wirnika o napięciu wyższym silnika synchronicznego nie powinna niż 1000 V. być mniejsza niż 0,5 MΩ.

6

cd. tabeli 1.2 1

2 Rezystancja izolacji powinna być zgodna Pomiar rezystancji z danymi producenta, a przy ich braku nie pozostałych mniejsza niż 1 kΩ na 1 V napięcia elementów znamionowego. Wynik 1-minutowej próby napięciowej uzwojeń silników grupy I i II dokonanej napięciem przemiennym wartości równej 75% wartości napięcia podczas próby Próba napięciowa wykonanej u producenta lub w zakładzie uzwojeń remontowym powinien być pozytywny. Wartości rezystancji izolacji zmierzonej bezpośrednio po próbie nie powinny być mniejsze od 80% wartości przed próbą. Rezystancja izolacji łożysk powinna być Pomiar rezystancji nie mniejsza niż 1 MΩ (dla silników, izolacji łożysk które mają izolowane stojaki łożyskowe). Amplituda drgań łożysk nie może Pomiar drgań przekraczać wartości podanych przez łożysk producenta w dokumentacji technicznej. Sprawdzenie Dobór i nastawienie zabezpieczeń, układów działania sygnalizacji i pomiarów zabezpieczeń, powinny być zgodne z dokumentacją pomiarów techniczną i obowiązującymi przepisami. i sygnalizacji Sprawdzenie Sprawność działania powinna być zgodna sprawności z warunkami technicznymi lub działania układu z uzgodnieniami między dostawcą energoa użytkownikiem. elektronicznego Silnik powinien prawidłowo pracować podczas: – rozruchu urządzenia (czas rozruchu powinien być zgodny z czasem podanym przez producenta), – ruchu nieobciążonego silnika w czasie minimum 1 godziny, Rozruch i ruch – ruchu silnika grupy 1 i II w czasie próbny przewidzianym dla pracy urządzenia technologicznego przy obciążeniu znamionowym, – ruch silników III grupy w czasie nie krótszym niż 2 godziny przy obciążeniu większym niż 50% prądu znamionowego.

3

7

cd. tabeli 1.2 1 Sprawdzenie stanu ochrony przeciwporażeniowej

2 Ochrona przeciwporażeniowa powinna spełniać wymagania ustalone w przepisach w sprawie warunków technicznych, jakim powinna odpowiadać ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach elektroenergetycznych.

3 Na placach budowy należy stosować dodatkowe wymagania określone w odrębnych przepisach.

Reasumując, wymagane pomiary eksploatacyjne należy uznać za prawidłowe, jeżeli [11]: 1. Wartości rezystancji uzwojeń silników oraz współpracujących z nimi maszyn elektrycznych są zgodne z danymi producenta lub wynikami poprzednich pomiarów. 2. Dla silników grupy I oraz współpracujących z nimi maszyn elektrycznych: · rezystancja izolacji (R60) uzwojenia przy temperaturze 20ºC i wyższej zmierzona po 60 sekundach powinna być nie mniejsza od 1 MΩ na 1 kV napięcia znamionowego uzwojenia, · stosunek rezystancji izolacji uzwojenia silników o napięciu powyżej 1 kV zmierzonej po 60 sekundach do rezystancji zmierzonej po następnych 15 sekundach powinien być nie mniejszy niż 1,3 (niezależnie od temperatury uzwojenia), · rezystancja izolacji uzwojenia wirnika silnika synchronicznego przy temperaturze 20ºC powinna być nie mniejsza niż 0,5 MΩ. 3. Rezystancja izolacji uzwojeń silników grupy II, III, IV oraz współpracujących z nimi urządzeń elektrycznych zmierzona w temperaturze 20ºC i wyższej jest nie mniejsza niż 1 kΩ na 1 V napięcia znamionowego uzwojenia. 4. Rezystancja izolacji pozostałych elementów maszyn jest zgodna z danymi producenta, a przy ich braku, nie mniejsza niż 1 kΩ na 1 V napięcia znamionowego uzwojenia. 5. Ochrona przeciwporażeniowa spełnia wymagania obowiązujących przepisów.

3. Badania i pomiary Badania techniczne i pomiary eksploatacyjne przeprowadza się dla kilku różnych rodzajów maszyn elektrycznych. Maszyny do badań oraz zakres badań określa prowadzący zajęcia.

8 3.1. Określenie wielkości mierzonych

W zakres przeprowadzanych badań i pomiarów silników elektrycznych wchodzą: · pomiar rezystancji (oporności) uzwojeń, · sprawdzenie stanu izolacji uzwojeń (pomiar rezystancji izolacji), · wyznaczenie początków i końców uzwojeń fazowych, · wyznaczenie sposobu połączeń uzwojeń wirnika, · określenie kierunku wirowania maszyny, · pomiar prędkości obrotowych, · wyznaczenie charakterystyki biegu jałowego. 3.2. Pomiar rezystancji uzwojeń

Pomiary rezystancji uzwojeń przeprowadza się przy zatrzymanej maszynie, stosując metodę techniczną (przy użyciu amperomierza i woltomierza) ze względu na jej prostotę i dokładność. Pomiary rezystancji przeprowadza się w stanie zimnym maszyny i temperaturę uzwojeń przyjmuje się równą temperaturze otoczenia. Prąd pomiarowy nie powinien być większy od 20% prądu znamionowego danego uzwojenia. Woltomierz przyłącza się tylko na czas pomiaru. Należy go odłączyć przed wyłączeniem prądu pomiarowego, żeby nie zastał uszkodzony przez przepięcie, powstające przy wyłączaniu dużych indukcyjności. 3.2.1. Schemat układu pomiarowego

Schemat układu do pomiaru małych rezystancji uzwojeń metodą techniczną przedstawiono na rysunku 1.1.

+ Zasilacz prądu stałego

–

I A

U

U1

V1

W1

U2

V2

W2

V

Rys. 1.1. Schemat układu do pomiaru rezystancji uzwojeń

9 3.2.2. Przebieg ćwiczenia

1. W układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.1. należy dokonać trzykrotnego pomiaru wartości natężenia prądu i napięcia (najlepiej przez trzy różne osoby) oraz wyznaczyć wartość średnią rezystancji uzwojenia. 2. Pomierzone w temperaturze otoczenia (t0) rezystancje uzwojeń należy przeliczyć według zależności (1) na umowną temperaturę odniesienia (zależną od klasy izolacji uzwojeń); w przypadku siników w laboratorium przyjmujemy temperaturę 75ºC.

R

75

=

310 × R 235 + t 0

(1)

3. Serię pomiarów należy wykonać dla każdego uzwojenia badanej maszyny. 4. Wyniki pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli 1.3. Tabela 1.3 Lp.

U

V Dane maszyny:

Uzwojenie: 1. 2. 3. śr. Uzwojenie: 1. 2. 3. śr.

I

R

R75

A

Ω

Ω

Lp.

U

I

R

R75

V

A

Ω

Ω

Uzwojenie: 1. 2. 3. śr. Uzwojenie: 1. 2. 3. śr.

5. W celu wykazania różnic wynikających z zastosowania niewłaściwej metody pomiarowej należy przeprowadzić pomiar jednego z uzwojeń (analogicznie do poprzednich) stosując omomierz cyfrowy. Wyniki zanotować w czwartej ćwiartce tabeli 1.3. 6. W rubryce dane maszyny należy wpisać wszystkie dane oczytane z tabliczki znamionowej oraz określić i wpisać grupę urządzenia (z uwagi na moc). 7. W rubrykach uzwojenie należy wpisać oznaczenie literowe uzwojenia (np. U1, U2).

10 3.3. Sprawdzenie stanu izolacji. Pomiar rezystancji izolacji uzwojeń

Najprostszym sposobem badania stanu izolacji urządzeń elektrycznych jest pomiar rezystancji izolacji megaomomierzem – omomierzem przystosowanym do pomiaru dużych oporności. Megaomomierze budowane są jako induktorowe lub elektroniczne (z przetwornicą). W laboratorium pomiar rezystancji izolacji uzwojeń maszyn przeprowadza się megaomomierzem induktorowym o napięciu 500V. Przed przystąpieniem do pomiarów należy: · odczytać i wpisać do tabeli 1.4. wszystkie dane z tabliczki znamionowej maszyny, · określić (na podstawie wartości mocy i napięcia znamionowego) numer grupy badanego urządzenia. 3.3.1. Przebieg ćwiczenia

1. Megaomomierz należy kolejno przyłączać pomiędzy obudowę maszyny (zacisk uziemienia – PE) a końce uzwojeń (np. U1, V1, W1) oraz kolejno pomiędzy dwa zaciski faz uzwojeń (np. U1–V1, U1–W1, V1–W1) (łącznie mierzy się sześć różnych rezystancji). 2. Należy dokonać odczytu dwóch wartości rezystancji izolacji po 60 sekundach i następnie po kolejnych 15 sekundach (w 75 sekundzie) w celu określenia z zależności (2) współczynnika absorpcji k.

k=

R (60) R (60+15)

.

(2)

3. Wyniki pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli 1.4. Tabela 1.4 Dane maszyny: Grupa: zaciski: PE – U1 PE – V1 PE – W1 U1 – V1 U1 – W1 V1 – W1 R(60) Ω R(60+15)

Ω

k

—

Stan izolacji:

4. W ostatniej rubryce tabeli 1.4. należy wpisać ocenę stanu izolacji.

11 3.4. Wyznaczanie początków i końców uzwojeń fazowych

Sprawdzenie poprawności przyłączenia uzwojeń fazowych, po wstępnym oznaczeniu początków i końców uzwojeń, przeprowadza się podłączając źródło prądu stałego w jedno dowolnie wybrane uzwojenie fazowe i woltomierz prądu stałego kolejno w dwa pozostałe uzwojenia. Schematycznie sposób badania przedstawiono na rysunku 1.2. Jeżeli w chwili zamykania wyłącznika W woltomierz włączony kolejno na zaciski pozostałych uzwojeń fazowych odchyla się w prawo (wskazuje napięcia dodatnie – patrz rysunek 1.2.), to końce uzwojeń są oznaczone prawidłowo. (Przy wyłączaniu wyłącznika W woltomierz wychyla się odwrotnie!).

+

W

Źródło

U1

V1

W1

prądu stałego

V

–

U2

V2

W2

+ –

Rys. 1.2. Schemat układu do wyznaczania początków i końców uzwojeń fazowych

Wyniki badania wpisujemy w tabelę 1.5. Tabela 1.5 Dane maszyny: Grupa: Oznaczenia początków i końców uzwojeń:

W dolnej rubryce należy wpisać uwagę o prawidłowości oznaczenia uzwojeń. 3.5. Określenie układu połączeń wirnika

Badanie układu połączeń uzwojeń fazowych wirnika ma zastosowanie jedynie do maszyn pierścieniowych. Sprawdzenia, czy uzwojenia fazowe wirnika są połączone w gwiazdę czy w trójkąt, dokonuje się łącząc szeregowo uzwojenia fazowe stojana i zasilając je jednofazowym napięciem przemiennym o wartości znamionowej (lub obniżonej). W czasie badania uzwojenia fazowe wirnika muszą być zwarte (zwarte

12

pierścienie). Schematycznie sposób badania przedstawiono na rysunku 1.3. Po zasileniu układu należy obracać wirnik. Możliwe są dwie sytuacje: · jeżeli obracając wirnik nie wyczuwa się uprzywilejowanych położeń równowagi, to uzwojenia fazowe wirnika są połączone w gwiazdę, · jeżeli natomiast wyczuwa się, że na wirnik działa moment elektromagnetyczny i stara się go ustawić w określonych położeniach, to uzwojenia fazowe wirnika są połączone w trójkąt. L1

stojan

wirnik (?)

N Rys. 1.3. Schemat układu do określenia sposobu połączeń uzwojeń fazowych wirnika

Wyniki badania wpisujemy w tabelę 1.6. Tabela 1.6 Dane maszyny: Grupa: Połączenie uzwojeń wirnika:

W dolnej rubryce należy wpisać uwagę o sposobie połączenia uzwojeń wirnika. 3.5. Określanie pożądanego kierunku obrotów wirnika

Maszyny elektryczne trójfazowe (silniki i prądnice) muszą być łączone z siecią elektroenergetyczną w taki sposób, żeby obracały się w odpowiednim kierunku (silniki) lub żeby wytwarzały energię elektryczną ze zgodną z siecią kolejnością faz (prądnice). Kierunek obrotu powinien być: · prawy (zgodny z ruchem wskazówek zegara) dla silnika, · lewy (przeciwny do ruchu wskazówek zegara) dla prądnicy. Kierunek określa się patrząc na maszynę: · od strony czopa końcowego wału lub od strony grubszego czopa wału, · od strony przeciwnej pierścieniom ślizgowym lub komutatorowi.

13

Wyniki badania maszyny wskazanej przez prowadzącego zajęcia wpisujemy w tabelę 1.7. Tabela 1.7 Dane maszyny: Grupa: Kierunek obrotów wirnika:

W dolnej rubryce po rozpoznaniu, czy maszyna jest silnikiem czy prądnicą, należy wpisać uwagę o kierunku obrotów wirnika. 3.6. Wyznaczenie charakterystyki n = f(U1) przy biegu jałowym

Stanem biegu jałowego dowolnej, zasilonej maszyny elektrycznej nazywamy stan charakteryzujący się brakiem obciążenia (wału dla silnika lub uzwojeń dla prądnicy). Moc pobierana przez maszynę w stanie jałowym w całości idzie na pokrycie strat. Wyznaczanie parametrów maszyn elektrycznych na podstawie pomiarów w stanie jałowym (i również zwarcia) przedstawiono w ćwiczeniach: „Badanie transformatora” i „Badanie silnika indukcyjnego”. W przypadku silnika indukcyjnego charakterystyki biegu jałowego to przede wszystkim zależności natężenia prądu I0 i mocy P0 pobieranych z sieci przy zmianach napięcia zasilającego U1. W omawianym ćwiczeniu wyznaczymy specyficzną charakterystykę z grupy charakterystyk biegu jałowego – zależność prędkości obrotowej wału silnika indukcyjnego klatkowego n od wartości napięcia zasilającego U1, w zakresie zmniejszanym od 1,2UN do napięcia, przy którym silnik utknie (zatrzyma się). 3.6.1. Schemat układu pomiarowego

Schemat układu do pomiaru prędkości obrotowej w funkcji napięcia zasilającego przedstawiono na rysunku 1.4. ATr

V

U1 n

L1 L2

M

L3 Rys. 1.4. Schemat układu do wyznaczenia charakterystyki n = f(U1)

14 3.6.2. Przebieg ćwiczenia

1. W rubryce dane maszyny należy wpisać wszystkie dane odczytane z tabliczki znamionowej silnika oraz określić i wpisać grupę urządzenia. 2. Autotransformatorem ATr (rysunek 1.4.) dokonać rozruchu silnika i ustawić pierwszą wartość napięcia równą 1,2UN (UN – napięcie znamionowe silnika odczytane z tabliczki znamionowej). 3. Dokonać pomiaru prędkości obrotowej wału silnika. Do pomiaru obrotów użyć optycznego tachometru cyfrowego i/lub tachometru analogowego (dociskanego do nakiełka w czopie wału). Napięcie zasilające należy zmniejszać co ok. 30 V aż do momentu utknięcia silnika i każdorazowo mierzyć prędkość obrotową odpowiadającą zadanemu napięciu. 4. Wyniki pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli 1.8. Tabela 1.8 Dane maszyny:

bez obciążenia Lp.

U1 V

z obciążeniem n obr/min

Lp.

1. 2. 3.

1. 2. 3.

itd.

itd.

U1 V

n obr/min

5. W celu porównania zmian prędkości obrotowej przy biegu jałowym i pod obciążeniem należy wykonać dodatkową serię pomiarów, a jej wyniki zapisać w prawej części tabeli. Do obciążenia silnika stałą mocą można użyć prądnicy prądu stałego z regulowaną rezystancją odbiornika, hamulca linowego lub stanowiska z wahliwym zamocowaniem korpusu silnika.

4. Opracowanie wyników pomiarów 1. Przeliczyć rezystancje uzwojeń na umowną temperaturę odniesienia oraz wyznaczyć dla rezystancji izolacji współczynniki absorpcji. 2. Sporządzić wykres zależności n = f(U1) (dwie krzywe na jednym wykresie).

15

5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia). 2. Dane znamionowe badanych maszyn (typ, moc, napięcie, prąd, obroty, współczynnik mocy itd.). 3. Schematy układów pomiarowych. 4. Wypełnione tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. 5. Wykresy zależności określonych w punkcie 4. 6. Stwierdzenia dotyczące stanu izolacji i poprawności połączeń uzwojeń. 7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów teoretycznych, poprawności metod pomiaru rezystancji uzwojeń, zakresu możliwej regulacji obrotów silnika klatkowego poprzez zmianę napięcia zasilającego itp.).