PE Test silnikow Archiwum

PE Test silnikow Archiwum

Wojnę prądu stałego Edisona – General Electric i prądu zmiennego Westinghouse wygrał prąd zmienny. Nieznany był wówczas sposób podniesienia napięcia stałego na wysokie napięcie aby móc przesłać moc prądu stałego na istotną odległość.

Współcześnie silniki asynchroniczne konsumują w przemyśle około 70% zużywanej przez niego energii napędzając przeróżne maszyny. Niemniej licząc w sztukach więcej produkuje się tak zwanych silników uniwersalnych czyli szeregowych silników komutatorowych zasilanych zwykle napięciem zmiennym. Ich stojan i wirnik wykonane są z blachy elektrotechnicznej.

Silniki te stosowane są w domowym odkurzaczu, robocie kuchennym, mikserze, młynku, sokowirówce, suszarkach i wszelkich elektronarzędziach. Obroty silników są w zakresie 4000...15000 na minutę ale w nowych odkurzaczach przekraczają 20 000 na minutę. Obroty silnika uniwersalnego można łatwo i tanio regulować fazowo triakiem z diakiem ale także włączając szeregową diodę i dodatkowo przełączając odczepy na uzwojeniu wzbudzenia. Od pewnego czasu w zachodnich pralkach stosuje się regulowany napęd silnikiem uniwersalnym aby regulując szybkość doprowadzić do równego rozłożenia prania w bębnie pralki i zastosować bardzo pożądane szybkie wirowanie dające pranie wymagające niewielkiego suszenia.

Duże silniki komutatorowe prądu stałego stosowane są w lokomotywach i stosowane były w hutnictwie.

Mankamentem silnika uniwersalnego są mało trwałe szczotki i komutator. Ale w urządzeniach domowych trwałość silników uniwersalnych jest wystarczająca. Mimo wysokich obrotów prędkość liniowa komutatora względem szczotek szybkobrotowych silników uniwersalnych jest mniejsza od silników prądu stałego dużej mocy jako że komutatory mają tam średnice przekraczającą 400 mm.

W pierwszych fabrykach moc koła wodnego długim wałem i pasami na kołach wałów napędzała wszystkie maszyny. Później centralnym napędem maszyn fabryki stała się maszyna parowa.

W mechanizmach maszyn używane są wały, łożyska, w przekładniach koła zębate, przekładnie planetarne i ślimakowe, tłoki w cylindrach, mechanizmy zaworów, korbowody, mimośrody, krzywki, popychacze, pasy i łańcuchy z kołami, napędzane śruby z „nakrętkami” a w tym bezluzowe śruby kulkowe do bezluzowym napędów maszyn CNC. Materiały produkcyjne są narzędziami (nóż, wykrojnik, walce, płytki gwintujące..) prasowane, gięte, cięte, gwintowane...

Wpierw maszyny zastąpiły tkaczy. Maszyna do zwijania papierosów opatentowana przez Jamesa Bonsacka w 1881 roku miała wydajność do 200 papierosów na minutę podczas gdy robotnik zwijał dziennie tylko około 1200 papierosów. Mechanizacja produkcji poskutkowała stanieniem papierosów i rozpowszechnieniem zabójczego nałogu w całym świecie. Bonsack podjął prace nad maszyną w odpowiedzi za oferowaną nagrodę 75000 dolarów (ponad pół miliona obecnych dolarów ) za maszynę do zwijania papierosów. Młody Bonsack znał się na maszynach bowiem jego ojciec miał fabrykę przędącą wełnę. Wiedza rozwija się ewolucyjnie. Bonsack pracując latami nad maszyną porzucił szkołę. W szkołach budowy maszyn jeszcze nie uczono.

N.B. W wielu krajach wyroby tytoniowe obłożone są wysokim podatkiem. Maszyny do produkcji papierosów są bardzo wydajne. Tytoń można sprzedać tylko fabrykom papierosów. Firmy produkujące papierosy są nieliczne co ułatwia kontrolę uprawy tytoniu, produkcji papierosów i ściąganie podatku. Pionierski projekt emerytur kanclerza Bismarcka przewidywał ich sfinansowanie z akcyzy od tytoniu.

Na rysunku z patentu pokazano budowę maszyny Bonsacka.

Urządzenia mechaniczne bywają skomplikowane jak na przykład automatyczna skrzynia biegów do samochodu czy silnik lotniczy. W skomplikowanych maszynach używa się podsystemów pneumatycznych i hydraulicznych. Ich mankamentem jest energożerny, głośny i gorący zasilacz dostarczający sprężone powietrze lub sprężony olej hydrauliczny.

W czasie gdy konstruowano maszyny Polska nie uczestniczyła w wyścigu cywilizacyjnym. Silnik elektryczny jest tylko i aż napędem maszyny.

Dane zadanie można rozwiązać na różne sposoby. Przykład:

W połowie lat dwudziestych wynaleziono automatyczny bezpiecznik. CB (Circut Breaker) czyli Wyłącznik ma bimetal reagujący na długotrwałe średnie przeciążenie i elektromagnes natychmiast rozłączający styki włącznika - bezpiecznika przy mocnym przeciążeniu, z reguły zwarciu. W domowym automatycznym bezpieczniku instalacyjnym sprężynkę uzbrajanego mechanizmu naciąga się ręcznie silnie naciskając guzik lub przesuwając dźwignie. Duży CB jest jednocześnie bezpiecznikiem i wyłącznikiem. Ma on z reguły zdalnie operowane małe elektromagnesy ( ma też przyciski do lokalnego operowania) do włączania i wyłączania a oprócz tego jest bezpiecznikiem automatycznym z bimetalami i elektromagnesami. Silna sprężyna uzbrajająca mechanizm CB naciągana jest dźwignią ręcznie lub małym silnikiem z przekładnia ( sposób pierwszy ) co trwa nawet ponad 30 sekund. W niektórych rozwiązaniach japońskich koncernów sprężynę momentalnie naciąga duży silny elektromagnes zasilony wyprostowanym sześciodiodowym mostkiem napięciem trójfazowym. Przez chwilę do napinającego elektromagnesu podana jest moc 5-10KW i elektromagnes musi być momentalnie wyłączony bowiem zaczął by się palić. Obwód prądu stałego jest nierozłączalny przekaźnikiem i odcina się trójfazowe zasilanie mostka prostowniczego elektromagnesu. Dla bezpieczeństwa stosuje się też zwłoczny bezpiecznik i pozystor PTC. W elektromagnesie występuje efekt skali ( ograniczony nasyceniem żelaza już poniżej indukcji 2T ) i bardzo silny impulsowy elektromagnes wcale nie musi być wielki jak w powyższym przykładzie. Oczywiście elektromagnesem napinającym sprężynę CB nie wolno szybko operować i w przypadku CB taka akcja włączania i wyłączania jest wykluczona.

Elektromagnes ma dużą histerezę. Elektromagnes hamulca silnika mocy rzędu 100KW jest przez chwilę do zadziałania zasilony napięciem 120Vdc ( a nawet 220 Vdc ) a po chwili wystarczy podtrzymujące napięcie ca 24Vdc.

Ze zmianą położenia rdzenia w elektromagnesie zmienia się jego indukcyjność co można wykorzystać. Autor opracował dość prosty system który pozwala elektromagnesowi zasilanemu sygnałem modulowanym PWM pracować położeniowo - liniowo niczym serwomechanizmowi.

Potężny koncern General Electric w latach trzydziestych opracował standardowe rodziny silników asynchronicznych i podjął ich masową produkcje. Zadanie konstruktorów maszyn zostało uproszczone jako że dysponowali gotowym, standardowym silnikiem elektrycznym w całym zakresie mocy o obrotów.

Kosztowne prace koncernów doprowadziły do mechanizacji a nawet prostej automatyzacji produkcji maszyn elektrycznych co poskutkowało obniżeniem cen maszyn elektrycznych i ich popularyzacją. Blachę elektrotechniczną na rdzenie maszyn wykrawa się na szybkobieżnych prasach trwałymi wykrojnikami. Zła jakość wykrojników prowadzi do zadziorów i naprężeń co prowadzi do powiększenia strat mocy w rdzeniu. Zmechanizowano nawet produkcje komutatora silników.

Każdy nowo wyprodukowany produkt musi być przetestowany. W dziedzinie mikroelektroniki nowości są drogie i opłaca się je lokować na rynku. W rezultacie opłaca się produkować nowy procesor nową technologią z początkowym uzyskiem zaledwie 10-20% ! Przy tak małym uzysku szczelność testu musi być bardzo wysoka. Dla odmiany w tradycyjnych technologiach uzysk produktów dobrej jakości musi być bardzo wysoki. Test pozwala przepuścić tylko sprawne produkty i przede wszystkich udoskonalać produkcje !

Silniki asynchroniczne są stosunkowo tanie, zestandaryzowane i dość niezawodne. Statystycznie w takim silniku najczęściej uszkodzeniu ulega łożysko lub łożyska, dalej uzwojenie statora a znacznie rzadziej rotor i wał. Przyczyn uszkodzenia silnika może być całkiem sporo. Niekorzystne warunki środowiskowe i przeciążenia skracają żywotność silnika.

Do pomiaru wibracji maszyn służy wibrometr, który może mierzyć przyśpieszenie, prędkość i przesunięcie. Pobudzany do drgań silnik jako konstrukcja mechaniczna posiada wiele stopni swobody drgań. Wielkość drgań - wibracji zależy nie tylko od silnika i napędzanej maszyny ale także od sztywności ich posadowienia. Sygnał z dotykowego sensora ( przykładowo piezoelektrycznego ) o paśmie 10-1000 Hz można obejrzeć oscyloskopem i poddać analizie spektralnej - fourierowskiej z pomocą Szybkiego Przekształcenia Fouriera FFT. Okresowe badania silników lub szerzej maszyn wibrometrem pozwalają optymalnie wybrać czas przeprowadzenia remontu celem niedopuszczenia do zakłócenia procesu technologicznego w którym uczestniczy maszyna, która może się w końcu uszkodzić.

O ile wibrometr jest dość drogi to tani jest prosty binarny sensor wibracji, który daje sygnał binarny gdy mocne wibracje maszyny przekraczają określony poziom. Jest on na stałe zamocowany na silniku lub napędzanej przez niego maszynie. Sygnał wibracji nie jest selektywny i nie wskazuje na uszkodzenie konkretnej części w maszynie. Przyczyn wibracji może być wiele. W każdym razie sygnał wibracji systemem monitoringu i systemem alarmowym operatorowi procesu i może też wyłączyć napędzaną maszynę od razu lub ze zwłoką. Sygnałów wibracji nie wolno lekceważyć. Gdy zaczyna wibrować silnik i pompa obiegu chłodzącego reaktor jądrowy trzeba ją szybko odstawić uruchamiając inne pompy i/lub zmniejszyć moc reaktora. Jeśli dojdzie do poważnego uszkodzenia zespołu pompy to w końcu blok elektrowni będzie długo wyłączony z użytku na okres spadku radioaktywności i remontu.

Prąd rozruchu jednofazowego transformatora spowodowany nasyceniem rdzenia zależy od kąta fazowego napięcia w momencie załączenia transformatora i magnetyzmu szczątkowego w rdzeniu po uprzednim okresie pracy. Średnio najgorsze jest załączenie w zerze napięcia a najłagodniejsze przy kącie fazowym 90 deg. Sprawa w transformatorze trójfazowym jest bardziej skomplikowana ale też ważny jest moment załączenia transformatora w stosunku do magnetyzmu szczątkowego rdzenia z poprzedniego okresu pracy.

Prąd rozruchu silnika asynchronicznego wynosi 6-7 razy prąd nominalny In ale w pierwszym momencie dochodzi jeszcze efekt nasycenia rdzenia jak w transformatorze !

Silnik indukcyjny przy nominalnym napięciu zasilania maksimum sprawności osiąga przy 60-75% obciążenia. Im wyższe jest napięcie zasilania tym optimum sprawności jest przy większym obciążeniu i odwrotnie. Straty jałowe silnika ( silnik oddaje tylko moc mechaniczną do łożysk i oporu powietrza wentylatorowi ) są mniejsze przy obniżonym napięciu zasilania. Niesymetryczne trójfazowe napięcie zasilania daje w rozkładzie na składowe symetryczne składowa przeciwną czyli w maszynie pole elektromagnetyczne wirujące w kierunku przeciwnym co skutkuje spadkiem sprawności maszyny. Sprawność spada także przy zniekształconym napięciu zasilania. Przy biegu jałowym maszyny pobierana moc czynna pokrywa straty w żelazie stojana i wirnika oraz miedzi stojana i aluminium wirnika, tarcie w łożyskach oraz straty na wentylacje i opory powietrza.

Przy pracy jałowej współczynnik mocy jest mały co utrudnia dokładny pomiar mocy czynnej.

Podczas zapisu informacji na twardym dysku dodaje się kod detekcyjno korekcyjny. Przy przesyłaniu informacji dodaje się kod detekcyjny CRC. Hewlett Packard z sekwencji sygnału cyfrowego taktowanego zegarem wylicza swoim urządzeniem Sygnaturę.

Co jest taką sygnaturą w przypadku silnika asynchronicznego ? Każda wada uzwojenia, wirnika, łożyska daje podwyższony jałowy pobór mocy czynnej. Brak wentylatora powoduje obniżenie pobieranej mocy i jego akcje trzeba kontrolować osobno. Jałowo silnik pobiera mniej mocy czynnej i biernej przy obniżonym trójfazowym napięciu zasilania jednak poślizg wzrasta ze spadkiem napięcia zasilania .

Na czym polega trudność testu jałowego poboru mocy czynnej ? Gdy zasilające silnik asynchroniczny napięcie sieciowe jest asymetryczne i zniekształcone pobór mocy czynnej jest znacznie zwiększony. Dodatkowo poborem mocy silnik „różniczkuje” zmiany trójfazowego napięcia sieciowego ! Wyjściem z sytuacji jest:

-wytworzenie dobrego trójfazowego napięcie inwerterem z filtrem LC co obecnie jest jeszcze trudne

-dodanie transformatorami do trójfazowego napięcia sieciowego korekcyjnego sygnału o napięciach do 5Vac z trzech specjalnie zabezpieczonych wzmacniaczy mocy ( najlepiej inverterów PWM z filtrami LC ) tak aby uzyskać idealne napięcie do zasilania testowanego silnika indukcyjnego. Idealne napięcie jest oczywiście synchroniczne ze składową zgodną napięcia sieciowego o częstotliwości podstawowej. Sygnał referencyjny można wytworzyć trójfazową pętlą PLL lub filtrem środkowoprzepustowym. Większa powolna odchyłka napięcia sieciowego musi być skorygowana autotransformatorem ręcznym.

-wytworzenie dobrego trójfazowego napięcia generatorem synchronicznym napędzanym silnikiem synchronicznym zasilanym z sieci. Aby zmniejszyć moc pary silnik-generator testowany silnik asynchroniczny może być wpierw zasilany przy rozruchu z sieci i momentalnie przełączony na synchroniczny w fazie lokalny generator do pomiaru mocy jałowej !

-skorygowanie asymetrycznego napięcia sieciowego elementami L i C

-wytworzenie z nieidealnego napięcia sieciowego współczynnika korekcyjnego wskazującego jak mocno niesymetria i zniekształcenia napięcia powiększają jałowy pobór mocy silnika. W szczególności referencyjny pobór jałowej mocy może być wytworzony przez sprawny silnik asynchroniczny odniesienia !

Czyli marne napięcie zasilania jest największym problemem przy teście silnika ! Zmierzenie mocy czynnej przy symetrycznym (!) napięciu trójfazowym ( oczywiście bez przewodu zerowego ) wymaga w układzie Arona dwóch watomierzy czyli w systemie elektronicznym dwóch układów mnożących. Z uwagi na fluktuacje pomiar trzeba uśrednić w oknie paro-sekundowym.

Poślizg silnika asynchronicznego jest mały przy jałowej pracy i zastosowanie zmniejszonego napięcia zasilania do testu zwiększy jego poślizg. Optymalne napięcie zasilania w czasie testu ma dać najlepszą czułość testu. Cel uświęca środki.

Zasilanie silnika poprzez impedancje zmniejsza problem z niesymetrią i zniekształceniami napięcia sieciowego.

Gdy do silnika równolegle dołączymy trójfazowy kondensator kompensujący jego jałową moc bierną i zasilimy silnik przez trzy identyczne lampy żarowe odpowiedniej mocy tak aby napięcie silnika było zmniejszone o ca 20% w stosunku do nominalnego to czułość testu jest duża. Silnik rozpędza się powoli a lampy silnie się palą aż do rozpędzenia silnika. Stąd dla szybkiego rozruchu, jeśli jest potrzebny, można początkowo pominąć lampy.

Moment krytyczny i moc maksymalna silnika rosną do kwadratu napięcia zasilania silnika.

Przy eksperymentach z silnikiem mocy 1.5KW wystarczy palcem „hamować” wałek silnika aby doskonale widoczny był wzrost jałowego poboru mocy czynnej ! Niesprawne łożysko od razu jest odkryte.

Testowany silnik winien pracować w teście jak najdłużej. Maksymalny czas testu wynika z taktu linii produkcyjnej. Czas wybiegu silnika ( stan oporu łożysk ) można łatwo zmierzyć transoptorem odbiciowym jako że wał silnika ma w obwodzie wcięcie.

Hałas emitowany przez silnik można mierzyć mikrofonem ale tylko we względnie cichym miejscu. Odpowiedni filtr może powiększyć skuteczność wykrywania niewłaściwych dźwięków emitowanych przez silnik. Polecany jest prostownik szczytowy. Jest prosty i wyłapuje wszelkie impulsy dźwięków. Prostownik szczytowy jest przykładowo stosowany jest w miernikach zakłóceń radioelektrycznych

Lepszy jest sensor wibracji niż mikrofon.

Wydaje się że do seryjnego testu analiza widmowa FFT generowanych wibracji i szumów nie jest konieczna ale wraz z tanieniem komputerów może niedługo spowszednieć. Kładzenie dużej uwagi na testy jest błędem. Uwagę należy koncentrować na doskonałej technologi i jakości produkcji.

Asymetria pojemności uzwojeń silnika do żelaza-obudowy nie powinna być duża. Napięcie na obudowie będące miarą asymetrii pojemności można zmierzyć pamiętając jednak o asymetrii napięcia zasilania silnika względem przewodu zerowego.

Test izolacji można przeprowadzić zarówno napięciem zmiennym jak i stałym ze źródła o małej wydajności prądowej. To drugie rozwiązanie jest bezpieczne dla ludzi.

Automatyczny mechanizm podający silnikowi napięcie zasilania winien być samopozycjonujący. Można użyć do przysunięcia złącza prostego i względnie taniego cylindrycznego pneumatycznego aktuatora.

Współczynnik mocy pobieranej przez silniki uniwersalne jest dość duży a zniekształcenia prądu nie są duże co upraszcza testy i pomiary. Dodatkowo można je zasilić z mostka prostowniczego ( ale nie zawsze) co podniesie współczynnik mocy.

Test odkurzacza jest prosty. Pobór prądu z sieci w stanie ustalonym przy pełnym przepływie powietrza przez napędzaną turbinę skorygowany o odchyłkę napięcia sieciowego od nominalnego musi mieścić się w wąskim okienku. Wystarczy otwór wlotowy odkurzacza na przyłączenie rury odkurzacza z grubsza zamknąć a podciśnieniem odkurzacz sam uszczelni zamknięcie. Przy braku przepływu powietrza obciążenie turbiny spadnie, obroty silnika szeregowego wzrosną a pobierany prąd z sieci spadnie. Znów skorygowany pobierany prąd musi się zmieścić w wąskim okienku. Do przysunięcia zamknięcia dla otworu ssącego odkurzacza i dwukrotnego naciśnięcia włącznika sieciowego można użyć prostego cylindrycznego pneumatycznego aktuatora.

Sprawa z mikrofonem i sensorem wibracji wygląda identycznie jak z testem silnika asynchronicznego.

Testy można komplikować ale lepiej uwagę i środki skierować na ulepszenie technologii. Duża cześć lub większość parametrów układów scalonych i innych produktów jest gwarantowana przez projekt.

Oczywiście testuje się wszystkie napędy. Testy nie są bynajmniej idealne.

-Na stanowisku testowym odpala się umocowany ( w rzeczywistości rakieta szybko leci ) silnik rakietowy który ma pracować 5-8 minut

-Na stanowisku testowym pracuje silnik odrzutowy do samolotu. Do zasysanego powietrza wtryskuje się mgłę wodną aby upewnić się że silnik nie zawiedzie w czasie ulewy i z katapulty wstrzeliwuje średniego „ptaka” aby upewnić się że silnik przeżyje taki incydent.

Mierzy się dziesiątki parametrów i nagrywa testy jako że testy są drogie.