Trójfazowe silniki prądu przemiennego funkcjonujące we współczesnym przemyśle narażone są na liczne zakłócenia spowodowane pracą niepełno fazową czy wystąpieniem asymetrii napięć między fazami. Zjawiska te mogą powodować nadmierne nagrzewanie się silnika, a w konsekwencji stanowić przyczynę jego awarii. Istotnym problemem jest również nieautoryzowana zamiana kolejności faz silnika, co prowadzi do zmiany kierunku jego wirowania i mechanicznego uszkodzenia. Aby uniknąć tego typu usterek, stosuje się czujniki zaniku fazy oraz czujniki kolejności faz.
W artykule przeczytasz o...
czynnikach prowadzących do uszkodzenia czujnika prądu przemiennego podłączonego do sieci trójfazowej oraz o zasadzie działania i specyfice pracy czujników zaniku napięcia i kolejności faz. Poznasz również specyfikę pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej napięcia dla przebiegów odkształconych. Zaprezentujemy również skuteczne rozwiązania marki F&F!
Jakie czynniki mogą wpłynąć na uszkodzenie silnika?
Według danych statystycznych przyczyną aż 44% wszystkich awarii asynchronicznych silników indukcyjnych jest wzrost temperatury powyżej wartości znamionowej, który generowany jest przez prądy wirowe w stojanie i wirniku, przepływ prądów w uzwojeniach czy mechaniczne tarcie łożysk. Trwały wzrost temperatury silnika już o 10°C powyżej dopuszczalnej wartości granicznej może skrócić jego żywotność nawet dwukrotnie.
Zjawisko asymetrii napięć zasilających
Kluczowym zagrożeniem dla silników prądu przemiennego podłączonych do sieci trójfazowej jest niesymetryczne obciążenie prądowe. Zjawisko to prowadzi do pojawienia się przepływu prądów składowej przeciwnej i indukowane jest w wyniku asymetrii napięć zasilających oraz w przypadkach zaniku napięcia.
W przypadkach zaniku napięcia na co najmniej jednej fazie silnika zasilanego z sieci trójfazowej w układzie napięć pojawia się różnica między wartościami skutecznymi napięć międzyfazowych oraz przesunięć kątowych tych napięć. Determinuje to pojawienie się asymetrii między wektorami napięć, które w anormalnych warunkach pracy nie tworzą trójkąta równobocznego.
Układ napięć zasilających w stanie asymetrii prowadzi do licznych niekorzystnych zmian w znamionowej pracy silników asynchronicznych. Przykładem może być hamowanie ruchu wirnika przez prądy składowej przeciwnej czy nadmierny wzrost strat cieplnych w uzwojeniu silnika powstający w wyniku asymetrii prądów.
Zjawisko zaniku faz
Zdecydowanie największym zagrożeniem dla silników asynchronicznych jest praca na co najmniej jednej fazie mniej, co określane jest mianem zjawiska zaniku faz. Praca niepełnofazowa powstaje w przypadkach zaniku napięcia spowodowanych całkowitym przerwaniem zasilania jednej z trzech faz sieci zasilającej.
Najczęściej problem całkowitego zaniku fazy determinowany jest przez niesprawność styków stycznika głównego albo styków stycznika fazowego, co powodowane jest zwykle przez nadmierne zwiększenie rezystancji styków stycznika lub jego wypalenie. Powodem zaniku fazy na co najmniej jednej z faz może być przepalenie któregoś z bezpieczników stanowiących zabezpieczenia faz.
Do zaniku fazy może dojść również w wyniku przerwy w zasilaniu przewodów lub uzwojeń transformatora bądź silnika. Jeżeli do zaniku fazy dojdzie po stronie średniego napięcia transformatora (zwłaszcza w układzie połączeń Yd), wówczas może dojść do wzrostu prądów silnika o 115%, 115% i 230% wartości znamionowej na poszczególnych fazach.
Z kolei, jeśli do zaniku fazy dojdzie na co najmniej jednej fazie silnika, wówczas prądy pozostałych dwóch działających faz wzrosną nawet o ponad 70% wartości znamionowej. Pojawienie się asymetrii zasilania podczas pracy silnika spowoduje dwukrotne zwiększenie poboru prądów zasilających (o ile silnik nie ulegnie zatrzymaniu), a to doprowadzi do spalenia jego izolacji lub zadziałania zabezpieczeń.
Czujnik zaniku fazy oraz czujnik kontroli kolejności faz montowane są zwykle na zaczepie montażowym szyny TH-35, niemniej czujnik zaniku fazy może być także montowany bezpośrednio do podłoża.
Czujniki zaniku fazy występują w wersjach do montażu w układach trójfazowych z lub bez przewodu neutralnego. Obecność przewodu neutralnego, który obsługuje dany czujnik, jest wyjątkowo przydatna podczas pracy z agregatem prądotwórczym.
Czujniki zaniku faz i czujniki kolejności faz. Co powinieneś o nich wiedzieć?
Aby uniknąć nieprawidłowości w parametrach zasilania silników trójfazowych oraz natychmiastowo wyłączyć maszyny w przypadku zaniku faz stosuje się instrumenty pomiarowo-kontrolne określane jako czujniki zaniku faz – CZF. Z kolei, aby ograniczyć ryzyko nieprawidłowej kolejności podłączenia faz, stosuje się czujniki zaniku i kolejności fazy CKF.
Czujniki zaniku fazy CZF kontrolują wyłącznie poziom napięcia fazowego, porównując je do znamionowych nastaw. Czujnik zaniku fazy nie weryfikuje kolejności podłączenia oraz asymetrii faz. Z tego względu czujnik zaniku fazy CZF stosowany jest głównie w maszynach i urządzeniach elektrycznych, w których zmiana kierunku wirowania nie zagraża uszkodzeniu lub usterce układu.
Z kolei czujnik zaniku i kolejności faz to bardziej wszechstronny instrument pomiarowy, który działa jako czujnik zaniku fazy kontrolujący poziom napięć fazowych oraz nadzoruje kolejność podłączenia faz. Dzięki temu czujnik tego typu kompleksowo zabezpiecza silniki elektryczne przed zjawiskiem asymetrii i przed uruchomieniem w nieprawidłowym kierunku.
Zasada działania czujników zaniku fazy
Czujniki zaniku fazy CZF oraz czujniki zaniku i kolejności fazy CKF wykonują w sposób ciągły pomiary napięć fazowych. Jeśli któryś czujnik zaniku fazy wykryje nieprawidłowe parametry zasilania i wystąpienie asymetrii napięciowej większej niż dopuszczalna, wówczas zajmie się kontrolą styków stycznika sterującego silnikiem, wyłączając zasilanie maszyny i chroniąc ją przed zniszczeniem.
Wśród podstawowych produktów należących do serii stanowiącej czujniki zaniku faz (modele CKF-B i CZF-B) nie ma możliwości ustawienia nastawy wartości napięcia asymetrii oraz czasu zadziałania czujnika, bowiem parametry produktu ustawia producent „na sztywno” - zazwyczaj na wartość 55 V.
Seria bardziej rozbudowanych produktów (modele CZF-BT i CKF-BT) umożliwiają precyzyjną regulację napięcia asymetrii napięciowej oraz czasu zadziałania, po którym nastąpi wyłączenie zasilania.
Na rynku dostępny jest także rodzaj czujników, które nie tylko funkcjonują jako czujniki zaniku fazy, ale również reagują w przypadku uszkodzenia styczników sterujących pracą silnika. Czujnik tego typu to np. model CZF2-B, który zapewnia możliwość pomiaru parametrów sieci i kontroluje stan styków stycznika.
Pomiar wartości skutecznej True RMS
Do dokładnej kontroli parametrów zasilania urządzeń elektrycznych stosowane są urządzenia dokonujące pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej napięcia dla przebiegów odkształconych. Tego typu urządzeniem jest czujnik True RMS. Czujnik ten mierzy chwilową wartość napięcia każdego okresu napięcia zasilania. Dzięki temu czujnik True RMS jest w stanie dokładnie zweryfikować wartość skuteczną napięcia niezależnie od odkształcenia przebiegu sygnału i od zewnętrznych zakłóceń wpływających na kształt sinusoidy.
Czujniki True RMS umożliwiają wykonywanie pomiarów rzeczywistych wartości skutecznych napięcia w każdej sieci zasilającej oraz mogą współpracować z generatorami prądotwórczymi, które podczas znamionowej pracy generują wiele zakłóceń mogących zaburzać pracę przekaźników bez pomiaru wartości True RMS.