Zanik fazy czyli dlaczego palą się silniki.doc

Zanik fazy - czyli dlaczego palą się silniki
Publikacja w ISE.pl: 2001-06-03 15:58:41, Wyświetleń: 8783
Źródło: ,

Nowy rodzaj zabezpieczenia oraz inne kryterium oceny stanu sieci

ZANIK FAZY - CZYLI DLACZEGO PALĄ SIĘ SILNIKI

Co to jest prąd trójfazowy - każdy wie. Zasada działania silnika indukcyjnego też jest powszechnie znana. Wyobraźmy sobie zatem sytuację gdzie w czasie pracy silnika uszkodzeniu uległa jedna z linii. Wiadomo że silnik zacznie charakterystycznie buczeć, grzać się, i tylko patrzeć jak stanie w ogniu, choć napięcie w tej uszkodzonej linii (sztuczna faza) może mieścić się w granicach przewidzianych normami (np. 190V). Jeśli jednak napięcie w linii spadnie np. do 180V lecz nie na skutek awarii a przykładowo z powodu nierównomiernego (niesymetrycznego) obciążenia sieci odbiorami jednofazowymi - silnik pracuje bez żadnych zakłóceń. I teraz pytanie natury zasadniczej:

Co jest takiego w tej "sztucznej" fazie że silniki tak jej nie znoszą?

Czym różnią się od siebie przykładowe 190V "sztucznej" fazy od przykładowych 180V tej "prawdziwej? Który z parametrów sieci uległ tak zasadniczej zmianie że nie nadaje się ona do zasilania silników? Rozważmy jeszcze raz jakimi parametrami sieci dysponujemy. Sieć trójfazowa N/N. to trzy przebiegi sinusoidalne o częstotliwości 50Hz przesunięte względem siebie o 120o i napięciu skutecznym międzyfazowym ok. 380V. (Napięcie względem przewodu neutralnego to ok.220V w każdej linii). Zastanówmy się zatem, jak w czasie awarii sieci zmienia się każdy z tych parametrów, tzn. napięcie, częstotliwość i wspomniane kąty międzyfazowe.

Kontrola napięcia

 Pomiar napięcia jest najłatwiejszy. Czy jednak z tego pomiaru coś wynika? Wartość napięcia zależy od wielu czynników których większości przewidzieć nie można. Napięcie 180V w sieci (dopuszczalne wg norm) nie musi oznaczać zagrożenia dla silnika, a maszyna o mocy ok. 1kW wytwarzać może "sztuczną" fazę o napięciu ponad 195V. Żeby się jakoś ratować w tej przykrej sytuacji, niektórzy mierzą napięcie "sztucznej" fazy i próbują regulować tradycyjne zabezpieczenia (jeśli jest taka możliwość). Jednakże awaria linii może nastąpić nie w naszej rozdzielni - a gdzieś "dalej", a wtedy parametry w tej naszej linii (w tym napięcie) zależeć będą także od tego co w danej chwili mają włączone w sieć inni użytkownicy dotknięci tą samą awarią. I co w tedy? Wynika z powyższego, że nie można jednoznacznie przypisać stanowi awarii sieci konkretnego przedziału napięć. Tym samym skuteczność zabezpieczeń mierzących napięcie (czy sumę wektorową napięć) zależy w głównej mierze od przypadku. Czujniki asymetrii i inne zabezpieczenia "napięcioczułe" są świetnymi urządzeniami do kontroli zasilania np. przetwornic impulsowych, zasilania falowników, pieców oporowych itp. Stosowane jednak do zabezpieczania silników - z przyczyn opisanych powyżej - nie sprawdzają się.

Pomiar częstotliwości

Pomiar częstotliwości i zakłóceń o tyle nie ma sensu, że przy awarii częstotliwość sieci nie zmienia się, a na zakłócenia odkształcające przebieg sinusoidalny napięcia - silniki są dość odporne.

Pozostają zależności fazowe sieci.

Zastanówmy się teraz, jak wygląda zjawisko "sztucznej" fazy gdy będziemy mierzyli nie napięcie faz, a kąty międzyfazowe na zaciskach silnika.

Wyobraźmy sobie silnik indukcyjny pracujący z poślizgiem np. 5%. Jeżeli spowodujemy awarię zasilania przez np. odłączenie jednej z faz, to w uszkodzonej fazie (od strony silnika) pojawi się napięcie przeciwfazy indukowanej przez pracujący silnik - tzw. "sztuczna" faza. Owa "sztuczna" faza, dlatego że jest wytwarzana przez pracujący silnik powstanie z pewnym opóźnieniem, wynikającym z poślizgu z jakim ten silnik pracuje.

Dla wyjaśnienia: Poślizg silnika 5% oznacza, że w czasie jednego okresu (360o) wirnik "nie dokręci" do pełnego obrotu 360o*5%=18o. Jedna faza opóźni się zatem o 18o/3=6o. Jeżeli uszkodzona faza będzie w linii L2 to układ faz będzie wyglądał następująco:

        (L1-L2) => (od 0o do 114o) czyli 114o;
        (L2-L3) => (od 114o do 240o) czyli 126o;
        (L3-L1) => (od 240o do 360o) czyli 120o.

Jak widać, typowy układ faz sieci (przesuniętych względem siebie o 120o) przestał istnieć Odpowiednio: silnik pracujący z poślizgiem np.2,5% wytworzy "sztuczną fazę opóźnioną o 3o a przy poślizgu 10% będzie to 12o.

To samo inaczej

Wyobraźmy sobie że dysponujemy urządzeniem pozwalającym na przesuwanie jednej z faz w dowolny sposób (silnik pierścieniowy z zatrzymanym wirnikiem). Połączymy teraz silnik tak, że L1 i L3 łączymy bezpośrednio z silnikiem, a L2 przez przesuwnik. W ten sposób możemy manipulować położeniem fazy L2 względem faz pozostałych. I jeszcze dla uproszczenia rozumowania - mamy pomocnika którego zadaniem jest tak manewrować obciążeniem silnika, by ten pracował ze stałym poślizgiem, np. 5%. Rozpoczynamy eksperyment gdy L2 opóźniona jest w stosunku do tej L2 nie opóźnionej o "k" =0o. Pomiar mocy wykazuje, że wszystkie fazy (L1; L2 i L3) dostarczają silnikowi taką samą moc, a silnik czuje się świetnie. Opóźniajmy teraz fazę w linii L2 o wartość "k" w przedziale od 0o do 6o. Można zaobserwować (ze wzrostem wartości "k") stopniowe zmniejszanie poboru mocy z fazy L2 i zwiększanie poboru mocy z pozostałych. Gdy "k" osiągnie wartość 6o silnik przestanie pobierać moc z tej opóźnionej linii tak jak przy całkowitym braku zasilania!. Mamy taką samą sytuację jak przy awarii zasilania na L2 i żadne manipulacje polegające na regulacji napięcia nie zmienią sytuacji. Zwiększając "k" ponad te 6o doprowadzamy do sytuacji w której silnik nie dość że nie pobiera, a wręcz oddaje moc do badanej linii.

Można przyjąć, że każde opóźnienie dowolnej fazy oznacza obniżenie sprawności z jaką silnik pracuje, a znaczne opóźnienie - stan zagrożenia silnika - i to niezależnie od przyczyn powstania tego opóźnienia. Pozostaje odpowiedzieć na pytanie, jakie jest to "znaczące" opóźnienie fazy. W zabezpieczeniu silników KF3-S które do wykrywania awarii sieci wykorzystuje pomiar wartości kątów międzyfazowych - wartość graniczna której przekroczenie powoduje alarm - to 3o. Wspomniany KF3-S jest pierwszym w historii urządzeniem pracującym według tej zasady. 

A jak ten KF3-S to robi?

Kontroler faz KF3-S zamienia sinusoidy napięcia faz na sygnał cyfrowy "gubiąc" informację o napięciu, a pozostawiając jedynie zależności fazowe występujące w sieci. Powstają w ten sposób trzy sygnały La; Lb i Lc. Z tych trzech sygnałów, przez ich zsumowanie i wzmocnienie, produkowany jest czwarty sygnał cyfrowy zawierający jedynie informację o częstotliwości sieci (uśrednia wszystkie fazy). Dalej ten czwarty sygnał, po opóźnieniu w układzie czasowym o wartość od której zależy zakres nieczułości urządzenia (3o), uzgadnia z siecią częstotliwość i fazę generatora który pełni rolę wzorca sieci idealnej (pętla PLL). Sygnały La; Lb i Lc (zawierające informację o kątach fazowych sieci) i sygnał wzorca sieci idealnej (pozbawiony tej informacji) spotykają się w układzie komparatora fazy który, gdy tylko któryś z pierwszych trzech sygnałów pojawi się później od wzorca, wygeneruje sygnał alarmu. Oznacza to, że każde zadziałanie KF3-S jest zasadne. Niezasadne wyłączenia nie występują!. 

A co jeszcze umie Kontroler Faz?

Poza tym, KF3-S może także kontrolować częstotliwość sieci. Wersja handlowa wykorzystuje tę właściwość jedynie do wykrywania braku napięcia w dowolnej linii. Zjawisko interpretowane jest jako obniżenie częstotliwości sieci do 50*2/3=ok.33Hz. Granice tolerancji od góry i od dołu można zaprogramować dowolnie. Cecha ta może być istotna i bardzo korzystna przy współpracy Kontrolera np. z agregatami prądotwórczymi. Możliwe jest także wyprowadzenie informacji na zewnątrz urządzenia, która z linii sieci jest uszkodzona. W wersji handlowej nie uczyniono tego, gdyż zwiększyłoby to cenę KF3-S a w większości aplikacji można się bez tych danych spokojnie obejść. I to (prawie) cała tajemnica ukryta w KF3-S. 

A jak tam Kontroler Faz w praktyce?

Cztery lata eksploatacji KF3-S dostarczyły wiele informacji na temat pracy urządzenia. Żaden zabezpieczony silnik nie uległ awarii, choć w okolicy (ta sama sieć) miały miejsce awarie. Dwa urządzenia KF3-S zostały uszkodzone. Oba w ten sam sposób -zwarciem w obwodzie sterowanym przez Kontroler. Naprawa polegała na naprawie ścieżek płytki drukowanej. Reszta układu nie uległa zniszczeniu choć "miała prawo". Jeden z nabywców zasugerował, by KF3-S zawierał dodatkowy wbudowany układ czasowy, dający krótki impuls co 1min. gdyż wtedy możliwe będzie instalowanie KF3-S (w urządzeniach takich jak np. hydrofor) za stycznikiem, a to umożliwi kontrolowanie także styków tegoż stycznika, tak jak w schemacie zabezpieczenia silnika tokarni. 

Na tropie sensacji z KF3-S w roli głównej

Początkowo KF3-S rozprowadzany był na terenie dużych aglomeracji i wśród dużych zakładów przemysłowych. Jednakże gdy KF3-S zaczął docierać "pod strzechy", pojawiły się niespodziewane informacje o dziwnych, wg użytkowników niezasadnych wyłączeniach. Grom z jasnego nieba! Przecież urządzenie oprócz niezawodności miało nie generować żadnych fałszywych alarmów! Czyżby kolejny niewypał w rodzaju "czujnik asymetrii?

We wsi za Serockiem (okolice Warszawy) urządzenie przez ok. 6godz. w ciągu doby odłączało silnik od sieci, a nie stwierdzono w tym czasie pracy niepełnofazowej. Korzystając z uprzejmości użytkowników, zainstalowano równolegle drugi KF3-S. Oba działały identycznie, to znaczy w tym samym czasie reagowały tak samo. Uszkodzenie KF3-S można było wyeliminować. Druga próba polegała na zainstalowaniu równolegle trzech KF3-S z których jeden miał typowy 3o próg nieczułości, drugi z progiem nieczułości 4,5o i trzeci - 6o. Pierwszy z nich sygnalizował awarię przez ok. 6godz. łącznie w ciągu doby, drugi (tylko w czasie gdy awarię sygnalizował pierwszy) ok. 2godz. na dobę, a trzeci (tylko w czasie gdy awarię sygnalizował drugi) - ok. 1godz. Zaczęło wyglądać na to, że to jednak coś z siecią Ale co? Należało zjawisku przyjrzeć się dokładniej. Kolejną więc próbą było dokonanie pomiarów wartości kątów fazowych sieci. Zbudowany specjalnie w tym celu miernik kątów fazowych (bez rejestracji pomiarów, tzn. tylko z wyświetlaczami) sygnalizował zmiany w zakresie od 2o do 7o. Należy podkreślić, że pomiary dokonywane były na normalnie pracującej sieci!.

O pionierskich pomiarach kątów fazowych w sieci

Pomiary dokonane wspomnianym miernikiem nie mają wagi dowodu, gdyż o wystarczającej dokładności przyrządu przekonany jest póki co jedynie jego konstruktor. Po prostu nie wydano pieniędzy na atest miernika. Dla zainteresowanych - (by mogli oszacować jakość pomiarów) miernikiem tym był synchronizowany siecią generator zliczający w jednym okresie 360 impulsów (w przedziale czasu równym okresowi w linii L1). Dzięki temu wyświetlacze pokazywały wartość kąta w stopniach. Zadanie synchronizacji z siecią pełniła pętla PLL wykorzystująca moment przejścia napięcia w linii L1 przez "zero". Zawartość licznika generatora wpisywana była na wyświetlacz "1" w chwili przejścia przez "zero" napięcia w linii L2. Zawartość licznika generatora wpisywana była na wyświetlacz "2" w chwili przejścia przez "zero" napięcia w linii L3. Wartość kąta między L1 a L2 jest więc na wyświetlaczu "1". Wartość kąta między L2 a L3 jest różnicą wartości na wyświetlaczu "2" i "1". Wartość kąta między L3 a L1 jest równa różnicy 360 i wartości na wyświetlaczu "2". W celu wyeliminowania ew. błędów - sygnały sterujące pracą miernika pobierane były ze wszystkich faz gdy napięcie zmieniało wartość z ujemnej na dodatnią, i wszystkie trzy układy (synchronizujący i sterujące wyświetlaczami) miały identyczną budowę, by wyeliminować ew. błędy powodowane np. różnym czasem reakcji na oczekiwane zdarzenie. 

Mam nadzieję, że po zapoznaniu się z budową zastosowanego miernika, Czytelnicy nabrali zaufania do wyników pomiarów. Oczywiście znacznie lepiej byłoby przedstawić wykresy zmian kąta międzyfazowego rejestrowanego nieprzerwanie w ciągu doby czy tygodnia, lecz w czasie dokonywania przedstawionych pomiarów i powstawania niniejszego artykułu nie dysponowano takim przyrządem. Oczywiście natychmiast po stworzeniu takiego rejestratora i dokonaniu pomiarów zostaną one z pewnością przedstawione Czytelnikom, jeśli Ci tylko wyrażą zainteresowanie poruszonym tematem.

A co na to silniki?

 Co to oznacza dla silnika zasilanego taką siecią? Dla silnika którego wirnik wiruje z poślizgiem 5%, przy opóźnieniu fazy o 6o - całkowity brak zasilania z tej fazy- tak jak przy spaleniu się bezpiecznika na tej fazie. Przy większym opóźnieniu (np.7o - silnik na koszt użytkownika poprawia parametry sieci dla innych odbiorców energii. Wieloletnie doświadczenie związane z eksploatacją silników natychmiast powoduje że przypominają się różne, kiedyś zaobserwowane, dziwne zachowania silników. A to nagle zaczynają wyłączać (z pewnością dobrze ustawione) zabezpieczenia termiczne gdy nie towarzyszy temu wzrost obciążenia silnika, czy też silnik zaczyna buczeć tak, jakby nie miał fazy. Test zasilania polegający na odłączeniu i powtórnym załączeniu silnika (przy braku fazy silnik nie ruszy) potwierdzał, że sieć jest sprawna. Więcej nic prócz przestawienia "termika" nie można było zrobić. Pozostawało mieć kiepską opinię o fabryce silników i przygotować zawczasu zapas, który zwykle wkrótce okazywał się potrzebny. I tak w kółko. Do czasu stwierdzenia faktu (wykrytego przez KF3-S) iż kąty fazowe normalnie pracującej sieci mogą mieć inną niż zakładane 120o wartość - powyższe dziwne i zachowania silników były niewytłumaczalne.

I co teraz z tym począć gdy grunt tak niepewny...

Nie ulega wątpliwości, że KF3-S stanął na wysokości zadania, i stworzony do kontroli stanu sieci oprotestował jej złe (groźne dla silnika) parametry nie bacząc, iż o niektórych przyczynach awarii silników, w czasie projektowania KF3-S, także jego Konstruktor nie miał pojęcia. Jest to chyba najlepszy sprawdzian dla urządzenia jaki można było sobie wyobrazić. Jednakże w świetle powyższych odkryć, mamy następny problem. Silniki są różne i pracują z różnymi poślizgami. Dla uważnego czytelnika oczywiste powinno być że im poślizg znamionowy mniejszy tym silnik wrażliwszy jest na błędy kątów fazowych sieci. Ogólnie - mniejszy poślizg jest typowy dla silników dużych, a duży poślizg - dla silników małej mocy. Przy opóźnieniu fazy o np. 3o silnik wirujący z poślizgiem 2,5% będzie w praktyce zasilany z dwóch faz (praca niepełnofazowa - zagrożenie awarią) a równolegle z nim zasilany silnik pracujący z poślizgiem np. 8% będzie sobie jeszcze całkiem nieźle radził. Mimo intensywnych poszukiwań nie udało mi się dotrzeć do norm określających dopuszczalne błędy kąta fazowego - podejrzewam że nie istnieją. Nie można zatem, ustalając jedynie słuszny próg nieczułości KF3-S, posłużyć się po prostu normami. Nie natrafiłem także na literaturę traktującą o zasilaniu silników prądem trójfazowym o innym układzie faz niż co 120o. Podeprzeć się fachową literaturą też i w tym przypadku nie można. Może Czytelnicy coś zasugerują? 

Nieco luźniejsze dywagacje i ukryte pytania

Przyczyna powstawania tak znacznych opóźnień faz nie jest znana. Można się tylko domyślać, że ma to związek z indukcyjnością linii zasilającej która z rezystancją obciążenia tworzy stałą czasową, oraz różnym charakterem odbiorów jednofazowych. W Warszawie właściwie problem nie występuje, gdyż błąd kąta międzyfazowego nie przekracza 1,5o. Co jednak robić w sytuacji takiej jak opisana pod Serockiem? Pretensje pod adresem Zakładu Energetycznego raczej nie mają sensu. Nie można od nikogo wymagać przestrzegania norm które nie istnieją!. Poza tym jaki należy przyjąć błąd fazy którego przekroczenie oznaczać będzie awarię sieci gdy brak tych norm? Przyjęte w KF3-S 3o jako dopuszczalne graniczne opóźnienie podyktowane było domniemaniem, że największe, pracujące z najmniejszym poślizgiem silniki, przy pracy niepełnofazowej będą miały poślizg nie mniejszy niż 2,5%. W obawie przed zakłóceniami impulsowymi szczególnie chętnie pojawiającymi się w okolicach przejścia przez "zero" - tą wartość jako najbardziej oddaloną od "zera" przyjęto za optymalną. Jednakże istnieje mnóstwo silników pracujących z większymi poślizgami niż 2,5%, dla których 3o opóźnienia fazy - choć z pewnością niekorzystne - jednak awarią silnika nie grozi. Na przykład pod Serockiem zmiana progu nieczułości o 1,5% umożliwiła korzystanie z silnika cztery godziny dłużej w ciągu doby. Czy więc należy różnicować parametry KF3-S w zależności od poślizgu zabezpieczanych silników? Jeśli tak, to w jaki sposób wyznaczyć wartość graniczną? A może jednak upierać się przy przyjętych w KF3-S 3o jako wartości z pewnością bezpiecznej dla każdego silnika (kwestia odpowiedzialności moralnej i materialnej producenta zabezpieczeń). Obecnie producent stosuje (niezbyt wygodną dla siebie) zasadę, że po zgłoszeniu przez Użytkownika częstych wyłączeń bez widocznych przyczyn - w ramach gwarancji (po konsultacji z Użytkownikiem) - zmienia w dostarczonym reklamowanym KF3-S próg nieczułości. Wartość obliczona zależy od poślizgu zabezpieczanej maszyny i stopnia zrozumienia zjawiska przez Użytkownika. Przez wspomniane cztery lata KF3-S potwierdził swą wielką skuteczność w stopniu zaskakującym nawet dla konstruktorów. Oprócz prawidłowego zachowania we wszystkich znanych sytuacjach awaryjnych, umożliwił wykrycie przyczyny zagadkowych awarii silników, czym zresztą narobił niezłego zamieszania. Uwalnia nas także od konieczności płacenia Zakładom Energetycznym za grzanie powietrza, gdyż takie są skutki zasilania silników siecią o parametrach powodujących zmniejszenie ich sprawności. Silnik sam się włączy wtedy gdy sieć będzie bezpieczna, i za napompowanie hydrofora klient zapłaci mniej!. Czy bez KF3-S ktoś zadałby sobie trud kontroli zależności fazowych w sieci i zauważył braki w normach? Ciekawe, jak zachowuje się sieć w rejonach kraju do których KF3-S jeszcze nie dotarł (lub nie ma o tym informacji) Ciekawe też jak to wygląda w innych krajach? Z tego co mi wiadomo, silniki palą się wszędzie...

Wobec faktu że wszyscy zmuszeni jesteśmy odnieść się jakoś do opisanych zjawisk życia codziennego, wobec braku fachowej literatury musimy poruszać się po obszarach zjawisk do tej pory prawie nie zbadanych. We wspólnym zatem interesie prosimy wszystkich o wzięcie udziału w dyskusji, i wdzięczni będziemy za wszystkie uwagi związane z poruszonymi tematami. 

powrót do publikacji