w sterowaniu prac¹ silników pr¹du przemiennego. Mo na powiedzieæ, e podstawowymi

Transkrypt

1 Uk³ady ³agodnego rozruchu dla asynchronicznych silników klatkowych ac. Softstarty cz. I PAWE PIECHOTA Silniki elektryczne pr¹du przemiennego stanowi¹ obecnie najwiêksz¹ grupê odbiorników energii elektrycznej na œwiecie. W Polsce w ubieg³ym dziesiêcioleciu skonsumowa³y one ponad 50% ca³ej wyprodukowanej energii elektrycznej. Powodem tego jest szerokie zastosowanie napêdów silnikowych w przemys³owych procesach technologicznych i uk³adach automatyki. Najwiêkszym problemem zwi¹zanym ze sterowaniem trójfazowych silników pr¹du przemiennego (g³ównie asynchronicznych silników klatkowych) by³a regulacja prêdkoœci obrotowej oraz zmiana jego momentu. Rozwi¹zania bazuj¹ce na uk³adach mechanicznych nie zawsze dawa³y po ¹dane efekty i zwi¹zane by³y czêsto z pewnymi ograniczeniami, a przede wszystkim nie by³y rozwi¹zaniami tanimi, uniwersalnymi, nadaj¹cymi siê do szerokiego stosowania. Stan ten zosta³ zmieniony z chwil¹ pojawienia siê technologii pó³przewodnikowej i bazuj¹cych na niej urz¹dzeniach; przemienników czêstotliwoœci i softstartów. Warte zaznaczenia jest to, e w zakresie technologii pó³przewodnikowej w ostatnim dziesiêcioleciu obserwuje siê czterokrotny wzrost nak³adów, które inwestorzy ponosz¹ na modernizacje, wp³ywaj¹c na podniesienie jakoœci i niezawodnoœci sterowania obci¹ eniami elektrycznymi (silniki, elementy grzejne, oœwietlenie). Oczywiœcie najszybciej nowe rozwi¹zania doceni³y kraje wysoko rozwiniête, takie jak Japonia, Stany Zjednoczone oraz Europa Zachodnia, napêdzaj¹c rozwój tej technologii, a tym samym wp³ywaj¹c na obni anie kosztów wytwarzania elementów energoelektronicznych. Obecnie jednak coraz wiêkszy udzia³ w obrotach w tym segmencie rynku zaczyna przypadaæ na kraje Dalekiego Wschodu (Tajlandia, Malezja) oraz na Europê Œrodkow¹. 42 Technologia pó³przewodnikowa Elementy pó³przewodnikowe mocy znajduj¹ obecnie bardzo szerokie zastosowanie w sterowaniu prac¹ silników pr¹du przemiennego. Mo na powiedzieæ, e podstawowymi elementami mocy stosowanymi w urz¹dzeniach realizuj¹cych ³agodne za³¹czanie i hamowanie silników AC s¹ tyrystory i/lub tyrystorowe modu³y elektroizolowane, tranzystory mocy oraz tranzystory z izolowan¹ bramk¹ IGBT (stosowane g³ównie w falownikach). Du e mo liwoœci, nowe funkcje i prosta wspó³praca z systemami komputerowymi tych steruj¹cych urz¹dzeñ mocy przyczyniaj¹ siê do du ej popularnoœci takich rozwi¹zañ sterowania silnikami, a coraz wiêksza konkurencja w tym segmencie rynku powoduje obni anie ceny na te jednak z³o one produkty. Uk³ady do ³agodnego rozruchu i zatrzymywania silników indukcyjnych to najlepsza ochrona przed przedwczesnym zu- ywaniem siê uk³adów napêdowych. Wspó³czesne urz¹dzenia napêdowe powinny spe³niaæ, w zale noœci od procesu technologicznego i mocy silnika napêdowego, wiele istotnych wymagañ, spoœród których jako najwa niejsze mo - na wymieniæ: l przetwarzanie energii elektrycznej w mechaniczn¹ z mo liwie du ¹ sprawnoœci¹; l regulacjê bezstopniow¹ w szerokim zakresie takich wielkoœci, jak prêdkoœæ k¹towa, moment obrotowy, przyspieszenie k¹towe, przesuniêcie k¹towe i liniowe, wspó³czynnik mocy silnika napêdowego; l minimalizacjê uchybu i czasu trwania procesów przejœciowych przy zmianach wielkoœci steruj¹cych i zak³ócaj¹cych; l maksymalne wykorzystanie mocy silnika przy równoczesnym ograniczeniu takich wielkoœci, jak napiêcie, pr¹d, temperatura itp.; l prost¹ obs³ugê i niezawodnoœæ pracy. Szybki rozwój energoelektroniki sprawi³, e silniki pr¹du przemiennego, szczególnie klatkowe, stanowi¹ coraz czêœciej element wykonawczy napêdów przemys³owych. Rozruch bezpoœredni lub rozruch typu gwiazda/trójk¹t s¹ nadal najczêœciej stosowanymi rodzajami za³¹czania silników. Pomimo udoskonaleñ technicznych silników i styczników steruj¹cych ich prac¹, udary wystêpuj¹ce podczas gwa³townego za³¹czania i wy³¹czania nie mog¹ byæ wyeliminowane. Uszkodzenia ³o ysk, skrzyñ biegów, przedwczesne zu ycie, czêste awarie pasów przenosz¹cych napêdy czy te spadaj¹ce produkty przy za³¹czaniu urz¹dzeñ je transportuj¹cych s¹ jednymi z wielu niekorzystnych nastêpstw tego popularnego rodzaju za³¹czania. Silniki oraz ca³e instalacje dziêki uk³adom do ³agodnego rozruchu i zatrzymywania mog¹ bezawaryjnie funkcjonowaæ znacznie d³u ej. Za³¹czanie asynchronicznych silników klatkowych jest najbardziej krytycznym ze stanów ich pracy (nie licz¹c zablokowania wirnika). Niewielka rezystancja wirnika powoduje znaczny udar pr¹dowy podczas rozruchu silnika. W efekcie jego moment rozruchowy jest niewielki, a mo liwe nawet oœmiokrotne przekroczenie znamionowego pr¹du silnika w czasie rozruchu czêsto powoduje spadek napiêcia w sieci. Co prawda, przeci¹ enie pr¹dowe nie jest zale ne od obci¹ enia silnika, jednak wp³ywa ono na czas jego trwania. Wszystkie powy sze niekorzystne zjawiska wystêpuj¹ce przy rozruchu silników AC próbuje siê zminimalizowaæ poprzez zastosowanie prze³¹czników gwiazda/trójk¹t oraz przez stosowanie uk³adów typu SOFTSTART. Prze³¹cznik gwiazda/trójk¹t ogranicza wartoœæ pr¹du rozruchu, jednak nie eliminuje ca³kowicie udarów mechanicznych, jakie maj¹ miejsce bezpoœrednio po za³¹czeniu obci¹ enia oraz po prze³¹czeniu z gwiazdy w trójk¹t. Przy wykorzystaniu uk³adów typu SOFTSTART znacznie redukuje siê pr¹d rozruchu oraz udary mechaniczne silnika, jego wa³u (wirnika), skrzyñ biegów oraz pasów przenosz¹cych napêd. ywotnoœæ urz¹dzeñ mechanicznych jest dziêki temu znacznie przed³u ona. Typowe aplikacje: l pompy, kompresory; l pasy, taœmoci¹gi; l podnoœniki, windy; l dmuchawy, wentylatory; l mieszalniki; l drzwi gara owe; l elementy grzejne; l sterowanie oœwietleniem itd. Mo liwoœci pó³przewodnikowych urz¹dzeñ dedykowanych do sterowania silnikami AC pozwalaj¹ na za³¹czanie i zatrzymywanie taœmoci¹gu (przenoœnika) w sposób ³agodny i miêkki. Umo liwia to unikniêcie uszkodzeñ produktów, co zdarza siê przy za³¹czaniu bezpoœrednim lub przy roz-

2 Uk³ady do ³agodnego rozruchu i zatrzymywania silników indukcyjnych Oferta RELPOL SA zawiera szerok¹ gamê uk³adów do ³agodnego rozruchu i zatrzymania 1- i 3-fazowych silników indukcyjnych, pocz¹wszy od softstartów z regulacj¹ fazow¹ napiêcia w jednej fazie do urz¹dzeñ realizuj¹cych sterowanie warto ci¹ skuteczn¹ napiêcia w trzech fazach. Wszystkie urz¹dzenia pó³przewodnikowe (tak e softstarty) s¹ produkowane przez szwajcarsk¹ firmê CARLO GAVAZZI, która posiada ogromne do wiadczenie w technologii pó³przewodnikowej. Uk³ady sterowania silnikami s¹ przeznaczone do ³agodnego za³¹czania 3-fazowych silników indukcyjnych i maj¹ za zadanie redukujê niekorzystnych zjawisk wystêpuj¹cych podczas rozruchów silników, które wp³ywaj¹ na ywotno æ tych urz¹dzeñ i jako æ ich pracy. Najprostszym, a tym samym najtañszym urz¹dzeniem, przeznaczonym do ³agodnego rozruchu silników, jest softstart o symbolu RSE-4012-BS. Jest to urz¹dzenie w obudowie kompaktowej o wymiarach 92 x 45 x 102, przeznaczone do sterowania silnikami AC. Pozwala ono na dokonywanie ³agodnych za³¹czeñ silników pobieraj¹cych pr¹dy do 12 A (tak e dla silników 1-fazowych). Zarówno czas rozruchu, jak i warto æ pocz¹tkowego momentu rozruchowego mog¹ byæ niezale nie ustawione na potencjometrach znajduj¹cych siê na p³ycie czo³owej urz¹dzenia. (Redukcja momentu obrotowego przy ustawieniu rampy w jednej fazie ma miejsce tak e dla aplikacji 3-fazowych). agodny rozruch silnika polega na p³ynnej regulacji jego napiêcia (jedna faza). Po zakoñczeniu rozruchu z³¹cze pó³przewodnikowe jest mostkowane (by-pass) przez przeka nik elektromagnetyczny. Warto æ pocz¹tkowego momentu obrotowego mo e byæ ustawiona za pomoc¹ potencjometru w granicach: 0 85% momentu znamionowego. Czas trwania rozruchu równie nastawiamy za pomoc¹ drugiego potencjometru w przedziale: 0,5 5 s. Zielona dioda LED wskazuje na obecno æ napiêcia zasilania. Dwie ó³te diody LED wskazuj¹ odpowiednio: tryb pracy i rampê rozruchu (w czasie jej trwania). Urz¹dzenie steruje jedynie jedn¹ faz¹ (L1). Fazy: L2/N i L3 s¹ bezpo rednio po³¹czone z obci¹ eniem. Sterownik nie izoluje silnika od sieci. Zatem stycznik potrzebny jest tutaj jako w³¹cznik ochronny silnika. Aby uchroniæ pó³przewodnik przed przegrzaniem, nale y zapewniæ pewn¹ przerwê miêdzy kolejnymi rozruchami. W uproszczeniu mo na kierowaæ siê zasad¹ 1/10, która okre la czas rozruchu, jako 1/10 czasu przerwy pomiêdzy kolejnymi rozruchami. Ci¹g dalszy artyku³u w numerze NiS 4/2004 reklama ruchu typu gwiazda/trójk¹t. W dodatku ryzyko zu ycia lub uszkodzenia czê ci mechanicznych, ³o ysk, silników i pasów przenosz¹cych napêd jest znacznie zredukowane. agodne za³¹czanie minimalizuje tak e szkody powodowane gwa³townymi zmianami ci nienia w systemie hydraulicznym pomp, które zdarzaj¹ siê przy bezpo rednim ich za³¹czaniu, gwa³townych zatrzymaniach czy za³¹czaniu typu gwiazda/trójk¹t. W tego rodzaju obci¹ eniach równie maksymalny pr¹d rozruchowy mo e byæ zmniejszony, a stany przej ciowe które maj¹ miejsce podczas prze³¹czania typu gwiazda/trójk¹t s¹ wyeliminowane. 43 Napêdy i Sterowanie Nr 03/2004 str. 43

3 Uk³ady ³agodnego rozruchu dla asynchronicznych silników klatkowych ac. Softstarty cz. II PAWE PIECHOTA Sposoby zabezpieczeñ Zabezpieczenie przed przeci¹ eniem nie jest zintegrowane w tym urz¹dzeniu i musi byæ ono zainstalowane oddzielnie. Indukcyjny silnik jednofazowy, z odpowiednio dobranym zabezpieczeniem przeci¹ eniowym, nie powoduje zwarcia miêdzy liniami ani bezpoœrednio do ziemi, tak jak niektóre inne rodzaje obci¹ eñ, np.: spirale grzewcze. W uszkodzonych silnikach zawsze czêœæ uzwojenia ogranicza pr¹d zwarciowy. Je eli silnik zainstalowany jest w warunkach, w których jego zasilanie nie mo e byæ zak³ócone, jako dopuszczalne zabezpieczenie przeciwzwarciowe stosuje siê jednopolowy termiczno- -magnetyczny przekaÿnik przeci¹ eniowo-zwarciowy. Je eli istnieje ryzyko zwarcia na kablu, sterowniku lub obci¹ eniu, nale- y zastosowaæ ultraszybki bezpiecznik, np.: Ferraz 660 grb z gniazdem ST-10. W przypadku sterowania silnikami 3-fazowymi, w czasie gdy silnik jest zatrzymany, stycznik musi zapewniaæ roz³¹czenie wszystkich trzech faz od silnika. Jest to konieczne istnieje bowiem niebezpieczeñstwo pracy silnika przy dwóch fazach. Kolejnym urz¹dzeniem w tej samej obudowie (92 x 45 x 102) jest uk³ad softstartu o symbolu: RSE40 12-B, przeznaczony do wspó³pracy z silnikami o mocach od 0,55 kw do 7,5 kw (przy nap. 600 VAC). W odró nieniu od poprzedniego uk³adu, sterowanie wartoœci¹ skuteczn¹ napiêcia na obci¹ eniu odbywa siê w dwóch fazach (L1 i L2). Faza L3 jest bezpoœrednio po³¹czona z obci¹ eniem. Zarówno czas rozruchu i zatrzymania, jak i wartoœæ pocz¹tkowego momentu rozruchowego mog¹ byæ niezale nie ustawione na potencjometrach znajduj¹cych siê na p³ycie czo³owej urz¹dzenia. Po zakoñczeniu rozruchu z³¹cza pó³przewodnikowe (2) s¹ mostkowane (by-pass) przez przekaÿniki elektromagnetyczne. DANE: 1. Rampa rozruchu: czas 0,5 5 s. Czas narostu napiêcia obci¹ enia od zera do wartoœci znamionowej. 2. Rampa zatrzymania: czas 0,5 5 s. Czas redukcji napiêcia obci¹- enia od wartoœci znamionowej do zera. 3. Moment pocz¹tkowy rozruchu: (0 85%) napiêcia znamionowego, od którego rozpoczyna siê rampa rozruchu. Sterowanie w dwóch fazach realizuje równie uk³ad: RSE C10. Posiada on dwukrotnie szersz¹ obudowê (92 x 90 x ) i pozwala na dokonywanie rozruchu silników o mocach do 11 kw (przy 400 VAC) i 15 kw (przy zasilaniu 600 VAC). Zarówno czas rozruchu i zatrzymania, jak i wartoœæ pocz¹tkowego momentu rozruchowego mog¹ byæ niezale nie ustawione na potencjometrach znajduj¹cych siê na p³ycie czo³owej urz¹dzenia. Wartoœæ pocz¹tkowego momentu obrotowego mo e byæ ustawiona w granicach: 5 50% momentu znamionowego. Czas trwania rozruchu mo emy nastawiæ w przedziale: 0,5 10 sek. Czas zatrzymania w przedziale 0,5 20 sek. Dodatkowo uk³ad ten posiada zabezpieczenia kolejnoœci faz i przegrzania; czerwona dioda mruga, jeœli kolejnoœæ faz jest inna ni L1, L2, L3. W przypadku, jeœli urz¹dzenie zostanie przegrzane, dioda ta (czerwona) zapala siê na sta³e. Po zakoñczeniu rozruchu z³¹cza pó³przewodnikowe (2) s¹ mostkowane (by-pass) przez przekaÿniki elektromagnetyczne. Alarmy: W wersji z koñcówk¹, w kodzie wykonañ; -C10, urz¹dzenie wyposa one jest w dwa przekaÿniki elektromagnetyczne, sygnalizuj¹ce: koniec rampy (rozruchu) NO/normalnie otwarty oraz z³¹ kolejnoœæ faz lub przegrzanie NC/normalnie zamkniêty. Przekroczenie temperatury: urz¹dzenie RSE nie rozpocznie (powtórnie) pracy, jeœli temperatura jego wewnêtrznego radiatora przekroczy wartoœæ ok. 100 C. RSC-HD0M60 Drug¹ rodzin¹ uk³adów s³u ¹cych do ³agodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych s¹ softstarty o konstrukcji modu³owej typu: RSC-HD0M60 + RSO-22..., RSO-4..., RSO umo liwiaj¹ce sterowanie fazowe napiêcia we wszystkich trzech fazach. Uniwersalny mikroprocesorowy modu³ steruj¹cy RSC- -HD0M60 wspó³pracuje z modu³ami wyjœciowymi RSO-22.., RSO-4..., RSO-60..., których dobór uwarunkowany jest moc¹ sterowanego obci¹ enia. agodny rozruch silnika i jego zatrzymanie polega na p³ynnej regulacji fazowej jego napiêcia w trzech fazach. Czas rozruchu i zatrzymania nastawiany jest na oddzielnych potencjometrach w granicach 0,5 30 s. Moment pocz¹tkowy rozruchu ustawiany jest na trzecim potencjometrze w granicach 10 75% momentu znamionowego. Urz¹dzenie wyposa one jest w wyjœcie dodatkowe, na którym po zakoñczeniu rozruchu wystawiany jest sygna³ dla wysterowania stycznika mostkuj¹cego z³¹cza pó³przewodnikowe. Podobnie po rozpoczêciu hamowania stycznik ten jest roz³¹czany z uwzglêdnieniem odpowiednich zale noœci czasowych. Rozwi¹zanie to ogranicza znacznie wytwarzanie energii cieplnej w samym urz¹dzeniu, co pozwala na ograniczenie rozmiarów stosowanego radiatora lub nawet na ca³kowit¹ jego eliminacjê. Po zakoñczeniu rozruchu modu³ steruj¹cy uaktywnia cewkê stycznika mostkuj¹cego. Stycznik bocznikuj¹cy nie pracuje tu jako urz¹dzenie za³¹czaj¹ce moc, a jedynie jako ³¹cznik. St¹d dobieramy go do wartoœci znamionowej pr¹du obci¹ enia, nie uwzglêdniaj¹c pr¹du rozruchu. Ogranicza to znacznie koszty i rozmiar takiej aplikacji. Przy stosowaniu urz¹dzenia RSC/RSO, steruj¹cego prac¹ silnika, powinien on byæ zabezpieczony w standardowy sposób; zabezpieczenie termiczne (przekaÿnik termiczny, np. TT2X). Jeœli zabezpieczenie zwarciowe jest wymagane, konieczne jest dobranie ultraszybkich bezpieczników F1, F2, F3 (na ka d¹ fazê), przy uwzglêdnieniu mocy modu³u wyjœciowego i sterowanego obci¹ enia. Napêdy i Sterowanie Nr 04/2004 str. 18

4 RSC-AAM60 Inn¹ wersj¹ modu³u steruj¹cego jest uk³ad RSC-AAM60. Podstawow¹ ró nic¹ pomiêdzy tym uk³adem/modu³em steruj¹cym a modu³em RSC-HD0M60 jest wejœcie steruj¹ce 0 20 ma lub 4 20 ma. To liniowe wejœcie analogowe dedykowane jest przede wszystkim do wspó³pracy ze sterownikami programowalnymi PLC. Rozwi¹zanie to umo liwia dowolne kszta³towanie charakterystyki sterowania wartoœci¹ skuteczn¹ napiêcia na obci¹ eniu. Znajduje zastosowanie w sterowaniu prac¹ pomp, wentylatorów, elementów grzejnych i w regulacji natê enia oœwietlenia. RSO Modu³y wyjœciowe mocy, wspó³pracuj¹ce z modu³ami steruj¹cymi, standardowo zabezpieczone s¹ przed przepiêciami za pomoc¹ warystorów. Poni ej przestawiono zestawienie wyjœciowych modu³ów mocy RSO przeznaczonych do wspó³pracy z mikroprocesorowymi modu³ami steruj¹cymi typu RSC- -HD0M60 i RSC-AAM60. reklama NAPIÊCIE OBCI ENIA PR D ZNAMIONOWY/FAZÊ KAT. AC1 16 A 25 A 50 A 90 A 110 A RSO RSO RSO RSO RSO VAC RSO RSO RSO RSO RSO VAC RSO RSO RSO RSO RSO VAC RSO RSO RSO VAC MOC SILNIKA 2,2 kw 4 kw 11 kw 15 kw 22 kw Modu³y wyjœciowe RSO..110 s¹ przeznaczone do sterowania silnikami o mocy do 22 kw (400 V). RSO..110 doskonale sprawdzaj¹ siê w aplikacjach, w których wystêpuj¹ du e pr¹dy udarowe. W rozwi¹zaniach sterowania, gdzie odbiornik (silnik) pobiera pr¹dy zbli one do wartoœci znamionowych dla modu³u wyjœciowego, nale y zwróciæ szczególn¹ uwagê na zapewnienie odpowiedniego ch³odzenia urz¹dzenia (radiator). Przyk³ad: Silnik: 3 kw 3 x 400 VAC Ta = 50 C (temperatura otoczenia) Czas rozruchu: 5 s Jako modu³y wyjœciowe mo emy zastosowaæ: RSO 4050, RSO 4025, RSO Jednak jeœli pr¹d rozruchu nie jest znany i wymagany jest du y margines bezpieczeñstwa, zastosujemy RSO Dla mniejszych wartoœci pr¹du rozruchu mo na zastosowaæ RSO 4010 lub RSO Dla RSO 4010 maksymalny pr¹d rozruchu (przez 5 s) wynosi 17 A, dla RSO..25 pr¹d ten mo e osi¹gaæ wartoœæ 39 A (przez 5 s). W rozpatrywanej aplikacji pr¹d rozruchu wynosi 17 A, zalecamy wiêc zastosowaæ modu³ wyjœciowy RSO..25 (ze wzglêdu na praktycznie nieograniczony czas rozruchu, jaki mo na uzyskaæ przy zastosowaniu sterownika typu RSC-AAM60). Maksymalna wartoœæ rezystancji termicznej dla radiatora wynosi 1 K/W, a moc rozpraszana 25 W. Daje to: Modu³ wyjœciowy: RSO 4025 Radiator: 1 K/W. ç 19 Napêdy i Sterowanie Nr 04/2004 str. 19

5 Akcesoria Softstarty serii RSC-HD0M60 i RSC- -AAM60 s¹ urz¹dzeniami o budowie modu³owej i w zale noœci od aplikacji, mocy silnika sterowanego, temperatury otoczenia, czêstoœci rozruchów oraz czy zastosowano stycznik bocznikuj¹cy z³¹cza pó³przewodnikowe mo na wyposa aæ je w kilka rodzajów radiatora, dodaæ wentylator, zaczep na szynê, a tak e doposa- yæ w zabezpieczenie termiczne montowane pomiêdzy urz¹dzeniem a radiatorem, reaguj¹ce zale nie od wersji na progi temperaturowe: 70, 80 i 90 C. W bie ¹cym roku oferta softstartów produkowanych przez Carlo-Gavazzi poszerzy³a siê o nowe urz¹dzenia umo - liwiaj¹ce sterowanie silnikami do 45 kw. Softstarty typu RSHR 3-fazowe z wbudowanym by-passem dedykowane do silników o mocach kw oraz typu RSMR 3-fazowe z wbudowanym wentylatorem, na moce od 37 do 45 kw. Pe³niejszy opis tych urz¹dzeñ pojawi siê w kolejnym artykule. Ofertê urz¹dzeñ s³u ¹cych do sterowania prac¹ silników indukcyjnych, firmy RELPOL SA, poszerzaj¹ uk³ady nawrotne dla silników o mocy do 3 kw oraz hamulce dynamiczne umo liwiaj¹ce sterowaniem pr¹du hamuj¹cego do 60 ADC. Wszelkie informacje techniczne dotycz¹ce powy szej oferty oraz gamy akcesoriów przeznaczonych do softstartów oferowanych przez RELPOL SA mo na znaleÿæ w pe³nej wersji katalogu PRZEKA NIKI PÓ PRZEWODNIKOWE, SOFTSTARTY [PDF] na stronie internetowej ul. 11 Listopada ary tel fax relpol@relpol.com.pl Internet: Diagnostyka pêkniêæ w wa³ach napêdowych JAN KICIÑSKI Znanym z literatury jest fakt, e imperfekcje materia³owe lub konstrukcyjne typu pêkniêcie wa³u w niektórych przypadkach s¹ w stanie wygenerowaæ sprzê one drgania poprzeczno-wzd³u no-skrêtne uk³adu napêdowego. Okreœlone zosta³y przypadki, dla których pêkniêcie jest w stanie wywo³aæ znacz¹ce sprzê one formy drgañ mog¹ce byæ podstaw¹ dla bardziej wiarygodnej i efektywnej diagnostyki, jak te i przypadki, dla których mechanizm sprzê eñ zanika pomimo istnienia pêkniêæ o du ych g³êbokoœciach. Okreœlony zosta³ stopieñ czu³oœci nieliniowych i wzajemnie sprzê onych drgañ uk³adu na propagacjê pêkniêcia oraz przeprowadzona zosta³a ocena ich u ytecznoœci jako wyró nika diagnostycznego stanu dynamicznego przyjêtego uk³adu. Zagadnienia wczesnego wykrywania imperfekcji materia³owych i konstrukcyjnych w wa³ach napêdowych stanowi¹ przedmiot licznych publikacji od wielu ju lat [1 17, 20, 24, 25]. Pomimo tak licznych badañ prowadzonych w tym zakresie na ca³ym œwiecie, ci¹gle wiele zagadnieñ pozostaje nierozwi¹zanych do koñca. Dotyczy to zw³aszcza takich zagadnieñ, jak sprzê one formy drgañ nieliniowych spowodowanych, np.: pêkniêciem wa³u czy te kwestia okreœlenia w³aœciwego wyró - nika diagnostycznego takiego stanu. Œledz¹c wyniki badañ dotycz¹cych oceny stanu dynamicznego pêkniêtych wa- ³ów i wczesnego wykrywania tego rodzaju defektów [1 10] mo na wyci¹gn¹æ kilka wniosków natury bardziej ogólnej: l kierunki wspó³czesnych badañ skupiaj¹ siê g³ównie na analizie sk³adowych 1X i 2X w widmach drgañ; l sk³adowa superharmoniczna widma 2X stanowi w systemach monitorowania najczêœciej stosowany wyró nik diagnostyczny wa³u z pêkniêciem [2, 21]; l sk³adowa 1X widma dla drgañ poprzecznych jest ma³o czu³a na propagacjê pêkniêcia, natomiast sk³adowe 1X i 2X dla drgañ wzd³u nych i skrêtnych oraz 2X dla drgañ poprzecznych s¹ bardzo wra - liwe na g³êbokoœæ pêkniêcia. Oczywiœcie powy sze wnioski s¹ zasadniczo s³uszne zw³aszcza w odniesieniu do konkretnych przypadków analizowanych przez autorów tych publikacji. Mo na jednak e wskazaæ sytuacje, kiedy powy sze wnioski obowi¹zuj¹ w ograniczonym zakresie, a ich zbytnie uogólnianie prowadziæ mo e do istotnych b³êdów w analizie stanu obiektu. Dotyczy to zw³aszcza du ych i wielopodporowych maszyn wirnikowych posadowionych na ³o yskach œlizgowych. Jednym z celów niniejszej pracy jest wskazanie takich przypadków. Narzêdzia badawcze Linia wa³ów wraz z dyskami zosta³a zamodelowana za pomoc¹ metody FEM z u yciem typowych elementów belkowych o 6 stopniach swobody w ka dym wêÿle [16, 17, 22]. Celem uwzglêdnienia poprzecznego pêkniêcia w wale zastosowany zosta³ znany z literatury model elementu z poprzecznym pêkniêciem Knotta i innych [16, 17] typu: pe³ne otwarcie-pe³ne zamkniêcie. Dynamiczna macierz podatnoœci konstrukcji podpieraj¹cej i fundamentu okreœlona zosta³a za pomoc¹ znanych programów komercyjnych, takich jak ABAQUS i ADINA bazuj¹cych równie na metodzie FEM. Kluczow¹ kwesti¹ jest teraz opracowanie ogólnego algorytmu obliczeñ zarówno kinetostatycznych jak i dynamicznych ³¹cz¹cych w sobie wszystkie wspomniane wy ej poduk³ady ca³ego systemu, a tak e opracowanie algorytmu obliczeñ dynamicznych przy mo liwych nieliniowych wymuszeniach zewnêtrznych uk³adu, i du ych przemieszczeniach czopów w ³o- yskach. Ideê tego rodzaju wzajemnych powi¹zañ przedstawia rys. 1. Zaproponowany algorytm obliczeñ (rys. 1), a zw³aszcza sposób wkomponowania w t¹ procedurê modelu elementu z pêkniêciem (rys. 2) z uwzglêdnieniem kinetostatycznych i dynamicznych ugiêæ wa³u wirnika w liniowym i nieliniowym zakresie przemieszczeñ stwarza jakoœciowo nowe mo - liwoœci oceny stanu maszyny wirnikowej z imperfekcjami wa³u, i tym samym stanowi, w opinii autora, istotny element oryginalnoœci niniejszej pracy. 20 Napêdy i Sterowanie Nr 04/2004 str. 20