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-
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
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 10-25 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- 4025-C10. Posiada on dwukrotnie szersz¹ obudowê (92 x 90 x 18 102) 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-60... 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
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 150 250 RSO RSO RSO RSO RSO VAC 2210 2225 2250 2290 22110 220 420 RSO RSO RSO RSO RSO VAC 4010 4025 4050 4090 40110 400 510 RSO RSO RSO RSO RSO VAC 4810 4825 4850 4890 48110 400 625 RSO RSO RSO VAC 6050 6090 60110 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 4010. Jednak jeœli pr¹d rozruchu nie jest znany i wymagany jest du y margines bezpieczeñstwa, zastosujemy RSO 4050. Dla mniejszych wartoœci pr¹du rozruchu mo na zastosowaæ RSO 4010 lub RSO 4025. 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
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 11 22 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 www.relpol.com.pl. ul. 11 Listopada 37 68-200 ary tel. 068-479 08 00 fax 068-374 38 66 e-mail: relpol@relpol.com.pl Internet: www.relpol.com.pl 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