1.5 Měření vibrací na synchronním generátoru a transformátoru Cíle kapitoly: Úkolem laboratorní úlohy bude umožnit bližší seznámení se s teoretickým a praktickým postupem při stanovení vibrací na elektrických spotřebičích a určit, zda tyto spotřebiče odpovídají předpisům udaných v technické normě při normálním provozu. Do měřícího obvodu si připojíme zvolené elektrické zařízení: Synchronní generátor, resp. transformátor, u kterého změříme provoz při optimálním zatížení a zaznamenáme hodnoty vibrací ve všech třech osách souměrnosti, tj. budeme měření provádět v horizontální, vertikální a axiální ose. Ve druhém kroku nasimulujeme poruchu zařízení. U transformátoru provedeme asymetrické zatížení pomocí odporové zátěže a generátor připojíme k síti a budeme řídit otáčky hnacího asynchronního motoru a opět provedeme měření jako v předchozí části. Naměřené hodnoty analyzujeme a porovnáme s limity pro vibrace. 1.5.1 Úvod a rozbor úlohy Vibraci můžeme definovat, jako děj, během kterého hmotné těleso může kmitat kolem své rovnovážné polohy. Vibraci v daný moment popisujeme amplitudou a fází. V reálné fázi nelze těleso popsat jako jeden hmotný bod, ale dochází k tomu, že se kmitání tělesem postupně od jedné částice k druhé šíří. Tento jev pojmenováváme vlnění. Vlnění rozdělujeme na neperiodické a periodické. Periodické vlnění (harmonické vibrace) má sinusový průběh a lze jej popsat jeho rychlostí, zrychlením a výchylkou. Tyto tři veličiny jsou základem pro popis a měření vibrací. Energii vibrací stanovíme z rychlosti, zrychlení využijeme pro určení vysokofrekvenční složky vibrací a výchylku používáme pro nízkofrekvenční složky [1]. Přínos pro měření vibrací[2]: - Předvídatelnost diagnostika vibrací umožňuje poskytnout včasné upozornění na hrozící poruchu stroje, dává pracovníkům čas naplánovat si opravu a zajištění vhodných náhradních dílů. - Bezpečnost znalost technické stavu stroje umožňuje stroj odstavit dříve než dojde k jeho poruše nebo k poškození součástí pracujících společně se strojem. - Ekonomická hlediska při pravidelné údržbě vzniká na stroji méně neočekávaných poruchových stavů a výpadků z provozu. V dlouhodobém časovém horizontu jsou náklady na diagnostiku nepatrné, v porovnání s náklady související s opravou neplánovaných a náhodných poruch. - Prodloužení intervalu údržby není nutné provádět opravy podle počtu provozních hodin, ale je možné údržbu naplánovat na dobu, kdy to stroj skutečně potřebuje. - Spolehlivost stroj, který je sledovaný, má méně neočekávaných a fatálních poruch. Požadavky pro měření vibrací[1]: - Frekvenční rozsah měřící rozsah musí být širokopásmový, aby se pokrylo frekvenční spektrum stroje.
- Měřené veličiny výchylka vibrací v mikrometrech, rychlost vibrací v milimetrech za sekundu a zrychlení vibrací v metrech za sekundu na druhou. - Měřící místa vibrace se měří na ložiscích, konstrukci uložení ložiska nebo částech konstrukce, které vykazují významnou odezvu na dynamické síly a které charakterizují celkové vibrace stroje. Typické místa jsou na obrázcích Obr. 1-4. - Měřicí přístroje musí splňovat požadavky s ohledem na vlastnosti prostředí a musí být instalovány tak, aby neovlivňovaly samotné měření. Norma ČSN ISO 10816-1 udává dva druhy měřících zařízení: - - Měřicí přístroj, obsahující obvody detektoru efektivní hodnoty, které udávají efektivní hodnoty. Měřicí přístroje, obsahující obvody detektoru efektivní nebo průměrné hodnoty, které obsahují stupnici pro odečet rozkmitu nebo špičkové hodnoty, stupnice je dělena na základě vztahu mezi efektivní, průměrnou a špičkovou hodnotou a rozkmitem pro sinusový průběh. Obr. 5.1: Měřící body na ložiskovém stojanu [1] Obr. 5.2: Měřící body pro tělesa ložisek [1] Obr. 5.3: Měřící body pro malé elektrické stroje [1] Obr. 5.4: Měřící body pro motory s vratným pohybem [1]
- Kritéria hodnocení pro specifické skupiny strojů: - Třída I Jednotlivé části motorů a strojů nedílně spojené s celým strojem za běžných provozních podmínek (elektrické motory nebo stroje do 15 kw). - Třída II Středně rozměrné stroje (15 kw až 75 kw) bez speciálních základů, pevně připojené motory nebo stroje (300 kw) bez speciálních základů. - Třída III Velké primární pohonné jednotky nebo jiné velké stroje na těžkých základech (nad 75 kw). - Třída IV turbogenerátory a plynové turbíny s výstupním výkonem vyšším než 10 MW. Tab.5.1: Typické hranice pásem pro hodnocení stavu stroje dle ČSN ISO 10816-1[1] Efektivní hodnota rychlosti vibrací (mm/s) Třída I Třída II Třída III Třída IV 0,28 0,45 0,71 1,12 1,8 2,8 4,5 7,1 11,2 18 28 45
1.5.2 Úkol měření Pomocí asynchronního motoru rozběhneme synchronní generátor na jmenovitou frekvenci sítě a zvyšováním stejnosměrného proudu buzení kotvy generátoru nastavíme napětí na svorkách na hodnotu napětí sítě. Poté pomocí přístroje na měření vibrací MV-5L a akceleračního senzoru změříme parametry vibrací ve vertikálním, horizontálním a axiálním směru na synchronním generátoru. Následně přifázujeme soustrojí do sítě a regulací frekvence asynchronního motoru vyvoláme poruchu na synchronním generátoru a znovu změříme hodnoty vibrací ve všech třech osách. Druhým krokem měření bude připojit k síti třífázový transformátor s převodem 400/230V a na sekundární stranu odporníky se stejnými hodnotami podle schématu. Změříme hodnoty vibrací ve třech osách. V rámci nerovnoměrného zatížení připojíme jeden odporník s jinou hodnotou odporu a opět vibrometrem změříme hodnoty ve třech osách. 1.5.3 Schéma zapojení synchronního generátoru a transformátoru Obr. 5.5: Schéma zapojení synchronního generátoru a transformátoru k elektrické síti 1.5.4 Použité měřicí přístroje a komponenty - Vibrometr MV-5L Přístroj umožnuje měření vibrací a společně s dodávaným softwarem, dokáže komunikovat s počítačem a umožnuje import naměřených dat. - Akcelerační senzor Umožnuje diagnostikovat vibrace v širokém spektru vibrací. - Synchronní generátor Umožnuje změřit žádané charakteristiky a simulovat požadované stavy. - Transformátor 400/230V Laboratorní přípravek sloužící pro názornou ukázku provozování transformátorů. - Odporníky 20 Ω a 10 Ω
- Ampérmetr - Analogový voltmetr - Notebook Lenovo pro práci s naměřenými daty ve vizualizačním programu k vibrometru MV-5L 1.5.5 Postup měření 1) Připojíme vibrometr k počítači a spustíme program MV Data manager, klikneme na ikonu připoj a nadefinujeme přístroj pomocí příkazu nový stroj. 2) Pomocí editace nadefinujeme parametry (s vyučujícím nebo podle manuálu k přístroji) pro konkrétní měření na zvoleném stroji a definujeme měřící místa pro vertikální, horizontální a axiální osu. Nastavení nahrajeme do přístroje a pomoci příkazu nahrát pochůzku. Přístroj nastavíme do módu pochůzka. 3) Připojíme soustrojí asynchronního motoru a synchronního generátoru k síti a sepneme hlavní spínač rozváděče s měničem, vyčkáme na jeho rozběh a inicializaci. 4) Pomocí regulace otáček rozběhneme asynchronní motor na jmenovitou hodnotu sítě 50 Hz, následně vybudíme pomoci stejnosměrného zdroje proudu synchronní generátor až na napětí sítě. Maximální hodnota budícího proudu je max. 10 A. 5) Upevníme akcelerační senzor na synchronní generátor (transformátor) na první definované místo a tlačítkem MODE změříme aktuální hodnotu. Senzor umístíme na druhé definované místo a opět tlačítkem MODE odečteme hodnotu, stejně pokračujeme i u třetí polohy senzoru. 6) Po změření všech zvolených míst, stáhneme data z přístroje do počítače ve formátu xlsx, které zálohujeme na flash disk. 7) Následně přifázujeme soustrojí do sítě a snížením frekvence asynchronního motoru vyvoláme poruchu na synchronním generátoru (min. 49,5 Hz) a opakujeme body 5) a 6). 8) Odpojíme soustrojí od sítě. 9) V druhé části měření zapojíme transformátor dle schématu zapojení se stejnými odporníky spojenými do hvězdy. 10) Nyní musíme nadefinovat nové zařízení v přístroji pro měření vibrací, proto provedeme kroky 1) a 2) axiální osu uvažujeme rovnoběžnou s prostředním jádrem transformátoru.
11) Obvod připojíme do sítě a provedeme krok 5) a 6). 12) V posledním kroku nahradíme jeden odporník menší hodnotou odporu, tím dojde k vytvoření nesymetrické zátěže. 13) Opakujeme kroky 5) a 6). 1.5.6 Zpracování výsledků Vypracujte protokol o měření, který bude obsahovat: - Vlastní teoretický rozbor probírané problematiky. - Skutečný postup měření. - Reálné schéma zapojení. - Naměřené hodnoty zanesené do připravené tabulky Tab. 5.2. - Soupis použitých přístrojů. - Závěr bude obsahovat hodnocení, zkoumaných přístrojů, zda vyhovují předpisům dle normy o vibracích uvedené v tabulce Tab. 5.1. Tab.5.1: Naměřené hodnoty importované z přístroje pro měření vibrací Synchronní generátor Synchronní generátor s poruchou Transformátor Transformátor s poruchou Vertikální Horizontální Axiální Zdroje: [1] ČSN ISO 10816-1. Vibrace - Hodnocení vibrací strojů na základě měření na nerotujících částech: Část 1: Všeobecné smšrnice. Praha: Český normalizační institut, 1998. [2] PŘIBYL, S. Důvody a přínosy sledování vibrací. FLUKE CORPORATION. TZB-info [online]. 2012 [cit. 2014-01-03]. Dostupné z: http://elektro.tzb-info.cz/elektromotorypohony-a-stroje/8966-duvody-a-prinosy-sledovani-vibraci
1.5.7 Kontrolní otázky 1) Jaké tři veličiny jsou základem pro popis a měření harmonických vibrací? 2) Která veličina definuje energii vibrací? Uveďte včetně jednotky. 3) Jakou veličinou je definovaná vysokofrekvenční složka vibrací? 4) Jakou složku při měření vibrací určuje měřená veličina výchylka? 5) Uveďte tři důvody, proč je dobré pravidelně provádět na zařízení vibrodiagnostiku? 6) Jaké části motoru jsou nejnáchylnější na poruchu a vznik vibrací? 7) Kolik existuje specifických tříd pro měření vibrací? 8) Jak lze vytvořit třífázovou nesouměrnou zátěž? 9) Jaké parametry je nutné kontrolovat při připojení generátoru do sítě? 10) Uveďte postup při fázování synchronního generátoru do sítě.