Випробування електродвигуна під навантаженням: що перевіряють і навіщо

На холостому ході через обмотки проходить лише струм намагнічування і компенсація тертя та вентиляційних втрат — цей струм у рази, а іноді на порядок менший за номінальний робочий струм. Вал при цьому не передає корисного моменту. Значна частина електричних, теплових і механічних процесів, які визначають реальну придатність двигуна до роботи, на холостому ході просто не виникає в повну силу.

Тому двигун може ідеально обертатися без навантаження і при цьому мати приховану несправність, яка проявиться тільки в роботі:

• слабка комутація в колекторних машинах — при малому струмі якоря іскріння практично відсутнє, а при номінальному струмі стає помітним;
• недостатній момент — двигун обертається вільно, але не здатний утримати номінальне навантаження без надмірного ковзання чи просідання швидкості;
• надмірний нагрів — втрати в міді зростають пропорційно квадрату струму, тому реальний тепловий режим виникає лише при робочому струмі;
• механічна нестабільність — деталі, які тримаються на холостому ході, можуть зміститися чи почати вібрувати під дією реального моменту та магнітних сил повного струму;
• навантаження на підшипники змінюється за напрямком і величиною — радіальні й осьові сили під реальним моментом інші, ніж при вільному обертанні.

Випробування під навантаженням — єдиний спосіб підтвердити не те, що двигун обертається, а те, що він виконує роботу, на яку розрахований, у заявленому режимі.

Обсяг контрольованих параметрів залежить від типу машини й програми випробувань, але базовий набір практично завжди включає струм, нагрів, швидкість, вібрацію і шум, а для колекторних машин — ще й комутацію.

Струм навантаження

Струм вимірюють по кожній фазі (для двигунів змінного струму) або в колі якоря та збудження (для машин постійного струму) на фактичному чи номінальному навантаженні й порівнюють із паспортним значенням для цієї точки навантаження — з урахуванням фактичної напруги живлення. Одночасно перевіряють симетрію струмів по фазах уже під навантаженням: асиметрія, непомітна на холостому ході, під навантаженням може суттєво зрости.

Нагрів

Контролюють температуру обмоток, підшипників, корпусу та охолоджувального середовища протягом усього часу роботи під навантаженням, а не лише в кінці випробування. Головне — не абсолютне значення в одну мить, а характер зростання температури з часом і момент виходу на стабільний рівень. Докладніше про це — у наступному розділі.

Швидкість під навантаженням

Швидкість під навантаженням порівнюють з холостим ходом і з паспортною характеристикою. Для асинхронного двигуна оцінюють ковзання при номінальному навантаженні — воно має відповідати паспортному значенню з урахуванням фактичної напруги й частоти. Для двигуна постійного струму просідання швидкості під навантаженням залежить від типу збудження — цьому присвячено окремий розділ нижче.

Вібрація і шум під навантаженням

Вібрацію та шум вимірюють як на холостому ході, так і під навантаженням, і порівнюють ці два результати. Під навантаженням з’являються електромагнітні сили, пропорційні квадрату струму, і реактивний момент на корпусі та кріпленні — тому дефекти, механічно чи електромагнітно «мовчазні» без навантаження, можуть проявитися саме тепер.

Якість комутації (для колекторних машин)

Для двигунів постійного струму та інших колекторних машин під навантаженням окремо контролюють іскріння щіток. На холостому ході струм якоря малий, і комутація практично завжди виглядає прийнятною — тому саме навантажувальне випробування є основним способом виявити граничні чи приховані дефекти комутаційної системи. Докладніше — в окремому розділі нижче.

Електрична машина нагрівається не миттєво: тепло, яке виділяється у втратах, накопичується в масі обмотки, сердечника та корпусу і одночасно відводиться охолодженням. Швидкість цього процесу визначається тепловою сталою часу машини — величиною, яка залежить від маси, теплоємності та ефективності охолодження. У невеликих двигунів теплова стала часу може становити десятки хвилин, у великих — кілька годин.

Саме тому тривалість навантажувального випробування не є фіксованим числом «стільки-то хвилин для будь-якого двигуна». Невеликий двигун може вийти на стабільний тепловий режим за 30–60 хвилин роботи під навантаженням. Потужна машина із закритим корпусом, важким сердечником чи рідинним охолодженням може потребувати кількох годин безперервної роботи, а для окремих великих машин — цілої зміни.

На практиці стабілізацію визначають не за годинником, а за поведінкою температури: покази знімають через рівні проміжки часу — зазвичай кожні 20–30 хвилин — і температуру вважають умовно стабільною, коли приріст між кількома послідовними відліками стає незначним, а не тоді, коли пройшов якийсь наперед визначений час.

Ключовий критерій оцінки — не одне кінцеве число, а весь ряд вимірювань: температура повинна вийти на стабільний рівень нижче допустимого для класу ізоляції машини. Якщо температура продовжує зростати без ознак вирівнювання в межах розумного часу випробування, це самостійна ознака несправності, розглянута окремо нижче.

Для двигунів постійного струму поведінка швидкості під навантаженням безпосередньо залежить від типу збудження, тому паспортну характеристику «швидкість — навантаження» потрібно порівнювати саме з урахуванням схеми збудження конкретної машини.

На випробуванні знімають фактичну залежність швидкості від навантаження і порівнюють її з очікуваною для цього типу збудження. Просідання швидкості, суттєво більше за очікуване, може вказувати на підвищений опір кола якоря — погані контактні з’єднання, неправильний контакт щіток, надмірну реакцію якоря без достатньої компенсації додатковими полюсами, а для шунтових машин — ще й на проблему в колі збудження, яка змінює магнітний потік саме під навантаженням.

Комутація під навантаженням

На холостому ході струм якоря невеликий, тому комутація майже завжди виглядає прийнятною навіть за наявності прихованого дефекту. Зі зростанням навантаження зростає і струм, який потрібно перемкнути в кожній секції обмотки якоря за один оберт, — а разом з ним зростають вимоги до якості комутації. Межовий дефект, який на холостому ході взагалі не проявляється, — незначне зміщення щіткової траверси, ослаблені додаткові полюси, часткове міжвиткове замикання секції якоря, — за певного рівня навантаження перетинає поріг, після якого іскріння стає видимим і посилюється разом зі струмом.

Тому контроль іскріння виконують не одноразово, а на кількох рівнях навантаження — включно з номінальним, — і за потреби при короткочасному перевантаженні за окремою програмою, якщо це передбачено технічними вимогами до машини.

Вибір способу навантаження залежить від потужності двигуна, наявного обладнання та того, де саме проводиться випробування — у ремонтному цеху чи на об’єкті замовника.

Гальмівний стенд, динамометр, вихрострумове (індукційне) гальмо

Механічне, гідравлічне чи вихрострумове гальмо, з’єднане з валом двигуна через датчик моменту, дозволяє точно й плавно задавати навантаження від нуля до номінального й вище. Це найбільш керований спосіб — момент, а отже й навантаження, можна виставити з високою точністю та утримувати стабільним потрібний час. Обмеження — потужність і теплова ємність самого гальма: для дуже великих машин відповідний стенд не завжди є в наявності.

Навантаження реальним механізмом на об’єкті

Двигун підключають безпосередньо до насоса, вентилятора, компресора чи іншого приводного механізму, для якого він призначений. Це дає найбільш реалістичну картину — фактичну інерцію, реальне з’єднання муфтою, справжні умови вентиляції та монтажу. Недолік — навантаження часто неможливо точно регулювати чи довести саме до номінального чи перевантажувального рівня: воно визначається характеристикою самого механізму, а не програмою випробування.

Взаємне навантаження (back-to-back) двома машинами

Для великих машин, коли гальмівний стенд відповідної потужності недоступний або його використання економічно невиправдане, застосовують взаємне навантаження: дві однакові чи схожі машини механічно з’єднують вал у вал, одна працює як двигун, інша — як генератор. Електрична енергія частково циркулює між ними, а мережа живлення компенсує в основному лише сумарні втрати обох машин, а не повну потужність однієї з них. Це дозволяє провести повноцінне випробування великої машини номінальним моментом, струмом і нагрівом при істотно меншому споживанні енергії від мережі, ніж при навантаженні окремим гальмом такої ж потужності. Метод вимагає наявності другої сумісної машини та відповідної електричної схеми, тому його типово застосовують саме для потужних машин, для яких виділений навантажувальний стенд не є практичним рішенням.

Правильна оцінка результатів — це порівняння виміряних значень із паспортними даними та проєктним розрахунком, а не констатація факту «двигун обертається і не зупиняється».

• струм у кожній точці навантаження порівнюють із паспортним значенням для цього навантаження, з поправкою на фактичну напругу живлення;
• температуру порівнюють із допустимою межею для класу ізоляції машини та, за наявності, з вхідними вимірюваннями до ремонту;
• швидкість чи ковзання під навантаженням порівнюють із паспортною характеристикою для цього типу машини та схеми збудження;
• вібрацію під навантаженням порівнюють як із результатом на холостому ході, так і з допустимими рівнями за застосовним класом машини;
• для двигунів постійного струму фактичну криву «швидкість — навантаження» порівнюють з очікуваною для конкретного типу збудження;
• оцінюють не лише кінцеве значення, а тренд усього ряду вимірювань за час випробування — стабілізація чи продовження зростання значно інформативніші за окрему цифру.

Двигун, який обертається, розвиває якийсь момент і не зупиняється, усе ще може бути дефектним — з ослабленою комутацією, граничним запасом ізоляції чи заниженим перерізом обмотки після перемотування. Довести відповідність можна лише порівнянням цифр із паспортом і розрахунком, а не суб’єктивною оцінкою «працює нормально».

Нижче — п’ять ознак, заради виявлення яких і проводять навантажувальне випробування: жодна з них практично не проявляється на холостому ході.

Жодне окреме випробування не підтверджує повну справність електричної машини самостійно — кожне закриває свою частину картини. Опір ізоляції та випробування підвищеною напругою статично підтверджують, що ізоляція здатна безпечно витримати робочу й випробувальну напругу. Холостий хід підтверджує базову механічну справність, правильний напрям обертання і відсутність грубих електричних чи механічних дефектів. Але тільки випробування під навантаженням підтверджує, що двигун здатний виконувати роботу, на яку розрахований, у реальному електромагнітному й тепловому режимі.

• опір ізоляції та випробування підвищеною напругою — підтверджують електричну міцність ізоляції в статиці, до подачі робочого навантаження;
• холостий хід — підтверджує базове обертання, напрям, відсутність очевидних дефектів при мінімальному струмі;
• випробування під навантаженням — підтверджує номінальні робочі параметри, тепловий режим і механічну стабільність при реальному моменті й струмі.

Саме тому навантажувальне випробування логічно завершує програму приймальних випробувань — це найреалістичніша перевірка перед передачею двигуна замовнику, яка об’єднує в одному режимі роботи все, що статичні й холостий тести перевіряли окремо. Пропустити його після капітального ремонту, перемотування чи заміни ротора, підшипників або щіткового вузла означає залишити невирішеною саме ту частину невизначеності, яку інші випробування закрити не можуть.

• Які випробування проходить електродвигун після ремонту
• Що таке випробування підвищеною напругою?
• Вібраційна діагностика електродвигуна
• Чому іскрять щітки електродвигуна?
• Двигун постійного струму: будова, принцип роботи і види

ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує повний комплекс навантажувальних випробувань як завершальний етап приймальних випробувань після ремонту, перемотування та капітального ремонту електричних машин змінного й постійного струму.

Спосіб навантаження підбирається під конкретну машину — гальмівним стендом, підключенням до реального механізму замовника чи взаємним навантаженням для великих машин. До складу робіт входять:

• узгодження способу та рівня навантаження для конкретної машини;
• вимірювання струму, напруги, швидкості та потужності на кожному ступені навантаження;
• контроль нагріву обмоток, підшипників і корпусу до теплової стабілізації;
• вимірювання вібрації та шуму під навантаженням у порівнянні з холостим ходом;
• контроль комутації та іскріння щіток для колекторних машин;
• оформлення протоколу з порівнянням виміряних параметрів до паспортних даних.

• Ремонт електричних машин постійного струму
• Усі послуги

Холостий хід підтверджує, що двигун обертається правильно і без грубих дефектів. Але тільки випробування під навантаженням підтверджує, що двигун здатний надійно виконувати роботу, на яку він розрахований, — з номінальним струмом, прийнятним нагрівом, стабільною швидкістю, без надмірної вібрації та, для колекторних машин, без небезпечного іскріння.