Badanie diagnostyczne maszyn elektrycznych można porównać do okresowych badań lekarskich – są to działania prowadzone zgodnie z przekonaniem, że lepiej zapobiegać, niż leczyć. Mają na celu określenie ogólnego stanu technicznego maszyn i ocenę stopnia zużycia ich kluczowych podzespołów bądź układów, do których niewątpliwie należą łożyska, wały napędów (wirników), izolacja elektryczna czy uzwojenia. Dzięki diagnostyce możliwe jest wykrycie narastającego uszkodzenia maszyny i poddanie jej przeglądowi, co chroni inwestora przed awariami skutkującymi przestojem i nieuchronnymi kosztami.

Kolejny cel diagnostyki maszyn elektrycznych to ustalenie przyczyn nieprawidłowej pracy danego urządzenia, która objawia się np. stopniowo narastającymi, przekraczającymi dopuszczalną normę drganiami, naprężeniami bądź anomaliami w zasilaniu. Niektóre maszyny muszą być badane w ośrodkach diagnostycznych, lecz są i takie, które poddaje się badaniu wyłącznie w miejscu ich pracy.

Co mówią normy
Z punktu widzenia norm PN-EN 60034-1, PN-EN 60034 i PN-E 04700 diagnostykę maszyn elektrycznych można podzielić na pełną i niepełną. Tę pierwszą wykonuje się w celu oceny konstrukcji maszyny, jej sprawności, oceny materiałów, z jakich została wytworzona, i jakości jej wykonania. Z reguły diagnostyka taka następuje po wyprodukowaniu maszyny (przy jej wprowadzaniu do obrotu jako nowego wyrobu) bądź też po wprowadzeniu do już wytwarzanej maszyny zmian konstrukcyjnych, które mają wpływ na wynik badania pełnego. Konieczność przeprowadzenia badania pełnego może też wynikać z zasad dotyczących okresowej kontroli produkcji.

Diagnostyka niepełna natomiast to diagnostyka porównawcza – odnosząca się do wyników badania pełnego – wykonywana przy kontroli bieżącej lub przy badaniu maszyn, które przechodziły remont. Ma na celu sprawdzenie, czy dany wyrób nie odbiega w swych właściwościach od takiego samego wyrobu wcześniej poddanego badaniom pełnym. Pozwala wykryć wszelkie rozbieżności i określić ewentualne przypadkowe błędy popełnione w procesach produkcyjnych.

Podstawowe działania
Pierwszym krokiem w każdej diagnostyce maszyn – nie tylko elektrycznych – powinny być oględziny zewnętrzne. Wzrokowa ocena stanu urządzenia, wychwycenie wszystkich miejsc, w których coś odbiega od normy lub wygląda niepokojąco, skontrolowanie wszelkich istotnych połączeń śrubowych, sprawdzenie stanu izolatorów, spawów bądź połączeń lutowanych – wszystko to powinno być wsparte zaangażowaniem również zmysłów dotyku i słuchu. Dzięki nim podczas oględzin można wstępnie zdiagnozować np. nierówną pracę podzespołów lub wyczuć nadmierne wibracje w określonych lokalizacjach bądź całej maszynie.

Pomiary mechaniczne maszyn elektrycznych to podstawa dalszej ich diagnostyki. Obejmują one m.in. kontrolę osiowania i poziomowania maszyn, sprawdzenie luzów w łożyskach, pomiar bicia promieniowego komutatora i stanu jego wyrowkowania (maszyny DC) lub pomiar bicia promieniowego pierścieni ślizgowych (maszyny AC). Na liście badań nie może zabraknąć kontroli stanu układu szczotkowego oraz mocowania stojana i wirnika, należy również sprawdzić stan elementów usztywniających uzwojenie wirnika i stojana, czyli klinów i przekładek dystansowych. Nie można też zapomnieć o pomiarze szczeliny powietrznej między wirnikiem a stojanem.

Diagnostyka wibracyjna
Następnym etapem pełnej diagnostyki mechanicznej maszyn jest badanie wibracji i drgań, czyli tzw. diagnostyka wibracyjna. Jest ona nieodzowna przy ocenie stanu wyważenia maszyny i poszczególnych jej elementów – z oceną ułożyskowania i współosiowości na czele. Ponadto pozwala wychwycić wszelkie zmiany w stanie fundamentu maszyny.
Diagnostykę wibracyjną wykonuje się w miejscu zainstalowania maszyn z wykorzystaniem wielu czujników oraz przyrządów laserowych. W jej ramach dokonuje się najczęściej pomiarów drgań mechanicznych, analizy widma FFT (w celu dokładnego określenia przyczyn występowania zbyt dużych drgań), pomiaru obwiedni sygnału oraz dwukanałowego synchronicznego pomiaru o dużej dokładności, którego wyniki prezentowane są jako wykres typu orbita lub kaskada.

Szczegółowe badania pokazują przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia drgań, a ich analiza częstotliwościowa umożliwia rozłożenie sygnału na składowe. Wszystkie te dane w zestawieniu z parametrami ruchowymi maszyny i jej konstrukcją umożliwiają diagnostom przypisanie poszczególnym składowym widma konkretnych elementów maszyny lub określenie jej stanu w konkretnym momencie. Problemem jest niestety to, że w większości maszyn problemem jest właściwe rozmieszczenie i zamontowanie czujników, co ma oczywisty wpływ na powstałą bazę informacji.

Diagnostyka termowizyjna
Zyskująca na znaczeniu diagnostyka termowizyjna to kolejny kluczowy etap badań diagnostycznych. Jej ogromnym atutem jest to, że pomiarów dokonuje się podczas normalnej pracy maszyny. Ta nieinwazyjna metoda polega na tym, że za pomocą kamery diagnosta otrzymuje obraz rozkładu temperatury w badanym obiekcie i jej bardzo dokładny pomiar. Istotna jest jednak kompensacja wpływu innych źródeł ciepła znajdujących się w bezpośredniej bliskości maszyny. Badanie powinno też uwzględnić temperaturę otoczenia, odległość między kamerą a badanym elementem oraz wilgotność powietrza.

Termowizyjna diagnostyka wspomaga badanie parametrów zarówno mechanicznych, jak i elektrycznych, gdyż pozwala m.in. na ocenę stopnia nagrzania łożysk i działania kanałów chłodzących, wykrywanie miejsc o nadmiernej temperaturze (co może wskazywać na powstanie uszkodzenia) oraz zwarć i słabych połączeń elektrycznych, a także ocenę ciągłości uzwojenia.

Pomiary elektryczne
Jednym z najistotniejszych etapów diagnostyki jest dokonanie pomiarów elektrycznych obejmujących przede wszystkim pomiary napięć i prądów podczas rozruchu i w czasie normalnej pracy napędów. Konieczne jest też sprawdzenie rezystancji izolacji i stanu uzwojeń w celu wykrycia ich ewentualnych uszkodzeń. Dokładne badania maszyn obejmują zazwyczaj pomiar rezystancji izolacji uzwojeń w takich elementach jak stojan, wirnik, śruby biegunów komutacyjnych, podpory łożyskowe i układ szczotkowy.

Do koniecznych pomiarów zaliczyć też trzeba pomiar prądów łożyskowych, spadków napięć na biegunach głównych i komutacyjnych oraz spadków napięć na uzwojeniach kompensacyjnych i na wycinkach komutatora.

Sprzęt do diagnostyki
Badanie parametrów elektrycznych w maszynach zasilanych prądem elektrycznym to podstawa ich diagnostyki, dlatego warto zwrócić uwagę na wykorzystywane w tym celu urządzenia. Stosowane dziś mierniki i testery posiadają wiele funkcji i mogą badać kilka parametrów jednocześnie. Są programowalne i wyposażone w systemy komunikacji nie tylko z komputerami stacjonarnymi lub urządzeniami mobilnymi, ale też z innymi miernikami zaangażowanymi równolegle (M2M).

Testery takie działają podobnie jak uniwersalne multimetry: zmierzony sygnał analogowy jest przetwarzany przez przetwornik A/C na sygnał cyfrowy, który podlega dalszemu przetwarzaniu w cyfrowych układach. Uzyskana zmierzona wartość z reguły jest prezentowana na wyświetlaczu i jednocześnie zapisywana w pamięci urządzenia, a często też od razu wysyłana do komputera.

Głównym elementem konstrukcyjnym tego typu urządzeń jest przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) oparty na podwójnym całkowaniu. Spotyka się też testery z przetwornikami typu Sigma-Delta cechujące się próbkowaniem nadmiarowym (z większą niż wymagana częstotliwością) i składające się z modulatora oraz filtru cyfrowego. Drugim najważniejszym podzespołem testerów do diagnostyki maszyn elektrycznych jest układ sterowania zarządzający procesem pomiaru, który automatycznie dobiera zakres, wyzwala cykl pomiarowy i zapisuje wyniki w pamięci przy jednoczesnej ich prezentacji na wyświetlaczu.

Warto pamiętać, że profesjonalnie wyposażony diagnosta dysponuje sprzętem specjalistycznym nierzadko wykonanym na konkretne zamówienie i przeznaczonym do badania określonych podzespołów przy wsparciu specjalistycznego oprogramowania. Dzięki temu może on diagnozować maszyny w wąskich obszarach – od rozdzielni i przekształtnika, przez napęd i przekładnie, po pompy i wentylatory.

Kamery
W ostatnich latach znacząco zwiększyła się rola termowizji w diagnostyce maszyn zasilanych elektrycznie. Dziś kamery termowizyjne to drugi co do istotności sprzęt do badania tego typu maszyn. Coraz częściej kamery takie są niewielkimi, mobilnymi urządzeniami, które zbierają informacje o rozkładzie temperatury na powierzchni obserwowanego elementu (podzespołu) i pracują w coraz szerszym zakresie temperatur. Ich producenci oferują urządzenia w wielu różnych wersjach, różniące się między sobą zarówno czułością, jak i rozdzielczością obrazu.

Najważniejszą częścią typowej kamery termowizyjnej jest matryca z niechłodzonych detektorów mikrobolometrycznych, która przekłada widzialny obraz na rozkład temperatur prezentowany na niewielkim ekranie (coraz częściej dotykowym). Precyzyjne analizy można prowadzić dzięki różnym paletom barw (tzw. tęczy lub palecie w skali szarości), jednak szczególnie przydatna w praktyce – szczególnie podczas badania instalacji elektrycznej lub diagnostyki układów mechanicznych (łożyska) – okazuje się funkcja obrazowania wielowidmowego, która umożliwia nakładanie obrazu cyfrowego na termiczny. Każda typowa kamera termowizyjna ma wbudowaną pamięć zdolną do pomieszczenia kilkuset zdjęć w niezłej rozdzielczości, które można zgrać, a czasem także wysłać bezprzewodowo do komputera.

Do podstawowego sprzętu wykorzystywanego w diagnostyce należą też różnego rodzaju czujniki, przenośne mierniki, sondy i kamerki inspekcyjne wyposażone we własne źródła światła (LED) – pomagają one dotrzeć do miejsc trudno dostępnych lub mało widocznych.

Protokoły i sprawozdania
Każda diagnostyka maszyn elektrycznych powinna kończyć się w ten sam sposób: przygotowaniem czytelnych protokołów sprawozdawczych wraz z wnioskami i zaleceniami dla właściciela (administratora) przebadanej maszyny. W protokołach należy zawrzeć informacje o detekcji wszystkich zaistniałych uszkodzeń i awarii, możliwych przyszłych awariach i wszelkich odstępstwach od normy w zakresie konstrukcji i funkcjonowania maszyny. Istotna jest tu precyzyjna lokalizacja – protokoły powinny określać dokładnie newralgiczne miejsca, wskazywać konkretne części i podzespoły lub układy i systemy oraz wymieniać wszystkie ogniwa przyczyniające się do powstającej awarii.

Istotnym punktem jest tzw. specyfikacja, czyli określenie przyczyny każdej wykrytej lub potencjalnej awarii. Zespół diagnostów nie powinien też pominąć tzw. prognozy, czyli wskazania pozostałego okresu możliwej eksploatacji maszyny, zanim zostanie ona przekazana do zaplanowanej naprawy.

-----------------

Tekst powstał na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL, Cementownię Odrę, Elzat, Sonel, Fluke, Testo, Merserwis, Metrel, Metra Blansko, Cognex Corporation, Damel oraz Katedrę Metrologii i Elektroniki AGH.