Marcin Barański, Adam Decner, Tomasz Jarek

1. Wstęp – badania i diagnostyka maszyn elektrycznych

Laboratorium Napędów i Maszyn Elektrycznych realizuje szeroki zakres działań obejmujących: opracowywanie opinii technicznych, wykonywanie ekspertyz, prowadzenie badań, pomiarów oraz diagnostyki maszyn i układów napędowych. W obszarze zainteresowań znajdują się m.in. silniki ogólnego przeznaczenia, jednostki przeznaczone do zastosowań militarnych, napędy trakcyjne, maszyny stosowane w górnictwie, hutnictwie, energetyce, przemyśle chemicznym oraz konstrukcje o charakterze specjalnym.

Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych należy do czołowych podmiotów świadczących usługi badawcze w dziedzinie maszyn elektrycznych. Pozycja ta została osiągnięta dzięki wysoko wykwalifikowanej kadrze naukowej i inżynierskiej, posiadającej wieloletnie doświadczenie w zakresie napędów elektrycznych. Wieloletnia praktyka umożliwiła wypracowanie standardów prowadzenia badań oraz interpretacji wyników, a także określenie kierunków rozwoju, które pozwalają na utrzymanie wysokiego poziomu prowadzenia prac badawczych.

Badania i testy maszyn elektrycznych prowadzone są na trzech wyspecjalizowanych, nowoczesnych stanowiskach pomiarowych. Każde z nich wyposażone jest w hamownię umożliwiającą pracę w różnych zakresach prędkości, momentu obrotowego i mocy. Pierwsze stanowisko przeznaczone jest do maszyn dużej mocy, o parametrach do 300 kW i 3000 obr/min. Drugie umożliwia badania napędów średniej mocy do około 150 kW i prędkości 10 000 obr/min. Na trzecim testowane są napędy małej mocy, do 11 kW i 3600 obr/min (rys. 1).

Sterowanie stanowiskami realizowane jest poprzez zautomatyzowane pulpity oraz sterownik PLC współpracujący z aparaturą łączeniową, co pozwala na korzystanie ze źródeł napięcia i prądu o zróżnicowanych parametrach.

Do przeprowadzania prac badawczych wykorzystywana jest rozbudowana, nowoczesna i precyzyjna aparatura pomiarowa, a także liczne urządzenia pomocnicze. Dzięki takiej infrastrukturze możliwe jest wykonywanie również niestandardowych badań, takich jak:

• Próby konstruktorskie – obejmują serię testów wykonywanych na wczesnym stadium tworzenia konstrukcji, których celem jest zweryfikowanie zgodności założeń projektowych z wymaganiami technicznymi, funkcjonalnymi oraz eksploatacyjnymi. Badania umożliwiają wczesne wykrywanie nieprawidłowości – zarówno w obrębie rozwiązań mechanicznych, jak i układu elektromagnetycznego czy też systemu chłodzenia.
• Próby typu – obejmują zestaw badań wykonywanych na reprezentatywnym egzemplarzu danego wyrobu, stanowiącym wzorzec dla całej serii produkcyjnej. Celem jest potwierdzenie, że konstrukcja spełnia wszystkie wymagania określone w normach, dokumentacji technicznej oraz specyfikacji projektowej. Podczas prób typu weryfikowane są parametry elektryczne, mechaniczne, jak i odporność eksploatacyjna oraz bezpieczeństwo użytkowania. Badania te umożliwiają ocenę właściwości maszyny i jednoznaczne określenie, czy spełnia ona kryteria dopuszczające do dalszego stosowania bądź wprowadzenia na rynek. Uzyskanie pozytywnych wyników prób typu stanowi podstawę do przyjęcia, że wszystkie urządzenia danego typu – o identycznej konstrukcji i technologii wykonania – również spełnią wymagania odpowiednich norm oraz przepisów.
• Próby wyrobu – obejmują zestaw testów wykonywanych na każdym wyprodukowanym egzemplarzu, jeszcze przed jego dopuszczeniem do użytkowania lub przekazaniem odbiorcy. Ich głównym celem jest potwierdzenie, że dany wyrób został wykonany zgodnie z wymaganiami projektowymi, technologicznymi oraz jakościowymi. Pozytywne przejście prób wyrobu gwarantuje, że każdy pojedynczy egzemplarz spełnia odpowiednie normy, specyfikacje i kryteria jakości. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie powtarzalności produkcji, eliminacja wadliwych jednostek oraz zapewnienie wysokiego poziomu niezawodności dostarczanych urządzeń.
• Ekspertyzy poawaryjne – analizy wykonywane po wystąpieniu awarii, celem szczegółowego ustalenia jej przyczyn, charakteru oraz skali uszkodzeń. Obejmują ocenę stanu technicznego napędu, identyfikację elementów, które uległy degradacji, a także analizę czynników eksploatacyjnych i środowiskowych, które mogły przyczynić się do powstania usterki. Umożliwiają precyzyjne wskazanie źródła problemu, co jest niezbędne dla skutecznego zaplanowania działań naprawczych, jak i wdrożenia rozwiązań zapobiegających podobnym awariom w przyszłości. Pozwalają również na optymalizację harmonogramów utrzymania ruchu, minimalizację ryzyka przestojów oraz poprawę niezawodności całego układu napędowego.
• Ekspertyzy poremontowe – oceny techniczne przeprowadzane po zakończeniu prac remontowych, mające na celu sprawdzenie jakości wykonanych prac oraz zgodności z założeniami projektowymi i normami. Obejmują analizę poprawności montażu, precyzji wykonanych regulacji, zastosowanych materiałów oraz wpływu przeprowadzonego remontu na ogólny stan techniczny urządzenia lub układu napędowego. Dzięki takim ekspertyzom można potwierdzić, że prace zostały zrealizowane prawidłowo i w sposób zapewniający oczekiwaną trwałość oraz bezpieczeństwo eksploatacji.
• Opinie techniczne – w ramach takich analiz wykonywana jest szczegółowa diagnostyka podzespołów, ocena zużycia elementów, weryfikacja parametrów pracy oraz analiza zagrożeń wynikających z nieprawidłowej eksploatacji lub niewłaściwego stanu technicznego. Efektem tych działań jest wskazanie koniecznych napraw, regulacji lub modernizacji, które pozwolą przywrócić pełną funkcjonalność urządzenia, zwiększyć bezpieczeństwo użytkowania oraz zapobiec nieplanowanym przestojom.
• Diagnostyka układów elektroizolacyjnych – proces oceny stanu izolacji elektrycznej w maszynach i urządzeniach, w szczególności tych pracujących w warunkach wysokiego napięcia. Obejmuje badania parametrów elektrycznych, analizę zjawisk degradacyjnych oraz identyfikację uszkodzeń mogących prowadzić do obniżenia właściwości izolacyjnych lub przedwczesnej awarii [1, 2, 3].
• Diagnostyka węzłów łożyskowych – jest to badanie stanu technicznego maszyn pod kątem zużycia łożysk. Podstawą diagnostyki są metody wibroakustyczne, obejmujące analizę drgań generowanych przez pracujące łożyska, a także analiza prądu maszyny.
• Próby termiczne napędów i maszyn elektrycznych – zestaw badań wykonywanych w celu oceny zachowania napędów i maszyn elektrycznych w różnych warunkach temperaturowych, zarówno podczas pracy nominalnej, jak i przy obciążeniach granicznych. Obejmują monitorowanie temperatury kluczowych podzespołów. Analiza rozkładów temperatur i zmian w czasie pracy umożliwia ocenę wydajności cieplnej maszyny oraz jej zdolności do długotrwałej, stabilnej i bezawaryjnej pracy.
• Pomiary wibroakustyczne – polegają na analizie drgań i hałasu generowanego przez maszyny i urządzenia. Rejestruje się sygnały drganiowe i akustyczne, a następnie poddaje je analizie czasowej i/lub częstotliwościowej. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie takich problemów jak: niewyważenie, niewspółosiowość, luzy montażowe, poluzowanie fundamentów, uszkodzenia przekładni, nieprawidłowe warunki smarowania, a także defekty łożysk tocznych. Wczesne rozpoznanie nieprawidłowości pozwala na planowanie działań serwisowych i konserwacyjnych przed wystąpieniem awarii, minimalizując ryzyko kosztownych przestojów.
• Wyznaczanie charakterystyk obciążenia i map sprawności układów napędowych (rys. 2) – zestaw badań mających na celu kompleksową ocenę wydajności, efektywności energetycznej oraz zachowania napędu w różnych warunkach pracy. Proces ten polega na pomiarze kluczowych parametrów elektrycznych i mechanicznych, pozwalających na precyzyjne odwzorowanie dynamiki układu w funkcji obciążenia.
• Wszelkie specjalistyczne badania wg programu badań zleconego przez klienta – badania, pomiary, testy napędów i maszyn elektrycznych zlecone przez klienta, których nie można określić jednoznacznie, gdyż każdorazowo obejmują inny zakres.

2. Sposób diagnozowania układu elektroizolacyjnego

Maszyny elektryczne stanowią istotny element współczesnych układów przemysłowych, a ich niezawodność bezpośrednio wpływa na ciągłość procesów technologicznych oraz koszty eksploatacji. Wraz ze wzrostem złożoności konstrukcji i coraz większym obciążeniem układów napędowych rośnie znaczenie kontroli stanu technicznego, w szczególności układów elektroizolacyjnych, które należą do najbardziej newralgicznych elementów maszyn.

Uszkodzenia izolacji mogą pojawiać się na skutek przeciążeń cieplnych, oddziaływań elektrycznych, drgań, zanieczyszczeń, starzenia materiału oraz warunków środowiskowych. Zmiany te prowadzą do obniżenia wytrzymałości elektrycznej, nierównomiernego rozkładu pola elektrycznego lub lokalnych przebić, co z czasem skutkuje awarią całej maszyny. Dlatego ważnym elementem profilaktyki jest systematyczna diagnostyka układów elektroizolacyjnych (rys. 3), umożliwiająca wczesne wykrycie nieprawidłowości i ograniczenie ryzyka nieplanowanych przestojów.

Regularna ocena parametrów izolacji wspiera podejmowanie decyzji dotyczących konserwacji, remontów oraz modernizacji urządzeń. Pozwala to wydłużyć żywotność maszyn, poprawić ich sprawność energetyczną oraz dostosować harmonogramy serwisowe do rzeczywistego stanu technicznego, a nie do sztywnych interwałów eksploatacyjnych.

W Laboratorium od wielu lat stosowana jest wielokryterialna metoda diagnostyczna z wykorzystaniem prądu stałego, umożliwiająca ocenę stanu izolacji na podstawie analizy zestawu parametrów elektrycznych. Dodatkowo do identyfikacji uszkodzeń izolacji zwojowej wykorzystywana jest metoda oparta na rejestracji i analizie fali napięciowej powstającej po wyłączeniu prądu stałego w uzwojeniu. Rejestrowany przebieg napięciowy pozwala ocenić rozkład parametrów elektrycznych poszczególnych zezwojów i wychwycić odchylenia świadczące o degradacji izolacji, asymetrii uzwojeń lub lokalnych defektach (rys. 4).

Metoda WMPS jest narzędziem oceny stanu układów elektroizolacyjnych, opartym na analizie zestawu parametrów odzwierciedlających procesy starzeniowe oraz aktualny poziom degradacji materiałów izolacyjnych. Technika ta znajduje zastosowanie zarówno w maszynach wysokiego, jak i niskiego napięcia, umożliwiając uzyskanie danych pozwalających na okresową ocenę stopnia zużycia izolacji [1, 2]. Do najważniejszych cech metody należą:

• wysoka praktyczność i łatwość realizacji pomiarów w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych,
• szeroka akceptacja przemysłowa potwierdzona uwzględnieniem w normie PN-E-04700:1998,
• zdefiniowane kryteria interpretacji wyników, zaprezentowane w tabeli 1.

Uzupełnieniem oceny izolacji jest metoda wykorzystująca analizę fali napięciowej generowanej w uzwojeniu po wyłączeniu prądu stałego. Technika ta pozwala precyzyjnie identyfikować defekty izolacji zwojowej, a jej charakterystyczne właściwości obejmują [1]:

• opatentowany sposób badania izolacji zwojowej,
• wykorzystanie zjawiska rozkładu fali na poszczególne zezwoje, przy czym częstotliwość oscylacji zależy bezpośrednio od parametrów uzwojenia i stanu jego izolacji,
• porównawczy charakter analizy: możliwe jest zestawianie oscylogramów fazowych, o ile dostępny jest punkt gwiazdowy lub możliwe jest rozłączenie pasm uzwojeń; dopuszcza się również analizę skojarzonych faz UV, VW, WU,
• wysoka wartość diagnostyczna zapewniana przez systematyczne powtarzanie pomiarów i obserwację trendów zmian, co pozwala na wczesne wykrywanie postępującej degradacji.

3. Pomiar wibracji i diagnostyka drganiowa

Diagnostyka drganiowa stanowi jedno z narzędzi oceny stanu technicznego napędów elektrycznych, umożliwiając identyfikację stopnia zużycia podzespołów oraz wczesne wykrywanie nieprawidłowości wpływających na pracę układu. W Laboratorium Napędów i Maszyn Elektrycznych prowadzone są pomiary wartości skutecznych i chwilowych drgań oraz szczegółowa analiza częstotliwościowa prędkości i przyspieszenia drgań (rys. 5). Monitorowany jest ogólny poziom drgań zgodnie z wymaganiami normy ISO 20816, co umożliwia klasyfikację stanu maszyn i ocenę ich dopuszczalnych warunków pracy. Zastosowanie nowoczesnej aparatury pomiarowej pozwala na wykrywanie anomalii już na wczesnym etapie ich powstawania. Znacząco ogranicza to ryzyko awarii oraz przyczynia się do wydłużenia żywotności badanych jednostek.

Podwyższony poziom drgań w napędach elektrycznych najczęściej wynika z zaburzeń mechanicznych, elektromagnetycznych lub konstrukcyjnych, które wpływają na stabilność pracy maszyny. Do najczęściej identyfikowanych przyczyn należą:

• luźne lub uszkodzone łożysko, prowadzące do niestabilnej pracy wału i wzrostu składowych drganiowych,
• naciąg magnetyczny wywołany asymetrią pola elektromagnetycznego,
• niewyważenie elementów wirujących skutkujące charakterystycznymi składowymi drgań o częstotliwości obrotowej,
• niejednorodności lub osłabienia konstrukcji kadłuba wpływające na przenoszenie drgań,
• nieprawidłowe sprzęgnięcie wału (błędy osiowania, luzy),
• niewłaściwe posadowienie maszyny, powodujące wzmacnianie drgań rezonansowych,
• asymetria zasilania lub obciążenia, prowadząca do nierównomiernych sił elektromagnetycznych.

4. Określanie efektywności napędu elektrycznego w warunkach przemysłowych

Pomiar momentu obrotowego na wale w warunkach przemysłowych stanowi jedno z trudniejszych zagadnień diagnostyki i oceny efektywności układów napędowych. Wynika to przede wszystkim z faktu, że stanowiska eksploatacyjne maszyn praktycznie nigdy nie są przystosowane do montażu dodatkowego oprzyrządowania pomiarowego. Silnik elektryczny pracuje zazwyczaj jako część większego zespołu technologicznego, w którym dostęp do wału jest ograniczony, a konstruktorzy urządzeń nie przewidują instalacji sensorów momentu na etapie projektowania [4]. Mimo tych ograniczeń dane uzyskiwane z pomiarów momentu mają duże znaczenie dla oceny stanu technicznego napędu oraz jego rzeczywistej charakterystyki obciążenia. Informacje te umożliwiają m.in. optymalizację pracy układów napędowych, identyfikację niekorzystnych stanów eksploatacyjnych, wybór właściwego punktu pracy, a także podjęcie decyzji o ewentualnej modernizacji lub wymianie silnika na jednostkę bardziej energooszczędną.

Laboratorium dysponuje specjalistyczną aparaturą oraz kompetencjami umożliwiającymi prowadzenie pomiarów momentu obrotowego bez ingerencji w strukturę istniejącego układu napędowego. Stosowany system bazuje na technikach umożliwiających instalację czujników bezpośrednio na wale roboczym, bez konieczności jego demontażu czy modyfikacji konstrukcyjnych. Rozwiązanie to zapewnia:

• możliwość wykonywania pomiarów momentu obrotowego w rzeczywistych warunkach przemysłowych, w trakcie normalnej pracy urządzenia,
• rejestrację rzeczywistej wartości momentu przenoszonego przez wał, w przeciwieństwie do metod pośrednich opartych np. na pomiarze prądu stojana,
• wyznaczanie charakterystyk obciążenia i sprawności maszyny w miejscu jej normalnej eksploatacji (rys. 6),
• bezprzewodową transmisję sygnałów pomiarowych z czujników zamontowanych na obracającym się wale do urządzenia odbiorczego, co eliminuje konieczność stosowania pierścieni ślizgowych oraz zwiększa niezawodność układu pomiarowego.

5. Stanowiska badawcze do testów napędów

Projektujemy i wykonujemy unikalne, specjalistyczne stanowiska, dostosowane do realizacji złożonych prac badawczo-rozwojowych, eksperymentów naukowych oraz testów laboratoryjnych (rys. 7).

Opracowywane zestawy mogą pełnić również funkcję edukacyjną, wspierając dydaktykę w obszarach sterowania, badań właściwości regulacyjnych oraz zagadnień elektromagnetycznych wszelkich zespołów napędowych. Pozwalają na praktyczne poznanie zasad działania oraz bezpiecznej obsługi różnorodnych maszyn elektrycznych, zgodnie z obowiązującymi standardami i normami. Stanowiska projektowane są głównie na indywidualne zamówienie, w odpowiedzi na wymagania użytkowników przemysłowych i naukowych, jednak dostępne są również gotowe konfiguracje, opisane m.in. w pracy [5]. Zakres tematyczny naszych rozwiązań obejmuje szeroki przekrój zagadnień z obszaru elektromechaniki oraz energoelektroniki, w tym:

• maszyny elektryczne z magnesami trwałymi (PMSM, BLDC),
• maszyny indukcyjne,
• maszyny prądu stałego,
• badania wałów skrętnych,
• emulator elektrowni wiatrowej,
• badania paneli fotowoltaicznych,
• inne.

6. Pomiar rozkładu indukcji magnetycznej

Jako odpowiedź na potrzebę wsparcia procesu projektowania oraz precyzyjnej kontroli elementów i układów magnetycznych opracowano i wykonano specjalistyczny, trójosiowy przyrząd pomiarowy umożliwiający określanie przestrzennego rozkładu indukcji magnetycznej (rys. 8). Zaprojektowane urządzenie pozwala na realizację pomiarów w pełnej trójwymiarowej geometrii pola, co znacząco zwiększa dokładność oceny właściwości magnetycznych badanych komponentów. Takie rozwiązanie może być stosowane zarówno w laboratoriach badawczych i przemysłowych systemach diagnostycznych, jak również w procesach dydaktycznych związanych z magnetyzmem i konstrukcją maszyn elektrycznych.

Potencjał aplikacyjny opracowanego przyrządu jest szczególnie widoczny w diagnostyce maszyn elektrycznych wyposażonych w wirniki z magnesami trwałymi. Elementy te, mimo że korzystnie wpływają na sprawność, gęstość mocy oraz dynamikę układów napędowych, charakteryzują się podatnością na częściową lub całkowitą demagnetyzację w podwyższonych temperaturach pracy. Zjawisko to prowadzi do lokalnych zmian rozkładu indukcji magnetycznej, co w konsekwencji może powodować spadek parametrów eksploatacyjnych maszyny, asymetrię pola elektromagnetycznego oraz wzrost poziomu drgań wirnika. Trójwymiarowy pomiar indukcji magnetycznej umożliwia wczesną identyfikację takich niekorzystnych zmian, stanowiąc cenne narzędzie zarówno w diagnostyce, jak i w procesach projektowania oraz oceny trwałości układów magnetycznych (rys. 9).

7. Podsumowanie

Napędy elektryczne pozostają podstawowym elementem współczesnych układów przemysłowych, znajdując zastosowanie w praktycznie każdym sektorze gospodarki. Stanowią również podstawowy element układów trakcyjnych w nowoczesnych pojazdach oraz są szeroko wykorzystywane w przemyśle zbrojeniowym, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność, odporność środowiskowa i precyzyjna kontrola parametrów pracy. Dynamiczny rozwój konstrukcji maszyn elektrycznych – ukierunkowany na zwiększanie gęstości mocy, redukcję masy oraz poprawę efektywności energetycznej – generuje stałe zapotrzebowanie na zaawansowane usługi badawcze obejmujące diagnostykę, pomiary, testy eksploatacyjne oraz ekspertyzy techniczne różnorodnych typów napędów i maszyn.

Działalność Laboratorium Napędów i Maszyn Elektrycznych koncentruje się na kompleksowej ocenie jednostek napędowych, realizowanej przez wykwalifikowaną kadrę z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury pomiarowej. Badania obejmują zarówno modele i prototypy opracowywane w Instytucie, jak również jednostki specjalnego przeznaczenia, poddawane weryfikacji pod kątem osiąganych parametrów, spełnienia wymagań projektowych oraz zgodności z dokumentacją konstrukcyjną.

Laboratorium prowadzi również szeroką współpracę z partnerami naukowymi i przemysłowymi, realizując usługi o charakterze eksperckim, diagnostycznym i pomiarowym. Obejmują one m.in. badania napędów i maszyn elektrycznych w ich rzeczywistych warunkach eksploatacji, co pozwala na ocenę zachowania układów w środowisku pracy, uwzględniając czynniki obciążeniowe, temperaturowe i dynamiczne. Równolegle wykonywane są prace diagnostyczne podczas planowanych przestojów linii produkcyjnych oraz ekspertyzy techniczne maszyn po awariach lub po przeprowadzonych remontach, umożliwiające ocenę jakości wykonanych prac, identyfikację przyczyn uszkodzeń oraz weryfikację gotowości urządzeń do dalszej eksploatacji.

Literatura

1. Szymaniec S., Badania, eksploatacja i diagnostyka zespołów maszynowych z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, Studia i Monografie – Politechnika Opolska.
2. Barański M., Berhausen S., Decner A., Jarek T., Methods of Diagnosing the Insulation of Electric Machines Windings, Energies, 15/2022, https://doi.org/10.3390/en15228465.
3. Barański M., Decner A., Polak A., Selected Diagnostic Methods of Electrical Machines Operating in Industrial Conditions, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 5/2014.
4. Decner A., Iskierski L., Pomiar momentu obrotowego w warunkach przemysłowych, Napędy i sterowanie, 7–8/2015.
5. Decner A., Polak A., Nowoczesne stanowiska badawcze i hamownie wyposażone w wirtualne i tradycyjne przyrządy pomiarowe, Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, 1/2018.

Marcin Barański, Adam Decner, Tomasz Jarek,
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych