Diagnoza napędów z falownikami

diagnoza napędów z falownikami.

Sprawdziłeś swój falownik, wydaje się sprawny lecz silnik nadal nie rusza ? Co gorsza falownik został sprawdzony w serwisie lub podmieniłeś go na zupełnie taki sam, nie wiesz co robić ? Zanim wyrwiesz już wszystkie włosy z głowy i przyznasz się do porażki, przeczytaj kilka porad i spróbuj wykonać kilka prostych pomiarów, które być może ocalą Cię od niechybnej łysiny a Twój przełożony na pewno nie pominie Cię w następnym przeszeregowaniu.

Napęd servodrive

Poniżej została omówiona diagnoza napędów z falownikami, czyli pomiarów diagnostycznych otoczenia falownika w celu ustalenia błędów w funkcjonowaniu napędu. Artykuł dotyczy napędów z klasycznymi bezkomutatorowymi silnikami 3 fazowymi z uzwojeniem stojana. Należy pamiętać, że znakomita większość uszkodzeń samych falowników jest spowodowana problemami w jego zasilaniu lub obciążeniu. W tym ostatnim przypadku w grę wchodzi wadliwe lub uszkodzone okablowanie lub też silnik.

Zanim jednak przystąpisz do działania, postaraj się przeczytać cały artykuł i odpowiedz sobie na pytanie, czy jesteś w stanie wykonać wszystko co tu opisałem, zachowując przy tym warunki bezpieczeństwa ludzi i sprzętu.

Nie muszę tutaj chyba przypominać, że wszelkie prace na urządzeniach elektrycznych winna przeprowadzać osoba przeszkolona, posiadająca odpowiednie świadectwo kwalifikacyjne, np. uprawnienia SEP.

Artykuł dotyczy większości klasycznych napędów opartych na pojedynczym zestawie: falownik – silnik 3 fazowy, ale równie dobrze może odnosić się do bardziej złożonych i nietypowych implementacji falowników / inwerterów / przemienników częstotliwości a nawet serwoinwerterów / serwowzmacniaczy / serwodriverów przystosowanych do pracy z zasilaniem jedno- lub trójfazowym. Może się jednak zdarzyć, że będziesz miał do czynienia z tak nietypowymi rozwiązaniami układowymi, które wykluczają wykonanie opisanych przeze mnie działań.

otoczenie falownika
Diagnoza napędów z falownikami – Otoczenie falownika

Kiedy należy wykonać omówioną tutaj diagnozę napędów z falownikami ?

W sytuacjach kiedy podejrzenia wadliwej pracy napędu lub falownika padają na okablowanie lub silnik albo aby wyeliminować silnik i kable jako potencjalną przyczynę problemów.
Diagnoza opisana poniżej jest niezbędna zawsze kiedy ustalono wcześniej (np. przy pomocy pomiarów opisanych w artykule pt. „Szybkie sprawdzenie falownika„) uszkodzenie falownika z powodu przeciążenia lub zwarcia na jego wyjściu. W takim przypadku podłączenie nowego falownika lub falownika po naprawie może spowodować ponowne jego uszkodzenie.

Narzędzia i przyrządy

Przed przystąpieniem do prac należy przygotować podstawowe narzędzia elektromonterskie oraz przyrząd pomiarowy. Będziemy korzystać z miernika uniwersalnego przystosowanego do prowadzenia pomiarów napięcia sieci zasilającej o zakresie minimum do 450VAC (600VDC). Warto zwrócić uwagę, czy zarówno narzędzia jak i osprzęt pomiarowy (kable, sondy mierników) posiadają certyfikat bezpieczeństwa do pracy na napięciu co najmniej 1kV.

Oprócz miernika uniwersalnego będziemy potrzebować urządzenia pomiarowego o znacznie bardziej zaawansowanej obsłudze, jakim jest miernik rezystancji izolacji. Dla wiarygodnych pomiarów wystarczy już nawet najprostszy i najtańszy, sprawny technicznie miernik tego typu, np. MIC10 firmy SONEL (https://e-mierniki.pl/p/miernik-rezystancji-izolacji-sonel-mic-10) wraz z dedykowanym wyposażeniem.
Ten miernik potrafi również z powodzeniem zastąpić miernik uniwersalny, o którym mowa wcześniej.
Oczywiście każdy inny miernik rezystancji izolacji również będzie nadawał się do pomiarów pokazanych w dalszej części artykułu.
Przed przystąpieniem do pracy z przyrządami pomiarowymi należy bezwzględnie zapoznać się z fabrycznymi instrukcjami obsługi tych przyrządów i szczegółowo je stosować podczas prowadzenia pomiarów.

Bezpieczeństwo


Przed przystąpieniem do prac zadbaj bezwzględnie o warunki bezpieczeństwa na stanowisku, m.in. zlokalizuj wyłącznik główny zasilania napędu (maszyny), miejsce przechowywania środków gaśniczych oraz zapewnij sobie łączność z odpowiednimi służbami na wypadek np. porażenia prądem (prace pomiarowe prowadzone pod napięciem najlepiej wykonywać w co najmniej 2 osoby, przy czym druga osoba powinna znajdować się poza wygrodzonym polem operacyjnym, w pewnej odległości od prowadzonych prac i pełnić rolę asekuracyjną.

Przygotowanie

Prace diagnostyczne dla ułatwienia podzielimy na następujące części:

  1. Pomiary napięcia zasilania (prace pod niebezpiecznym napięciem sieciowym),
  2. Pomiary napięć sterowania (prace pod napięciem bezpiecznym),
  3. Pomiary okablowania silnika (prace beznapięciowe),
  4. Pomiary silnika
Silnik i inwerter
Diagnoza napędów z falownikami – Diagram

ad.1. Pomiary napięcia zasilania.
Przy pomocy miernika uniwersalnego mierzymy napięcie zasilania falownika (AC) oraz napięcie stałe (DC) pomiędzy zaciskami B- i B+ falownika, jeśli takie są wyprowadzone w danego typu urządzeniach.
Podczas prowadzenia pomiarów falownik powinien być podłączony w swoim standardowym układzie zasilania i znajdować się w trybie STOP, jednocześnie okablowanie silnika oraz silnik powinny być również dołączone tak jak w normalnym toku pracy napędu.

Poniżej przedstawiamy pomiary i ich wyniki przy założeniu, że napęd korzysta ze standardowego zasilania jedno lub trójfazowego. Prawidłowe napięcie zasilania, do którego przystosowany jest mierzony falownik należy każdorazowo sprawdzić na jego tabliczce znamionowej lub też w odnośnej dokumentacji technicznej.

A. Dla falowników z zasilaniem jednofazowym wykonujemy następujące pomiary:

Zaciski falownikaZakresOczekiwane napięcie
L1 / N>=250VAC230VAC
B- / B+600VDC325VDC

B. Dla falowników z zasilaniem trójfazowym pomiary wyglądają następująco:

Zaciski falownikaZakresOczekiwane napięcie
L1 / L2>=600VAC400VAC
L1 / L3>=600VAC400VAC
L2 / L3>=600VAC400VAC
B- / B+1000VDC565VDC

C. Dla niektórych falowników (zwłaszcza serwoinwerterów) niezbędne jest wykonanie dodatkowego pomiaru napięcia zasilania układów sterowania falownika zasilaniem jednofazowym. W takim przypadku wykonujemy pomiary:

Zaciski falownikaZakresOczekiwane napięcie
L1 / N>=250VAC230VAC

Znaczące różnice otrzymanych pomiarów świadczą o nieprawidłowym zasilaniu falownika lub o jego uszkodzeniu, co prawie na pewno jest skutkiem nieprawidłowego działania napędu. Częstą przyczyną braku prawidłowego zasilania lub w układach zasilania trójfazowego braku symetrii faz, jest okablowanie albo też włączone w obwód łączniki takie jak: wyłączniki mechaniczne, styczniki zabezpieczające (odłączające zasilanie falownika w wypadku niepoprawnej pracy maszyny). Elementy te należy zbadać lub w przypadku wątpliwości, wymienić na nowe.

separacja kabla
Diagnoza napędów z falownikami – Separacja elektryczna kabla do pomiarów.

ad.3. Pomiary okablowania silnika.

Ponieważ prace te będą wykonywane w stanie beznapięciowym (aczkolwiek podczas pomiaru mogą występować krótkotrwale wysokie napięcia, których skutkiem działania może być uszkodzenie falownika, postępuj następująco:

Odłącz zasilanie falownika wyłącznikiem sieciowym (głównym) maszyny oraz upewnij się, używając posiadanego miernika lub specjalnego testera, czy na przyłączach falownika nie występuje potencjał elektryczny.

Odczekaj koniecznie czas potrzebny na rozładowanie się kondensatorów wysokonapięciowych !
Czas ten jest zwykle określony przez producenta i oznaczony na obudowie falownika lub zamieszczony w jego dokumentacji. Niektóre urządzenia posiadają też odpowiednio oznaczoną, zazwyczaj czerwoną, kontrolkę informującą o obecności napięcia na kondensatorach falownika.

Jeśli nie wiesz ile czasu powinieneś odczekać przed przystąpieniem do dalszych prac, załóż bezpieczny czas np. 30 minut. Dla falowników dużej mocy, czas powinien być odpowiednio dłuższy.
Możesz również zmierzyć napięcie pomiędzy zaciskami falownika oznaczanymi zwykle P+ i P- (jeśli Twój falownik takie posiada), jest to napięcie występujące na baterii kondensatorów wysokonapięciowych. Jeśli napięcie to jest większe niż kilka voltów, odczekaj do momentu jego bezpiecznego samoczynnego obniżenia (rozładowania się kondensatorów).
Uwaga: Całkowity brak mierzonego napięcia może być również efektem niesprawności falownika, w takim przypadku zaleca się specjalną ostrożność.


Pamiętaj: Prace pomiarowe silnika i jego okablowania możesz prowadzić jedynie przy stanie beznapięciowym na wszystkich zaciskach falownika oraz gdy kable są odłączone od falownika !


Teraz w falowniku odłącz przewody elektryczne od strony zacisków kabla silnika (zazwyczaj są one oznaczane jako „U”, „V”, „W” ale spotykane są inne oznaczenia np. „MOTOR”) aby „uwolnić elektrycznie” kabel silnika od falownika.
Nie zapomnij również o odłączeniu ekranowania (oplotu) kabla oraz przewodu PE od zacisków falownika.
Pozostałe przewody, w tym przewody zasilające falownik, przewody PE uziemiające falownik od strony zasilania oraz przewody podłączone do zacisków niskonapięciowych sterowania, mogą pozostać podłączone.

Następnie otwórz puszkę osłony kabla znajdująca się zazwyczaj na korpusie silnika i odłącz wszystkie przewody kabla silnika (U, V, W, PE) a sam kabel wysuń z dławika tak, aby odizolować również ekran (oplot) kabla od części metalowych obudowy silnika. Odłączone końcówki przewodu oraz jego oplot powinny być zaizolowane na czas pomiaru i powinny się znajdować maksymalnie daleko od siebie i od innych części metalowych (np. korpusu silnika).
W niektórych napędach silniki posiadają specjalne hermetyczne przyłącze w postaci gniazda (wtyk znajduje się na kablu silnika), w takim przypadku wystarczy rozłączyć trwale to przyłącze.

Jeśli napęd posiada enkoder lub resolver, zwłaszcza gdy jego okablowanie przebiega razem z kablem zasilania silnika, należy postępować identycznie, jak w przypadku kabla silnika, tzn. odłączyć obustronnie przewody (kabel) enkodera wraz z oplotem. Podczas wykonywania pomiarów, w kablach m.in enkodera mogą się wyindukować prądy szkodliwe dla obwodów falownika.


Sprawdź czy na pewno dobrze wykonałeś powyższe zadania, w przeciwnym wypadku wyniki pomiarów mogą być błędne a Twój falownik i/lub sam przyrząd pomiarowy będą narażone na poważne uszkodzenia.


Pamiętaj: Podczas wykonywania pomiarów rezystancji izolacji na poszczególnych zaciskach pomiarowych oraz na wolnych końcówkach kabla i samym kablu może pojawić się chwilowo wysokie napięcie. Zachowaj Ostrożność !

Pomiary Izolacji. Do odizolowanych przewodów kabla silnika po stronie falownika podłączamy teraz sondy pomiarowe miernika izolacji i wykonujemy następujące pomiary:

Przewody Kabla SilnikaOczekiwane pomiary rezystancji izolacji
U / V *>20MΩ
U / W *>20MΩ
V / W *>20MΩ
* – biegunowość podłączeń sond pomiarowych nie ma znaczenia chyba, że jest to opisane w dokumentacji posiadanego przyrządu pomiarowego

Następnie podłączamy sondy pomiarowe miernika izolacji pomiędzy oplot (ekran) kabla (w drugim pomiarze jest to przewód PE) a zwarte ze sobą przewody zasilania silnika w taki sposób by dodatnia elektroda pomiarowa była przyłączona do ekranu lub końcówki przewodu PE kabla. Pomiary wykonujemy wg. poniższej tabeli:

Przewody Kabla SilnikaOczekiwane pomiary rezystancji izolacji
(+)E / (-) U+V+W *>20MΩ
(+)PE / (-) U+V+W *>20MΩ
* – przewody zasilające są zwarte ze sobą, a ekran kabla „E” lub przewód PE podłączone są do dodatniej sondy pomiarowej (właściwą biegunowość należy sprawdzić w dokumentacji posiadanego przyrządu pomiarowego)

Dla pewności powyższe pomiary możemy wykonać kilkakrotnie, w tym również od strony kabla podłączanej do zacisków silnika.

Znaczące różnice każdego z otrzymanych pomiarów od wartości oczekiwanych, świadczą o uszkodzonym kablu silnika, który to kabel bezwzględnie należy wymienić w całości na nowy.


Uwaga: Jeśli producent urządzenia pomiarowego nakazuje inną konfigurację pomiarową dla kabli elektrycznych, należy bezwzględnie stosować zalecenia zawarte w fabrycznej instrukcji obsługi stosowanego miernika izolacji.

silnik trójfazowy
Diagnoza napędów z falownikami – Silnik

ad.4. Pomiary silnika.

Pomiary te dzielimy na:
A. sprawdzenie rezystancji uzwojeń silnika,
B. pomiar izolacji uzwojeń,
C. pomiar izolacji silnika


Pamiętaj: Wszystkie pomiary silnika wykonywane są w stanie beznapięciowym. Podczas wykonywania tych pomiarów bezwzględnie kabel zasilania silnika musi być od niego odłączony, w przeciwnym wypadku może dojść do niebezpieczeństwa porażenia lub uszkodzeń napędu !

ad.4.A Pomiar rezystancji uzwojeń silnika.

Pomiar rezystancji uzwojeń silnika wykonujemy zazwyczaj przyrządem pomiarowym ustawionym na zakres pomiaru rezystancji poniżej . Najlepsze do tego celu są dedykowane przyrządy pomiarowe posiadające tzw. mostki do pomiaru rezystancji, które posiadają możliwość pomiaru 4ro przewodowego. W ostateczności jednak możemy posłużyć się miernikiem uniwersalnym oferującym jedynie 2 przewodowy pomiar rezystancji i najmniejszy zakres 10Ω, należy jednak wziąć pod uwagę uchyb jakim obarczony będzie wykonany w ten sposób pomiar.

Pomiary Rezystancji. Do odpowiednich zacisków silnika podłączamy sondy pomiarowe i wykonujemy następujące pomiary:

Zaciski SilnikaOczekiwane pomiary rezystancji uzwojeń silnika
U / V *<<1Ω**
U / W *<<1Ω**
V / W *<<1Ω**
* – podłączenia sond pomiarowych należy dokonać w sposób opisany w dokumentacji posiadanego przyrządu pomiarowego
** – zmierzona rezystancja przy silniku z uzwojeniami połączonymi w gwiazdę powinna być równa dwukrotnej rezystancji uzwojenia podanej w ma tabliczce znamionowej lub w dokumentacji ruchowej silnika. W przypadku kiedy uzwojenia są połączone w trójkąt, zmierzona rezystancja jest równa Rz=2/3 * R = 0,67 R, gdzie R jest rezystancją pojedynczego uzwojenia.

Znaczące różnice otrzymanych pomiarów zarówno między sobą, jak i od wartości oczekiwanych świadczą o uszkodzonym uzwojeniu silnika. W takim wypadku silnik należy oddać do specjalistycznego serwisu lub wymienić na nowy, sprawdzony.

ad.4.B Pomiar izolacji uzwojeń silnika.

Aby wykonać pomiar rezystancji izolacji uzwojeń silnika trójfazowego należy w puszce łączeniowej na silniku wyizolować 6 zacisków trzech uzwojeń silnika (U1, U2, V1, V2, W1, W3). Można to wykonać zdejmując łączówki ustalające układ połączeń silnika (gwiazda / trójkąt), odkręcając uprzednio nakrętki je mocujące. W przypadku, gdy silnik nie jest wyposażony w opisane wcześniej łączówki (połączenia uzwojeń dokonano na stałe), pomiarów nie da się wykonać i należy przejść do następnego punktu 4.C.
Pomiaru rezystancji izolacji uzwojeń dokonujemy odpowiednim przyrządem w sposób opisany w tabeli poniżej, tzn. do jednego z zacisków przyrządu podłączamy zwarte ze sobą obydwie końcówki (U1 i U2) uzwojenia U, do drugiego zacisku zwarte ze sobą końcówki (V1 i V2) uzwojenia V itd.:

Zaciski Uzwojeń SilnikaOczekiwane pomiary rezystancji izolacji
U1+U2 / V1+V2 *>20MΩ
U1+U2 / W1+W2 *>20MΩ
V1+V2 / W1+W2 *>20MΩ
* – biegunowość podłączeń sond pomiarowych nie ma znaczenia chyba, że jest to inaczej opisane w dokumentacji posiadanego przyrządu pomiarowego

Znaczące różnice otrzymanych pomiarów zarówno między sobą, jak i od wartości oczekiwanych świadczą o uszkodzonej izolacji uzwojeń silnika. W takim wypadku silnik należy oddać do specjalistycznego serwisu lub wymienić na nowy, sprawdzony.

ad.4.C Pomiar izolacji silnika.

Pomiaru rezystancji izolacji uzwojeń dokonujemy odpowiednim przyrządem w sposób opisany w tabeli poniżej, tzn. do jednego z zacisków przyrządu podłączamy zwarte ze sobą wszystkie zaciski silnika (U, V i W), drugi zacisk przyrządu podłączamy w miejscu odizolowanym do obudowy (korpusu) silnika, jak to jest opisane niżej:

Zaciski SilnikaOczekiwane pomiary rezystancji izolacji
(+) Korpus Silnika / (-) U+V+W *>20MΩ
* – Właściwą biegunowość sond pomiarowych należy sprawdzić w dokumentacji posiadanego przyrządu pomiarowego

Znaczące różnice otrzymanych pomiarów od wartości oczekiwanych świadczą o uszkodzonej izolacji stojana lub uzwojeń silnika. W takim wypadku silnik należy oddać do specjalistycznego serwisu lub wymienić na nowy, sprawdzony.


Dla pełnej diagnozy napędu należy wykonać również sprawdzenie falownika, w tym celu zapraszamy do przeczytania naszego artykułu „Szybkie sprawdzenie falownika„.


Pamiętaj: Nie próbuj wykonywać samodzielnie napraw, jeśli nie jesteś pewien tego co robisz. W celu zaoszczędzenia czasu i obniżenia mogących powstać w ten sposób dodatkowych kosztów, skorzystaj z wiedzy i doświadczenia wykwalifikowanego serwisu naprawczego.


ZAPRASZAMY

Firma Elektronika Serwis ani autor tego artykułu nie ponoszą w żadnym wypadku jakiejkolwiek odpowiedzialności za powstałe w wyniku działań inspirowanych niniejszym artykułem straty materialne i/lub uszczerbek na zdrowiu.

Szybkie sprawdzenie falownika

Twój falownik pokazuje błąd, wybija zabezpieczenia, nie rusza silnika ? Masz ochotę odesłać go do serwisu ? Zanim to zrobisz, warto wykonać kilka pomiarów aby uzyskać wstępną diagnozę.

falownik Goodrive
falownik Goodrive

Poniżej przedstawię bardzo prostą i szybką metodę pomiarów diagnostycznych falownika w celu ustalenia jego niedomagań. Zanim jednak przystąpisz do pracy, przeczytaj cały artykuł i zastanów się, czy jesteś w stanie wykonać wszystko co tu opisałem, zachowując przy tym warunki bezpieczeństwa ludzi i sprzętu.

Artykuł dotyczy większości falowników / inwerterów / przemienników częstotliwości / serwoinwerterów / serwowzmacniaczy / serwodriwerów o konstrukcji zawierającej układ zasilania jedno- lub trójfazowy oraz układ wyjściowy mocy oparty na tranzystorach lub modułach IGBT w standardowej konfiguracji. Może się jednak zdarzyć, że będziesz miał do czynienia z nietypowymi rozwiązaniami układowymi wykluczającymi wykonanie opisanych przeze mnie pomiarów.

Narzędzia

Przed przystąpieniem do prac przygotuj podstawowe narzędzia, jak na przykład wkrętak (rozmiarem przystosowany do śrub na zaciskach mierzonego falownika). Najważniejszym jednak jest przyrząd pomiarowy. Do naszych celów wystarczy zwykły cyfrowy lub analogowy miernik uniwersalny z opcją pomiaru złącz półprzewodnikowych (zwykle jest to zakres pomiarowy oznaczony symbolem diody). Miernik powinien być wyposażony w sondy pomiarowe i co ważne, w źródło zasilania (baterię) o dobrej kondycji.

Przygotowanie


Przed przystąpieniem do prac odłącz zasilanie falownika wyłącznikiem sieciowym (głównym) maszyny oraz upewnij się, używając posiadanego miernika lub specjalnego testera, czy na przyłączach falownika nie występuje prąd elektryczny.


Odczekaj koniecznie czas potrzebny na rozładowanie się kondensatorów wysokonapięciowych ! Czas ten jest zwykle określony przez producenta i oznaczony na obudowie falownika lub zamieszczony w jego dokumentacji. Niektóre urządzenia posiadają też odpowiednio oznaczoną, zazwyczaj czerwoną, kontrolkę informującą o obecności napięcia na kondensatorach falownika.

Jeśli nie wiesz ile czasu powinieneś odczekać przed przystąpieniem do dalszych prac, załóż bezpieczny czas np. 30 minut. Dla falowników dużej mocy, czas powinien być odpowiednio dłuższy.
Możesz również zmierzyć napięcie pomiędzy zaciskami falownika oznaczanymi zwykle P+ i P- (jeśli Twój falownik takie posiada), jest to napięcie występujące na baterii kondensatorów wysokonapięciowych. Jeśli napięcie to jest większe niż kilka voltów, odczekaj do momentu jego bezpiecznego samoczynnego obniżenia (rozładowania się kondensatorów).
Uwaga: Całkowity brak mierzonego napięcia może być również efektem niesprawności falownika, w takim przypadku zaleca się specjalną ostrożność.


Pamiętaj: Dalsze prace możesz prowadzić jedynie przy stanie beznapięciowym na wszystkich zaciskach falownika !


Teraz odłącz wszystkie przewody elektryczne od strony zasilania oraz od strony przyłączy silnika (również te podłączone do rezystora hamującego, jeśli został zaimplementowany). Przewody PE oraz te, podłączone do zacisków niskonapięciowych sterowania mogą pozostać podłączone.
Sprawdź czy na pewno dobrze wykonałeś powyższe zadanie, w przeciwnym wypadku wyniki pomiarów mogą być błędne a Twój przyrząd pomiarowy będzie narażony na uszkodzenie.

Dla pewności braku napięcia na obwodach mocy falownika i ochrony Twojego przyrządu pomiarowego, na zaciski P+ i P- falownika możesz założyć tymczasowo zworkę z odcinka przewodu lub rezystora rozładowczego o rezystancji kilka kiloomów i mocy kilku watów.
Zworkę tę należy usunąć bezpośrednio przed wykonywaniem pomiarów.

Konstrukcja falownika

W naszych pomiarach traktujemy falownik jako „czarną skrzynkę”, jednak dobrze jest zapoznać się z jego ogólną konstrukcją, aby lepiej zinterpretować otrzymane wyniki.

Schemat blokowy falownika
Schemat blokowy falownika (wariant uproszczony)

W znakomitej większości falowników, zwłaszcza małych i średnich mocy, możemy wyróżnić 2 główne bloki, które opiszemy w dalszej treści:

  1. Blok wejściowy – zasilania
  2. Blok wyjściowy – mocy

ad.1. BLOK ZASILANIA

Blok zasilania składa się zazwyczaj z filtra przeciwzakłóceniowego (czasami filtr taki stanowi oddzielony mechanicznie i elektrycznie moduł, zamontowany często pod radiatorem falownika lub obok niego), oraz obwodu prostownika 1 lub 3 fazowego i baterii kondensatorów.
Prostownik w falownikach małej i średniej mocy zrealizowany jest (szczególnie w tańszych i prostszych modelach) w oparciu o standardowy diodowy, pasywny mostek Graetz’a, czasami zaś jest to mostek sterowany (prostownik aktywny) zrealizowany w oparciu o diody sterowane (tyrystory).
Niezależnie od przyjętego rozwiązania, zadaniem prostownika jest zamiana przemiennego napięcia sieci dostarczonego do falownika, na napięcie stałe służące do zasilenia jego obwodów mocy.

Powstałe za prostownikiem tętnienia prądu są wygładzane za pomocą baterii kondensatorów, która to składa się z jednego lub wielu wysokonapięciowych kondensatorów elektrolitycznych. Pełni ona również bardzo ważną rolę w magazynowaniu i oddawaniu energii w trakcie normalnej pracy falownika.

W przypadku zasilania falownika z jednofazowego napięcia sieci elektroenergetycznej 230VAC, na zaciskach baterii kondensatorów filtrujących pojawia się napięcie ok. 325VDC. W przypadku zaś, kiedy urządzenie zasilane jest trójfazowo z sieci o napięciu międzyfazowym 400VAC, napięcie na kondensatorach wynosi ok. 565VDC.
W praktyce, ze względu na wahania napięcia sieci, jej brak symetrii oraz jakość samych kondensatorów, powyższe napięcia mogą się różnić od wyżej podanych.
Czasami falownik przystosowany jest do zasilania innymi napięciami, lecz nie ma to większego znaczenia dla naszych pomiarów.

Napięcie na baterii kondensatorów jest wyprowadzane zazwyczaj na zaciski falownika oznaczane zwykle jako P+ i P-. Niestety nie wszystkie falowniki mają je dostępne, zwłaszcza urządzenia małej mocy posiadają wyprowadzony jedynie zacisk P+. W takim przypadku nie wykonamy pełnych pomiarów chyba, że zapewnimy sobie dostęp do brakującego zacisku wewnątrz urządzenia.

W skład układu zasilania wchodzi także rezystor startowy. Szerzej o tym rezystorze można przeczytać tutaj.

Rezystor startowy jest umieszczany zwykle szeregowo pomiędzy wyjściem prostownika a baterią kondensatorów filtrujących. Ma on za zadanie ograniczenie prądu ładowania kondensatorów w fazie po włączeniu zasilania. Dzieje się tak, gdyż jego rezystancja wraz z pojemnością kondensatorów tworzą pewną stałą czasową opóźniającą ich ładowanie zmniejszonym prądem.
Procesor falownika sterujący fazą rozruchu urządzenia, po określonym czasie, zwiera (zazwyczaj za pomocą stycznika) zaciski rezystora startowego eliminując tym samym jego wpływ na obwód zasilania falownika w dalszej fazie pracy.
Należy pamiętać, że w konstrukcjach opartych o aktywne zespoły prostownicze (mostki tyrystorowe) rezystor startowy nie jest zwykle stosowany, gdyż sterownik prostownika odpowiednio reguluje prąd ładowania baterii kondensatorów.

Uwaga
W trakcie wykonywania naszych pomiarów, warto uwzględnić obecność rezystora startowego, który podczas pomiarów obwodów zasilania stanowi rezystancję szeregową.

ad.2. BLOK WYJŚCIOWY

Blok wyjściowy falowników jest zwykle zrealizowany w oparciu o moduł lub moduły zwierające tranzystory IGBT. W mniejszych falownikach spotkać można pojedyncze tranzystory IGBT, lecz jest to już coraz rzadszy przypadek. Niezależnie od konstrukcji, z punktu widzenia jego działania, blok wyjściowy ma za zadanie zamienić prąd stały dostarczony z bloku zasilania a konkretnie z jego baterii kondensatorów, na przebieg zmienny (przemienny trójfazowy).
Istnieją również falowniki posiadające wyjścia jednofazowe, jednak nimi nie będziemy się tutaj zajmować, gdyż stanowią mniejszość i obejmują jedynie falowniki małych mocy. Ich pomiar jest identyczny, jak dla falowników o wyjściach trójfazowych z wyłączeniem zacisku brakującej fazy.
Należy również dodać, że niektóre konstrukcje wyposażone są od strony zacisków wyjściowych we wbudowane obciążenia o niewielkiej rezystancji, w takich konstrukcjach wykonanie poprawnych pomiarów jest bardzo utrudnione i wymaga użycia zaawansowanych przyrządów pomiarowych (np. mostka do pomiaru małych rezystancji).

Goodrive
Goodrive

Pomiary

Przed przystąpieniem do pomiarów i po upewnieniu się o braku napięcia na zaciskach falownika, zapewnij sobie swobodny dostęp do punktów pomiarowych, które stanowią zespoły zacisków:

  • Zasilania (przyłącze sieci) – R, S, T (opisywane również jako L1, L2, L3) lub L1, L2 (albo N) w falownikach z zasilaniem jednofazowym
  • Wyjściowe (przyłącze silnika) – U, V, W (opisywane również jako M1, M2, M3 albo T1, T2, T3)
  • Napięcia stałego (na baterii kondensatorów) oznaczane zwykle jako
    P+, P- (opisy ich jednak mogą być różnorakie, należy sprawdzić to w dokumentacji fabrycznej urządzenia)
Zaciski falownika (przykład)

Uwaga
Pomiary należy wykonywać przyrządem ustawionym na zakres pomiaru elementów półprzewodnikowych (zazwyczaj zakres ten jest oznaczony symbolem diody).

Poniżej zamieszczam tabelkę, która obrazuje poszczególne pomiary wraz z ich prawidłowym wynikiem. Niektóre wyniki liczbowe (wartości spadków napięć na złączach półprzewodnikowych) mogą się różnić od wartości przedstawionych w tabeli.

Tabela pomiarów falowników

Tabela do pobrania w formie pliku pdf jest dostępna Tutaj.

Uwaga
Pamiętaj, że wykonane pomiary, o których mówi niniejszy artykuł, mają jedynie charakter orientacyjny i mogą być tylko jednym z wielu czynników pozwalających postawić trafną diagnozę uszkodzeń falownika.

Przykład 1. Jeśli podczas jednego z pomiarów bloku zasilania wykryjesz całkowite zwarcie a dodatkowo falownik przyłączony do zasilania uszkadza, „wybija” zabezpieczenia, możesz być prawie pewny, że falownik ten jest definitywnie uszkodzony.

Przykład 2. Jeśli podczas pomiaru bloku wyjściowego jeden z pomiarów wykazuje odchylenie od podanej wartości a pomiary odłączonego silnika nie wykazują anomalii, nie możesz zdiagnozować w 100% uszkodzenia falownika.


Uwaga: Dla pełnej diagnozy napędu należy wykonać również diagnozę otoczenia falownika, w tym celu zapraszamy do przeczytania naszego artykułu „Diagnoza napędów z falownikami„.


Nie próbuj wykonywać samodzielnie napraw, jeśli nie jesteś pewien tego co robisz. W celu zaoszczędzenia czasu i obniżenia mogących powstać w ten sposób dodatkowych kosztów, skorzystaj z wiedzy i doświadczenia wykwalifikowanego serwisu naprawczego.


ZAPRASZAMY

Firma Elektronika Serwis ani autor tego artykułu nie ponoszą w żadnym wypadku jakiejkolwiek odpowiedzialności za powstałe w wyniku działań inspirowanych niniejszym artykułem straty materialne i/lub uszczerbek na zdrowiu.

Uruchamianie napędu z falownikiem

… czyli praktyczna wiedza na temat podłączania falownika.*

Co należy zrobić i o czym pamiętać zanim podłączysz falownik ?

Przed podłączeniem falownika należy:

  • Sprawdzić czy dane techniczne falownika są zgodne z danymi na tabliczce znamionowej silnika oraz czy zasilanie falownika jest odpowiednie do tego, które zostanie do niego przyłączone w maszynie. Napięcie zasilania zawsze sprawdzamy zanim przyłączymy falownik do układu.
  • Na pewno warto sprawdzić sposób i rodzaj sterowania, ze szczególnym uwzględnieniem zadawania częstotliwości (prędkości). Pomocne tu będą: dokumentacja maszyny (schematy elektryczne) i dokumentacja dostarczona przez producenta / importera montowanego falownika.
  • Sprawdzić czy falownik jest odpowiednio zaprogramowany a jeśli nie, należy zrobić to zgodnie z jego instrukcją programowania.
Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie Depositphotos_13332104_original.jpg
  • Koniecznie sprawdź, czy silnik jest właściwie skonfigurowany (falowniki o zasilaniu jednofazowym – silniki zwykle konfigurowane są „w trójkąt” a o zasilaniu 3-fazowym „w gwiazdę”).

  • Sprawdzić symetryczność uzwojeń silnika (zwłaszcza jeśli nie podłączamy fabrycznie nowego silnika) – za pomocą omomierza, wykonując na najniższym zakresie pomiarowym 3 pomiary rezystancji uzwojeń silnika od strony zacisków falownika (falownik odłączony oczywiście od układu elektrycznego). Mierzymy rezystancję pomiędzy zaciskami U-V, U-W, V-W, wyniki pomiarów muszą być identyczne, w przeciwnym wypadku sprawdzamy silnik oraz okablowanie.
  • Przy pomocy miernika izolacji (induktora) należy sprawdzić czy nie ma doziemienia na żadnej z 3 faz od strony zacisków falownika (podczas pomiarów falownik musi być koniecznie odłączony od układu !).
  • Sprawdzić „ręcznie” (z zachowaniem szczególnej ostrożności !), czy wirnik silnika swobodnie się obraca. Jeśli nie, lub jeśli sprawdzenie takie nie jest możliwe, silnik należy odłączyć mechanicznie od maszyny (np. zdjąć pasek klinowy) i lub wybudować go na zewnątrz.
  • W razie jakichkolwiek wątpliwości dotyczących silnika, należy oddać go do sprawdzenia i ew. naprawy w specjalistycznej firmie. Próba współpracy falownika z wadliwym silnikiem w większości przypadków kończy się poważnymi konsekwencjami (najczęściej ucierpi na tym falownik).
  • Przed przyłączeniem falownika można wykonać rzeczywisty test silnika podłączając go bezpośrednio do sieci zasilającej 3-fazowej. Dotyczy to większości silników 3-fazowych, lecz nie wszystkich.
    (Uwaga: w takim przypadku silnik musi być skonfigurowany zgodnie z jego tabliczką znamionową, zwykle „w gwiazdę”, a jego wirnik musi mieć możliwość swobodnego obrotu – najlepiej odłączyć w tym celu układ mechaniczny).

Przed podaniem napięcia zasilania na falownik (po jego podłączeniu i montażu w maszynie) należy:

  • Sprawdzić poprawność mechanicznego montażu falownika w maszynie lub rozdzielnicy / szafie sterowniczej. Zwrócić uwagę na minimalne odstępy obudowy falownika od innych urządzeń w szafie (odstępy te oraz inne warunki montażu mechanicznego falownika są opisane w dokumentacji producenta urządzenia i powinny być rygorystycznie przestrzegane, gdyż nie stosowanie się do nich skraca bezawaryjny czas pracy lub w ogóle uniemożliwia falownikowi poprawną pracę).
Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie Depositphotos_9382384_original.jpg
  • Sprawdzić poprawność elektrycznego podłączenia falownika, ze szczególnym uwzględnieniem przekrojów i poprawności podłączenia uziemień zarówno od strony zasilania falownika, jak i od strony jego obciążenia (silnika).

  • Sprawdzić poprawność logiczną i elektryczną podłączenia sygnałów sterujących do zacisków sterowania falownika.
  • Sprawdzić czy wszystkie parametry zaprogramowanego falownika są poprawne i zgodne z warunkami jego pracy (parametry dot. silnika, sterowania, sposobu normalnej pracy oraz trybów awaryjnych, itd.). Odpowiednie informacje znajdują się zawsze w dokumentacji fabrycznej falownika.
  • UWAGA: W układzie elektrycznym, pomiędzy zaciskami wyjściowymi falownika a silnikiem nie może być żadnej aparatury rozłączającej, jak styczniki, wyłączniki nadprądowe, itp. (chyba, że producent falownika je dopuszcza, ale sytuacja taka ma miejsce niezwykle rzadko i jest szczegółowo opisana w dokumentacji falownika).

Podczas pracy falownika, tj. gdy falownik jest w trybie „RUN” („Trip”) :

  • ZABRANIA SIĘ kategorycznie odłączania obciążenia falownika (silnika), ani też przyłączania go (nawet jeśli falownik pracuje testowo i bez obciążenia).

  • Należy zadbać o bezprzerwowe zasilanie falownika do momentu zatrzymania silnika i przejścia falownika w stan „STOP”. Trzeba pamiętać, że sterowanie zasilaniem falownika musi być odpowiednio skorelowane ze sterowaniem ruchem silnika, tak aby stycznik zasilania (jeśli jest) nie powodował rozłączania zasilania przed zgłoszeniem zatrzymania się falownika (informację o zatrzymaniu można np. pobrać z jednego z wyjść cyfrowych falownika pod warunkiem jednakże, że falownik ten posiada taką możliwość i jest odpowiednio zaprogramowany).
  • NIE NALEŻY wyłączać zasilania maszyny, a tym samym falownika, kiedy falownik nie jest w trybie „STOP” a silnik nie jest całkowicie zatrzymany. Skraca to wydatnie żywotność falownika, a w pewnych sytuacjach może dojść do niebezpiecznych stanów awaryjnych napędu, z uszkodzeniem urządzeń włącznie.
Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie Depositphotos_13332104_original.jpg
  • Należy pamiętać, że po wyłączeniu napięcia zasilania falownika, ponowne jego włączenie jest możliwe po co najmniej 60 sekundach (o ile dokumentacja tego urządzenia nie nakazuje inaczej). Należy rygorystycznie przestrzegać minimum 60 sekundowego cyklu włączania i wyłączania zasilania falownika.

  • Dozwolona jest dowolna zmiana częstotliwości (prędkości) falownika, jednakże należy pamiętać, że zbyt szybka zmiana nastaw (głównie w przypadku zadawania częstotliwości „ręcznie”, np. za pomocą potencjometru) może doprowadzić do przeciążenia układu napędowego i wystąpienia błędu lub uszkodzenia falownika.
  • Przy pierwszym uruchomieniu napędu należy zadbać, aby ustawiona częstotliwość wyjściowa falownika była taka sama, jak nominalna częstotliwość pracy silnika (zwykle jest to 50Hz). W szczególnych jednak przypadkach dopuszcza się odstąpienie od tej zasady, jednak zawsze należy mieć na uwadze wystąpienie przeciążenia falownika podczas rozbiegu i związane z tym możliwe konsekwencje dla napędu i samego falownika.
  • Podczas uruchamiania napędu należy zwrócić uwagę na to, czy silnik rozpędza się i pracuje równomiernie, bez zacięć i ze stabilną prędkością (równomiernym przyśpieszaniem). W razie jakichkolwiek anomalii należy przerwać uruchomienie i wznowić je następnie po odłączeniu wirnika silnika od układu mechanicznego, jeśli ten jest prawdopodobną przyczyną zauważonych nieprawidłowości.
Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie Depositphotos_13332104_original.jpg
  • W przypadku wystąpienia błędu sygnalizowanego stanem alarmowym falownika i zatrzymaniem napędu, przed skasowaniem błędu i ponownym rozruchem napędu, należy odczekać określony czas wskazany w dokumentacji fabrycznej falownika (zwykle jest to nie mniej niż 60 sekund).

  • Należy pamiętać, że desymetryzacja faz lub skokowa zmiana rezystancji obciążenia elektrycznego falownika (np. odłączenie silnika), w większości przypadków skutkuje USZKODZENIEM falownika.
Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie Depositphotos_9382384_original.jpg
  • Uruchomienie napędu należy przeprowadzać zawsze przy spełnieniu warunków bezpieczeństwa wynikających ze stosowania odpowiednich instrukcji w tym zakresie. Szczegółowe warunki uruchamiania napędów z falownikami są opisane w dokumentacjach falowników i maszyn przemysłowych, w których pracują.

Jeśli po przeczytaniu powyższego artykułu nie rozumiesz zawartych tutaj informacji lub z różnych przyczyn, nie jesteś w stanie zastosować się do powyższych porad, instalację falownika zleć wykwalifikowanemu specjaliście. Na pewno ograniczy to sumaryczne koszty uruchomienia i spowoduje jego szybki przebieg minimalizując potencjalne sytuacje niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi oraz kondycji maszyn.

Instalację i podłączanie serwo-napędów omówimy w innym artykule

*) Niniejszy artykuł dotyczy podłączania i uruchamiania standardowych falowników skalarnych i wektorowych małych i średnich mocy. Obejmuje on przypadki implementacji tych urządzeń w standardowych aplikacjach napędowych i pracujących w typowym dla nich otoczeniu. Zawarte tu porady mają charakter ogólny i nie rozpatrują przypadków szczególnych zatem pamiętaj, że wszystko co robisz, robisz tylko na własną odpowiedzialność. Firma ELEKTRONIKA SERWIS, a w szczególności autor tego artykułu, nie ponoszą jakiejkolwiek odpowiedzialności za ewentualne skutki Twoich działań.

Hybrydowe Moduły IGBT

Większość współczesnych falowników posiada elementy mocy skupione w jednej obudowie układu hybrydowego. Taki układ potocznie nazywa się „modułem IGBT” lub „hybrydowym modułem IGBT” i oprócz tranzystorów IGBT, które są tam głównymi elementami mocy, zawiera często drivery nimi sterujące oraz prostownik trójfazowy.

Moduły IGBT wykonane są w technologii grubowarstwowej w taki sposób, że na płytce ceramicznej napylone są warstwy półprzewodnikowe oraz inne warstwy tworzące elementy bierne. Powierzchnie przewodzące łączone są często poprzez zgrzewanie za pomocą cienkiej srebrzanki, która też łączy nogi układu z elementami jego struktury.
Cały moduł jest zalewany zazwyczaj lepkim żelem o właściwościach dielektrycznych, który ma jednocześnie zabezpieczać delikatną strukturę przed uszkodzeniami mechanicznymi i korozją. Zalewę tą zabezpiecza plastikowa pokrywa zgrzana z pozostałą częścią obudowy układu.
Zewnętrzna strona płytki ceramicznej stanowi zazwyczaj aluminiowy radiator układu, który poprzez naniesioną podczas montażu modułu warstwę pasty o dobrej przewodności termicznej i zewnętrzny radiator, ma za zadanie odprowadzenie ciepła ze struktury układu IGBT do otoczenia.

 

układ hybrydowy IGBT

Na zdjęciu powyżej widać klasyczny moduł hybrydowy IGBT wymontowany z falownika trójfazowego małej mocy. Moduł został pozbawiony pokrywy zewnętrznej.
W strukturze modułu, patrząc od lewej strony, możemy wyróżnić niektóre elementy mocy, a więc: prostownik trójfazowy oraz dwa układy mocy z tranzystorami IGBT służącymi do komutacji wyjść falownika oraz sterowania rezystorem hamowania.
W środkowej części modułu widać uszkodzenia powstałe na skutek korozji struktury.

Moduły IGBT są „sercem” falowników, w związku z tym ich wymiana jest znaczącym kosztem podczas napraw.

Firma ELEKTRONIKA SERWIS wykonuje naprawy falowników, w tym diagnozę i wymianę modułów IGBT.

Patrz: Oferta 

Ciekawostki – „rezystor startowy” falownika

Niemal każdy falownik posiada rodzaj miękkiego ładowania baterii kondensatorów filtrujących jego zasilanie oparty o rezystor, który na roboczo można nazwać „rezystorem startowym„. Nazwa jest o tyle uzasadniona, że rezystor ten działa, przynajmniej w teorii, wyłącznie po podłączeniu zasilania głównego falownika, czyli podczas jego startu. Po naładowaniu się kondensatorów prąd pobierany przez nie jest na tyle mały, że nie jest już potrzebne jego ograniczanie, dlatego rezystor startowy jest po chwili zwierany, najczęściej przez przekaźnik elektromechaniczny.
Istnieją oczywiście dużo bardziej wyrafinowane rozwiązania problemu dużego prądu podczas ładowania kondensatorów filtrujących, jednak układ z rezystorem startowym i przekaźnikiem jest układem klasycznym, szeroko stosowanym w falownikach i inwerterach małej i średniej mocy.

uszkodzony rezystor startowy

Powyżej widać właśnie taki rezystor startowy, którego uszkodzenie polega na przepaleniu się cienkiego drutu oporowego, z którego jest wykonany.

Uszkodzenie tego rezystora powstało po kilkuset godzinach pracy falownika, jednak było to jedynie kilka lub kilkanaście „startów”, czyli cykli załączenia jego pracy podczas przyłączenia zasilania głównego falownika.
Ponieważ uszkodzenie powstało w miejscu mechanicznego połączenia spirali drutu oporowego z elementem montażowym (okładziną) rezystora, należy przypuszczać, że przyczyną powstałej awarii była wada fabryczna tego rezystora polegająca na niewłaściwym połączeniu drutu oporowego z okładziną.

Uszkodzenie rezystora startowego w falowniku objawia się brakiem zasilania filtrów kondensatorowych i w konsekwencji falownik jest „martwy” – pozbawiony zasilania głównego.