Problematika diagnostiky izolačních systémů a prachových částic

Doc. Ing. Veselka, F., CSc., FEKT VUT Brno, UVEE, Technická 12, 616 00  Brno

Ing. Záhejský, P.: FEKT VUT Brno, UVEE, Technická 12, 616 00  Brno

Ing. Shestakov, I.: Omskij gosudarstvennyj universitet putej soobscenija (OmGUPS), Omsk, pr. Marxa 35

Úvod

Rozvoj průmyslové výroby s sebou přinesl značné rozšíření elektrických strojů. Výhodné regulační vlastnosti, vysoká účinnost, chod bez vedlejších škodlivých produktů, poměrně nízká hlučnost a čistý provoz. To vše jsou přednosti, pro které jsou elektrické stroje využívány.

Velké množství používaných elektrických strojů točivých je vybaveno kluzným kontaktem kartáč – komutátor nebo kartáč – kroužek, který zajišťuje přenos proudu mezi statorem a rotorem. Samotný přenos proudu i děje v kluzném kontaktu s sebou přináší řadu problémů.

Komponenty kluzného kontaktu

V točivých elektrických strojích působí magnetické pole vytvářené póly (elektromagnety) na vodiče protékané proudem v kotvě. Existují ovšem i elektrické stroje, například asynchronní motory s kotvou nakrátko, jejichž rotor nepotřebuje elektrické spojení s vnějším obvodem. U většiny ostatních strojů je ovšem nutné elektrické propojení otáčející se části stroje s vnějším obvodem. Do rotoru je nutno [1]:

• přivést elektrickou energii nutnou pro chod stroje,
• odvést vyrobenou elektrickou energii z kotvy stroje,
• přivést k otáčejícímu se rotoru elektrickou energii nutnou pro vytvoření magnetického pole ve stroji,
• řídit proud nebo otáčky elektrického stroje pomocí zařízení umístěného mimo tento stroj,
• ve speciálních případech z jakýchkoliv jiných důvodů přenést elektrickou energii.

Výše uvedený přenos elektrické energie zprostředkovává na statoru sběrací ústrojí a na rotoru komutátor nebo kroužky. Na rozhraní sběracího ústrojí a kroužků (komutátoru) musí dojít k elektrickému spojení uskutečněného kluzným kontaktem. Důležitou podmínkou pro zajištění jeho správné funkce je, aby nedocházelo k nadměrnému jiskření a opotřebení kartáčů. Je nutné zajistit dobré elektrické a mechanické spojení kluzných komponent na statoru a rotoru. Základními aktivními prvky kluzného kontaktu, tzn. součásti, které se po sobě třou, vedou elektrický proud a aktivně se podílejí na dějích v kluzném kontaktu, jsou [1]:

• kartáče,
• komutátory, nebo kroužky.

Pomocným zařízením na statoru je sběrací ústrojí. Z hlediska posuzování jevů v kluzném kontaktu a činností jednotlivých součástí je účelné provést rozdělení podle charakteru kluzných ploch a podle druhu přenášeného proudu. Z tohoto pohledu existuje kluzný kontakt [1]:

• kartáč – kroužek přenášející stejnosměrný proud,
• kartáč – kroužek přenášející střídavý proud,
• kartáč – komutátor přenášející stejnosměrný proud,
• kartáč – komutátor přenášející střídavý proud.

Mezi oběma uvedenými hlavními skupinami, kartáč – komutátor a kartáč – kroužek v elektrických točivých strojích existují zásadní mechanické a elektrické rozdíly. Mechanické rozdíly spočívají v tom, že kroužky mají celistvý povrch na rozdíl od komutátorů. Pracovní poloha kartáčů je zpravidla taková, že jejich delší rozměr je rovnoběžný se směrem otáčení kroužku. Rozmístění kartáčů po obvodu není závislé na počtu pólů stroje [1].

 Komutátory jsou složeny z lamel. Jejich vnější plocha není tudíž celistvá, mají drážky, které jsou rovnoběžné s osou stroje. Kartáče zde pracují tak, že jejich kratší rozměr je rovnoběžný se směrem otáčení. Mechanické podmínky jsou pro oba druhy kluzných kontaktů značně rozdílné [1].

Elektrické rozdíly mezi kluzným kontaktem kartáč – kroužek a kartáč – komutátor spočívají v tom, že kontakt kartáč – kroužek má za úkol pouze vedení proudu z otáčející se části do vnějšího prostoru a naopak [1].

Kontakt kartáč – komutátor plní kromě funkce přenosu proudu ještě další úkoly, jako např. zajištovat elektrické spojení lamel komutátoru, na něž jsou připojeny komutující cívky a vyrovnávat rozdíly mezi kompenzačním a reaktančním napětím v komutující cívce. Elektricky je tedy kluzný kontakt kartáč – komutátor mnohem složitější [1].

Analýza jevů, působících na kluzný kontakt, jeho opotřebení a životnost

Na reálných strojích je funkce kluzného kontaktu ovlivňována řadou činitelů a to např. oteplením kluzných komponentů, mechanickými i elektrickými ztráty, teplotou i vlhkostí prostředí, atd. Velmi významným činitelem je i čistota okolního prostředí a nejde jen o absolutní obsah nečistot, ale i o jejich chemické složení.

Vliv okolního prostředí

Z atmosférických vlivů působí na opotřebení zvláště [1]:

• vlhkost,
• nečistoty v chladícím vzduchu,
• olejové výpary,
• silikonové výpary.

Nepříznivý vliv vlhkosti je podmíněn velikostí absolutní hodnoty vlhkosti okolního vzduchu. Je-li absolutní vlhkost v normálních mezích, bude pak i opotřebení kartáčů normální. Přítomnost vlhkosti v kluzné ploše se určuje velmi obtížně, přesnější závěry by mohly být učiněny podle vlhkosti chladícího vzduchu [1].

V provozních podmínkách ovšem představují mnohem větší problém nečistoty obsažené v chladícím vzduchu. Tyto nečistoty mohou přispívat ke zvýšenému opotřebené kartáčů. Jejich vliv se také může projevit narušením patiny na komutátoru [1].

Větším problémem se nečistoty v chladícím médiu stávají při společném působení s oleji, jejichž páry mohou unikat například z ložisek. Směs prachu a oleje může vytvořit účinnou abrasivní složku působící na oba kluzné komponenty [1].

Vliv parametrů stroje

Chod elektrického stroje ovlivňuje řada parametrů, jako např. výkon, otáčky, proudové zatížení, celkový technický stav stroje, oteplení, opotřebení atd. V následující části je posuzován vliv proudového zatížení, oteplení kluzného kontaktu a opotřebení kartáčů, komutátoru a kroužků.

Posouzení vlivu proudového zatížení

Stroje v provozních podmínkách mají většinou okamžité proudové zatížení kartáčů odlišné od jmenovitého zatížení. Velikost daného proudového zatížení je totiž dána činností a potřebou daného pohonu nebo sítě. Tzn., že proudové zatížení může kolísat, nemělo by ale překročit jmenovitou hodnotu [1].

Řada pohonů je z různých důvodů předimenzována. To znamená že, skutečný proud procházející kartáči je nižší než jmenovitý. Tato skutečnost je ale značně škodlivá pro funkci kluzného kontaktu [1].

U většiny elektrických stojů nepracuje v řadě pouze jeden kartáč. U velkých strojů může být počet kartáčů i více než 10. Tyto kartáče se nazývají paralelně pracující. Proudové zatížení paralelně pracujících kartáčů není nikdy stejné. Z tohoto důvodu je potřeba věnovat tomuto problému značnou pozornost. Může se stát, že na přenosu proudu se bude podílet jen několik málo kartáčů a ty budou značně přetížené [1].

Vliv oteplení kluzného kontaktu

Oteplení kartáčů, držáků kartáčů, komutátoru i kroužků je způsobeno ztrátami, vznikajícími v kluzném kontaktu. Ztráty v kluzném kontaktu můžeme rozdělit na [1].

• ztráty mechanické,
• ztráty elektrické,
• ztráty komutační,
• ztráty ventilační a třecí.

Ztráty mechanické a elektrické jsou základními ztrátami v kluzném kontaktu a uplatňují se vždy [1].

Ztráty komutační se uplatní pouze při komutaci, která je doprovázena jiskřením. Čím vyšší je úroveň jiskření, tím vyšší jsou komutační ztráty. V extrémních případech mohou být i vyšší než ztráty mechanické a elektrické. Tyto ztráty jsou dány součinem přechodového odporu a čtverce proudu komutující cívky. Komutační ztráty jsou obtížně měřitelné [1].

Ztráty ventilační a třecí můžeme při malých obvodových rychlostech komutátoru zanedbat. Při rychlostech přesahujících 40 m.s^-1 jsou již ventilační ztráty nezanedbatelné. Tyto ztráty vznikají průchodem chladícího média přes povrch komutátoru a dále třením povrchu komutátoru o chladící médium [1].

Analýza velikosti opotřebení kartáčů, komutátoru a kroužků

Je všeobecně známo, že jakákoliv dvě tělesa nemohou po sobě klouzat, aniž by nedocházelo k jejich opotřebení. To samozřejmě platí i pro komutátor (kroužky) a kartáče. Míra opotřebení kartáčů musí být únosná nejen s ohledem na dobrou komutaci, ale i z hlediska ekonomického. Podobně i komutátor a kroužky nesmí vykazovat značné opotřebení a s tím spojené vícepráce a náklady [1]. Tato problematika je studována v odborné literatuře. Na obr. 1. je znázorněno rozdělení tření podle média ve stykové ploše a na obr. 2 je prezentováno působení elektrického proudu na oblast tření v kluzném kontaktu.

Běžná preventivní údržba elektrických strojů spočívá v podstatě v udržování čistoty vnitřního i vnějšího prostoru stroje a dále ve výměně opotřebovávajících se částech el. stroje. Jen výjimečně se provádí údržba ložisek, přimazávání, atd.

U stejnosměrných strojů a u strojů s kroužky jsou jediným opotřebovávaným elementem v krátkém časovém horizontu pouze kartáče. Z analýzy běžných oprav a preventivních prohlídek lze zjistit, že nejvíce času je věnováno údržbě sběracího ústrojí, kartáčů a komutátoru.

Degradace izolačních materiálů

Nedílnou součástí každého elektrického točivého stroje je jeho izolační systém, bez kterého nemůže pracovat a který plní funkci jednak ochrany daného stroje před vnějším poškozením a dále minimalizuje vnitřně strukturní poškození mezi živými částmi. Představuje tedy nejnamáhanější část elektrického točivého stroje. Požadavky na něj kladené jsou značně vysoké. Proto se na základě významnosti této části stroje provádějí různé diagnostické měření a zkoušky, mající vypovídací hodnotu o stavu izolačního systému, případně dějů v něm probíhajících. Na základě toho se vyhodnocuje míra pravděpodobnosti poškození v dalším období, případně doba života daného stroje s následnými opatřeními tak, aby stroj naopak pracoval s optimálními parametry co nejdelší dobu.

Diagnostika točivých elektrických strojů

V praxi se velmi často setkáváme s točivými elektrickými stroji různého druhu, jež slouží hlavně k pohonu různých zařízení, případně jsou zdrojem energie. Každý točivý elektrický stroj má svou mechanickou a elektrickou část, přičemž obě tyto části ovlivňují jeho míru spolehlivosti přibližně stejně. V elektrické části dochází ke ztrátě funkčnosti především v izolačním systému vinutí, což následně vede ke ztrátě elektrické pevnosti a k nežádoucímu elektrickému průrazu. To způsobí havarijní stav stroje a jeho odstávku. Proto se provádějí pravidelné diagnostické měření, které umožní posoudit, v jakém stavu se izolační část stroje nachází.

Izolace elektrických strojů

U větších strojů, při větších výkonech a provozních napětí, je izolační systém více namáhaný. Kvalita izolačního systému, vedle konstrukčního řešení samotného stroje je rozhodující pro výsledné vlastnosti stroje, zvláště pro jeho výkon a s tím spojenou spolehlivost. Izolační systémy točivých strojů jsou tvořeny celou řadou elektroizolačních materiálů. Proto je nezbytný vhodný výběr a opracování těchto jednotlivých izolačních částí stroje, což má ve výsledku vliv na celkovou účinnost daného zařízení.

V případě izolačních systémů se chce dosáhnout pokud možno nejmenší tloušťky izolace při zachování její životnosti. Toho je možné dosáhnout výrobou a zpracováním izolačních materiálů s nejkvalitnějšími parametry, s nejmenším rozptylem jejich vlastností a samozřejmě za co nejnižší cenu.

Při volbě izolačního systému je nutné respektovat vliv mnoha činitelů, a proto musí výrobce znát pro správnou volbu izolantu následující výchozí podmínky:

• základní vlastnosti izolantu a vliv ostatních složek systému,
• vliv technologie na změnu vlastnosti izolantu,
• provozní podmínky elektrického zařízení a vliv pracovního prostředí,
• požadavky na životnost zařízení a provozní bezpečnost,
• ekonomické požadavky na elektrická zařízení.

Vysokonapěťové izolace velkých strojů s velkými výkony jsou mnohonásobně více namáhanější, než izolační systém strojů s nižšími provozními parametry. Proto je nezbytné, aby si během celého svého chodu zachovaly nejen elektrické, ale i mechanické vlastnosti. Požadavky kladené na ně jsou velké, a proto jsou i jednotlivě specifikovány vlastnosti, které musí být striktně dodrženy.

Vliv teploty na izolační materiál

Vliv oteplení stroje nežádoucím způsobem ovlivňuje použité izolační materiály ve stroji. Klíčové faktory pro správný druh izolace jsou tři: typ stroje, velikost stroje a třída izolace. Rozlišujeme izolaci samotných vodičů, izolaci čel cívek vinutí a drážkovou izolaci, která v elektrických strojích zvyšuje odolnost proti průraznému napětí. Dilatační změny izolace vlivem fluktuace teploty představují jen jeden z faktorů, které narušují celistvost a kompatibilitu izolace. Mezi ty další významné, je v nemalé míře zkrat, nadproud, změny napětí, mechanické nečistoty, vibrace, atd. Procesy stárnutí a oslabování izolace se odvíjejí i od druhu prostředí, ve kterém se daný stroj nachází. Tepelné třídy izolantů klasifikují tepelnou odolnost izolačních materiálů z hlediska maximální teploty, při které izolační systém při trvalém, resp. cyklickém namáhání vykazuje optimální životnost, při respektování všech doprovázejících aspektů a vlivech dopadajících na dané zařízení. Kvantitativní vyjádření tepelného stárnutí definoval V. M. Montsinger, zkoumající dobu života papírové izolace vodičů v olejových transformátorech. Posuzován byl úbytek mechanické pevnosti daného papíru v závislosti na konstantní teplotě v rozmezí teplot 90 – 110 º C [2].

Tyto výsledky je možné vyjádřit exponenciální funkcí, udávající závislost doby života izolace na teplotě ve tvaru [2]:

• t – doba života,
• m, A – materiálové konstanty,
• 𝝊 – konstantní teplota.

Důsledkem této teorie bylo zjištění, že pokud se oteplení izolace zvýší o 8° C, dojde ke snížení doby života izolace na polovinu, a naopak při poklesu o 8° C se doba života zdvojnásobí. Nicméně tyto teorie platí jen pro papírovou izolaci v transformátorovém oleji a pro úzký rozsah teplot. Proto se tento původní empirický vztah modifikoval, aby pojal stárnutí izolace v obecnějším měřítku. Ve skutečnosti je totiž životnost izolace závislá i na charakteru provozu elektrického stroje, tj. na době zatížení [2].

Vliv prachu na provoz elektrických zařízení

S rostoucími nároky na mechanizaci řady ručních prací, na bezproblémový a plně funkční provoz elektrického ručního nářadí, se zvyšuje význam diagnostiky a kontroly jednotlivých komponent kluzného kontaktu. Hlavním úkolem je zajištění korektního a dlouhodobého chodu, jeho funkčnosti, při respektování eliminace přímého ohrožení člověka na zdraví.

Konstruktéři elektrických strojů se proto snaží zajistit bezproblémový a plně funkční provoz i ve velmi specifických podmínkách, což klade mimo jiné velmi vysoké nároky i na izolační systémy elektrických strojů. To je aktuální zejména u úhlových brusek, obr. 3, které pracují ve velmi specifických podmínkách. Brusky musí odolávat nejen prostředí, ve kterém jsou provozovány, ale také prachu, který vzniká při využívání různých typů brusných, či řezných kotoučů. Z tohoto důvodu byly studovány vzorky prachu z různých dostupných brusných kotoučů v závislosti na opotřebení kartáčů úhlové brusky.

Analýza prachových částic umožnuje zahrnout posouzení existujícího prachu v okolí, dále vytvářeného prachu různými typy kotoučů, množství prachu nasávaného strojem a prachu vznikajícího při opotřebovávání kartáčů. Analýza struktury byla prováděna s využitím elektronového mikroskopu a prezentována je na obrázcích 4 – 7. Získané a uváděné geometrie prachových částic představují významné, limitující mechanické omezení práce kluzného kontaktu u těchto strojů.

Posuzovaný vzorek prachu z kotouče 40 zrnitosti je představován materiálem z Fe a C. Převažují drobné částice, převážně kulovitého tvaru. Patrné jsou však i podélné proužky různé délky a šířky. Jen některé částice mají ostré hrany. Největší částice dosahuje velikosti 300 µm. Šířka proužků činí od 18,9 do 69,9 um.

Převažují částice Fe (77,5%) a C (11,8%). Z geometrie částic lze usoudit, že při dělení materiálu dochází k vývinu velkého množství tepla a částice budou mít vysokou teplotu. V důsledku toho může dojít k mechanicko-tepelnému poškození izolačního systému stroje.

Posuzovaný vzorek prachu z kotouče 40 zrnitosti je představován převážně strukturou podélných částic v průměru o  délce až 750 μm. Jen ojediněle je  zastoupen materiál ve  tvaru koule. Kulovité útvary jsou malé o velikosti 180 μm. Částice jsou různě tvarovány a zkrouceny  podél vlastní osy. Patrné jsou ostré a roztřepené okraje. S ohledem na celkovou délku těchto částic lze předpokládat, jejich průchod vnitřními částmi stroje  nebude jednoduchý, laminární, ale naopak turbulentní s negativními důsledky na izolační systém stroje. Navíc se tyto částice mohou zachytávat v těch částech stroje, kde proud chladicího média  nebude mít dostatečnou intenzitu.

Převažují částice Fe (78,1%) a C (9,2%).  Z geometrie částic lze usoudit, že při dělení materiálu dochází k vývinu velkého množství tepla a částice budou mít vysokou teplotu.. V důsledku toho může dojít k mechanicko – tepelnému poškození izolačního systému stroje.

Narex – české nářadí

Firma NAREX Česká Lípa a. s., podobně jako většina firem, prodělává po privatizaci významný vývoj v orientaci na zákazníka a trh. Nastalo výrazné zkvalitnění práce, revizí, výrobní technologie i samotných pracovních postupů, zvýšily se investice do špičkových obráběcích strojů. To všechno jsou faktory, které výrazně ovlivňují kvalitu finálních výrobků. Důkazem toho je získání certifikátu ISO 9001 od EZU a renomované švýcarské firmy SGS. To se promítlo i do ucelené kolekce nářadí pro profesionály, označená PROTOOL. Světovou novinkou této řady je zabudování samovyvažovací jednotky do velkých úhlových brusek, které se prodávají pod označením AGP 180-1 a AGP 230-1. Výhodami těchto brusek je:

• omezení vibrací,
• ochrana zdraví uživatelů před škodlivými účinky vibrací,
• snadné a bezpečné ovládání brusky,
• vyšší komfort obsluhy zlepšuje brusnou kvalitu a zvyšuje celkovou účinnost,
• delší životnost stroje v důsledku menšího zatížení,
• menší opotřebení brusného kotouče,
• v podstatě neomezená životnost samovyvažovací jednotky.

Dalšími netradičními novinkami této řady jsou:

• excentrická bruska,
• průmyslové vysavače,
• malá úhlová bruska s průměrem kotouče 115 mm.

Posouzení významu mechanických vlastností polymerních materiálů při aplikaci v elektrickém stroji s kluzným kontaktem

Je charakteristické, že historie elektrotechniky i plastů, tj. polymerních materiálů, má už od začátku mnoho styčných bodů. Nejstarší tuhý umělý polymerní materiál je ebonit. Byl poprvé připraven v roce 1840 vulkanizací přírodního kaučuku s velkým množstvím síry. Ebonit vstoupil do historie elektrotechniky klasickými pokusy se statickou elektřinou, ale především byl dlouhou dobu nenahraditelný v technice pro jedinečnou kombinaci mechanických a elektrických vlastností. Stále se ostatně vyrábí. V roce 1926 vypršela platnost základního Baekelandova patentu z roku 1909 na výrobu fenolformaldehydových pryskyřic (bakelitu) při zvýšené teplotě a tlaku. Tím zaniklo monopolní postavení společnosti General Bakelite Company a počet výrobců bakelitu začal na celém světě pronikavě růst. Mezi nejvýznamnější odběratele bakelitu patřil opět elektrotechnický průmysl. Třetím názorným příkladem polymeru zajímavého pro elektrotechniku je polytetrafluorethylen, teflon. Tento polymer má konstantní poměrnou permitivitu 2,1 ve frekvenčním intervalu 60 až 109 Hz, nízký ztrátový činitel a značný měrný odpor, který zůstává vysoký dokonce i po krátkodobém navlhčení. K tomu přistupují vynikající mechanické a tepelné vlastnosti: vysoká houževnatost, nízký koeficient tření a ovšem odolnost proti vysokým teplotám. Teflon, který byl poprvé syntetizován v roce 1938, se stal takřka okamžitě „strategickým” polymerem, důležitým např. pro konstrukci radiolokátorů. Tyto příklady dokumentují, že konstruktéři různých elektrických zařízení a přístrojů vždy velmi brzy využili výhody aplikace nových plastů. Jsou výhodné nejen svými elektrickými vlastnostmi, ale také snadnou zpracovatelností a relativně nízkou cenou. Mechanické vlastnosti plastů použitých v elektrotechnice hrají zdánlivě až druhořadou roli, ale ve skutečnosti jsou to právě ony, které velmi často rozhodují o spolehlivé funkci a životnosti daného zařízení. Je nesporné, že pouze materiály s určitou optimální kombinací elektrických i mechanických vlastností mají naději na úspěšné využití v elektrotechnice. Na obr. 8  je prezentováno ideové schéma vzájemného působení polymerů s kovem [2].

V mechanickém chování polymerních materiálů je ze všech vnějších faktorů nejdůležitější čas. Zatímco u kovů lze mluvit o modulu pružnosti nebo pevnosti v tahu, které se v určitém  rozmezí experimentálních podmínek prakticky nemění, plasty jsou doslova materiály na čas „citlivé”. Údaje mechanických charakteristik těchto materiálů jsou bezcenné, pokud se současně nespecifikuje experimentální časové měřítko (a ovšem také teplota). Vliv času vynikne při působení konstantního vnějšího mechanického napětí na zkušební vzorek. Deformace zde s časem plynule narůstá a modul pružnosti v důsledku toho naopak klesá. Tento jev se nazývá creep (český termín „tečení” se dosud plně neujal). Závislost mezi životností t_b (dobou do přetržení), napětím σ a absolutní teplotou T pro celou řadu polymerů velmi podrobně prozkoumal Žurkov se svými spolupracovníky [2].

Žurkovova koncepce má význam nejen pro teorii strukturních procesů, které rozhodují o pevnostním chování polymerů, ale umožňuje také prakticky významnou prognostiku životnosti polymerních materiálů při známém provozním napětí. Jakmile se totiž jednou stanoví parametry Žurkovovy rovnice v určitém experimentálně dostupném intervalu časů, napětí a teplot, lze její platnost extrapolovat do oblasti delších nebo i kratších časů. Třebaže takto vypočtené hodnoty životnosti nelze přijímat zcela mechanicky, poskytují v každém případě k dlouhodobým předpovědím užitečné východisko. V podstatě platí, že dlouhodobý experiment při nízké teplotě lze nahradit krátkodobým pokusem při zvýšené teplotě [2].

Při popisu vlivu času na mechanické vlastnosti polymerů nelze pominout dlouhodobé procesy, které pozvolna probíhají v samotné základní struktuře materiálu. Tyto děje jsou dílem spontánním, dílem vyvolané vnějšími vlivy a všechny se zahrnují do souhrnného termínu „stárnutí”. Amorfní látky jsou pod teplotou skelného přechodu T, v nerovnovážném nestabilním stavu a s časem se jen zvolna rovnováze přibližují. To je spontánní, tzv. fyzikální stárnutí [2]. Jednotlivé mechanické vlastnosti se při něm mění ve stejném smyslu jako při ochlazení pod určitou teplotu. Materiál s časem křehne, zvyšuje svoji tuhost, vzrůstá mechanické tlumení, atd. V praxi však bývá významnější chemické stárnutí způsobené vnějšími vlivy (termodegradace, fotooxidační degradace, chemická koroze, atd.). Stejně jako lomové procesy, ani chemická degradace materiálu není rovnoměrná v celém jeho objemu, ale začíná přednostně v místech defektů, poruch nebo nečistot a jejich okolí pak i dále postihuje přednostně. Při působení vnějšího napětí potom narušená místa působí jako zárodky trhlin, ty se dále rozvíjejí a urychlují svůj růst, až posléze v nejvíce postižené (nebo nejvíce napjaté) oblasti proběhnou celým průřezem tělesa a přivodí katastrofický lom. I po tomto makroskopickém zhroucení tělesa nemusí ještě materiál mimo bezprostřední okolí lomové plochy vykazovat zřetelnější degradační změny. Specifickou zvláštností polymerů je, že také plastická deformace vyvolaná vnějším tahovým napětím je lokalizovaná. Soustřeďuje se do malých plochých oblastí, které tvarem připomínají trhliny, ale jsou vyplněny vysoce orientovaným materiálem a přenášejí tedy vnější napětí. Anglicky se taková orientovaná zóna v polymeru nazývá „craze‘‘. V české odborné terminologii se dosud neujal jednotný a jednoznačný ekvivalent slova „craze‘‘, i když nedávno navržený termín „puklina” (na rozdíl od skutečné „trhliny”) dosti dobře vystihuje charakter tohoto defektu: není otevřený a nepůsobí ještě rozpad tělesa. Rozdíl mezi trhlinou a „puklinou” (crazem) je schematicky znázorněn na obr. 9 [2].

Pukliny vznikají v zatíženém polymeru až po určité inkubační době. V první fázi ovlivňují mechanické chování příznivě, protože absorbují mechanickou energii a zvyšují tak houževnatost. Po určité době se možnosti plastické deformace vyčerpají, v puklinách se začínají rozvíjet skutečné otevřené trhliny a materiál zkřehne. Náhlý křehký lom zatíženého tělesa může být velmi nepříjemným překvapením pro uživatele, zejména u rozměrnějších výrobků. Zvláště nebezpečná je tzv. koroze pod napětím, kdy je zkřehnutí materiálu způsobeno současným působením mechanického napětí a aktivního prostředí. Různá rozpouštědla a povrchově aktivní látky totiž přednostně napadají orientované svazky molekulárních řetězců uvnitř puklin, rychle je přerušují jako jakési „chemické nůžky” a přeměňují tak pukliny v ostré otevřené trhliny. Schematicky to znázorňuje obr. 10 [2]:

Průběh deformace při tečení (creepu) není příliš ovlivněn vnějším prostředím až do iniciace puklin. V tomto okamžiku však pronikavě vzrůstá citlivost materiálu na vnější vlivy. V přítomnosti aktivního prostředí pak těleso velmi rychle spěje ke křehkému lomu. Navíc je nástup křehkého lomu natolik náhodný, že výsledná životnost je zatížena značným rozptylem [2].

Plasty určené pro konstrukční aplikace by měly mít vysokou tuhost a tvarovou stálost a současně přiměřenou houževnatost, tj. odolnost proti nárazu, případně šíření trhliny. Tyto dva požadavky jsou do jisté míry protichůdné, protože vysokou houževnatost podmiňuje přítomnost účinných mechanismů pohlcení a rozptýlení mechanické energie. Z toho zase vyplývá schopnost určité deformace a tedy snížená tuhost. Řešením jsou polymerní kompozity, materiály, které např. kombinují tuhost výztuhy s houževnatostí spojité matrice. K tomu přistupuje ještě příznivý vliv rozhraní mezi fázemi, které vytváří bariéru proti šíření trhliny. Některé typické mechanismy, které brzdí rozvoj trhliny v polymerních kompozitech, jsou schematicky znázorněny na obr. 11 – 14 [2].

Zvýšení houževnatosti a tuhosti nicméně není jediným motivem vytváření složených materiálů. Cílem může být také vysoká pevnost nebo odolnost proti otěru, snížená teplotní roztažnost, větší elektrická vodivost, v některých případech pak jednoduše nižší cena a menší výrobní energetická náročnost materiálu [2].

Diagnostické metody:

Metoda prachových částic

Velikost lineárního opotřebení kartáčů u elektrických strojů s kluzným kontaktem je důležitým ukazatelem účinnosti, spolehlivosti a bezpečnosti sběracího ústrojí elektrického stroje. Exaktní, experimentální stanovení velikosti opotřebení je časově velmi náročné, spojené s rutinními úkoly – např. potřebou udržet konstantní po dlouhou dobu různé klíčové faktory, které ovlivňují velikost opotřebení, neboť jeho hodnota je obvykle pouze několik milimetrů na 1000 hodin provozu takového stroje [5].

Radikální zkrácení doby potřebné k určení velikosti opotřebení umožňuje vyvinutá měřicí metoda, využívající heuristického principu z tvorby a řešení inovačních zadání “zvrátit škodu v užitek”. Metoda je založena na zachycování prachových částic po dobu několika minut v daném provozním stavu stroje a provedení jejich následné analýzy s využitím i optického mikroskopu [5].

Vlastní měřicí zařízení, obr. 15, představuje bypass se skleněným sklíčkem. Sklíčko je instalováno uvnitř laboratorní sestavy s tenkou vrstvou oleje na jeho povrchu a se zachycenými prachovými částicemi se pak vyjme a fotografuje se pod lékařským mikroskopem při 50-násobném a 130-násobném zvětšení [5].

Měřicí přípravek umožňuje během několika minut získat experimentální data pro rychlé posouzení  stavu a velikosti opotřebení kartáčů elektrického stroje s využitím i optického  mikroskopu v laboratorních i provozních podmínkách. Dále umožňuje porovnání a analýzu vlivu různých faktorů, ovlivňujících velikost opotřebení kartáčů s využitím aproximace funkcí  N=ae^-bd  a s přihlédnutím k prachovým částicím s d_ekv  2 mm³. Je možné kvalitativní vyhodnocení velikosti objemu prachových částic, které jsou produktem opotřebení kartáčů, při využití i optického mikroskopu vyžaduje použití matematického modelu typu     s respektováním systematické chyby  měření  při měření na přípravku. Měřicí přípravek umožňuje provádění i různých ekologických a provozních analýz [5].

Fyzikální základy použité metody vlnové odezvy pro diagnostiku stavu mezizávitové izolace kotevních vinutí trakčních motorů.

Metoda vlnové odezvy je jednou z nejnovějších a nejperspektivnějších metod objasňující a lokalizující poškození mezizávitové izolace cívek el. strojů za situace, kdy průrazy izolace jsou jedním z nejcharakterističtějších poruch vybavení el. strojů [6].

Krátce bude posouzena vlastní metodika diagnostikování. Při testování vinutí se přivádí na cívku (vinutí) pravoúhlé impulsy, v důsledku čeho na sestupné části impulsů vznikají vlnové tlumené kmity (vlnové odezvy) jejichž parametry závisí na stavu izolace. Ke zvláštnostem testování izolace kotevních vinutí ss el. strojů touto metodou patří [6]:

• nezávislost na otáčení kotvy v průběhu testování (zkoušení)
• skutečnost, že velikost změny parametrů vlnových odezev při otáčení kotvy lze použít jako diagnostický parametr.

Studium podstaty procesů vytvářejících vznik ve vinutí při jejich testování pravoúhlými impulsy a určujících jejich reakci na vznik poškození izolace je prvotní úlohou při formulaci vědeckého přístupu k využití metody vlnové odezvy v praxi [6].

Jako příklad uvažujeme zjednodušené schéma zapojení jedné paralelní větve vinutí kotvy, jehož jeden element je znázorněn na obr.18 [6].

Na obr. 18. bylo použito následujícího označení. u-napětí, x-souřadnice délky (délková souřadnice) vinutí, R,L,K odpor, indukčnost, podélná mezizávitová kapacita, odpovídající jednotce délky. Pro zobrazený element na obr. 18 jsou správné odpovídající vztahy [6]:

Rovnice (1) charakterizuje stojící vlnu. V procesu testování se diagnostické impulzy na začátku vinutí rozdělí na vlny s postupnou změnou, která promítá do vinutí a na odraženou vlnu. Při dosažení konce vinutí klesající vlna se odrazí, vytváří stojící vlnu, jejíž parametry závisí nejen na elektrických, ale i geometrických parametrech studovaného vinutí [6].

U reálného vinutí kmity, vznikají jako výsledek působení diagnostických impulsů, zanikají, tlumí se, energie se spotřebuje na vznik vířivých proudů, zanedbatelná část energie se rozptyluje na aktivním odporu vinutí [6].

Uvažujeme-li tlumený charakter vlnové odezvy, můžeme popsat stojatou vlnu v průběhu testování vztahem:

Experimentální výzkumy prokázaly, že na délce jedné paralelní větve vinutí kotvy při neexistenci zkratu existuje jedna kmitna (vrchol) stojící vlny proudu ve středu větve a dva uzly na krajích. Jinými slovy, na délce větve existuje půlperioda prostorových kmitů stojící vlny proudu. V takovém případě je možno psát α=π a stojící vlna ve vinutí kotvy bude popsána rovnicí [6]:

Je nutno ovšem uvést, že uvedené zjednodušení je správné (použitelné) pouze pro základní harmonickou prostorových a časových kmitů. V procesu experimentálních zkoušek nebyl zjištěn významný vliv u vyšších harmonických na výsledky zkoušek [6].

Počáteční hodnota proudu I₀ v rovnici (14) může být vyjádřena:

Odpor rozložené větve v rovnici (15) zahrnuje aktivní odpor testovaného vinutí, odpor regulačního odporu a vnitřní odpor napájecího zdroje [6].

Část vlnové odezvy , sestrojený podle rovnice (14) je znázorněn na obr.19.

Na obr. 19 značí: T periodu kmitů s časovou frekvencí ω, l délku vinutí (paralelní větve). Z obrázku je zřejmé, že maximální velikost amplitudy vlnových reakcí vzniká ve středu vinutí, přitom na krajích vinutí kmity neexistují. Podobné procesy se vytvářejí (lze pozorovat) při rezonanci proudů v rozpojené větvi [6].

Procesy, ke kterým dochází ve vinutí, mající mezizávitový zkrat, při jeho testování metodou vlnové odezvy objasňuje obr. 20.

Vznik mezizávitového zkratu ve vinutí vede k tomu, že v místě zkratu se odpor ekvivalentního obvodu prudce mění, což vede k odrazu přicházející vlny. Tímto způsobem se z pohledu vzniku stojících vln rozdělí na dvě části s délkami úměrnými d1a d2 [6].

Diagnostický impuls bez překážek proniká do vinutí, vytváří vznik dvou stojících vln proudu:

kde: ω’ – časová frekvence kmitu v poškozeném vinutí korigované s respektováním ztráty části délky ekvivalentní délky [6].

Na obr. 21 je znázorněn fragment vlnové odezvy v paralelní větvi vinutí kotvy, mající mezizávitový zkrat při poloze kotvy odpovídající d₁=0,3, d₂=0,7 [6].

Na znázorněném obrázku odpovídá perioda T časové fekvenci ω´. Při otáčení kotvy dochází ke spojení bodu mezizávitového zkratu a úměrného (proporcionálního) přerozložení hodnot d₁ a d₂.

Na obr. 22 je znázorněn graf rozdělení velikosti amplitudy první  půlvlny vlnové odezvy na délce poškozeného vinutí pro různé polohy kotvy [6].

Experimentální zkoušky ukázaly, že největší úroveň změny parametrů vlnové odezvy při testování vinutí kotvy, mající mezizávitový zkrat, se nachází v takové poloze kotvy, při kterém je místo poškození je stejně vzdálené od kartáčů, tj: d₁=d₂=0,5. V popsaném případě se časové frekvence stojících vln porovnají (získají označení 2 ω´) a součet dvou kmitů stejné fáze vytváří maximální amplitudu vlnové odezvy na kartáčích testovaného motoru se současným zdvojnásobením fekvence [6].

Při testování vinutí metodou vlnové odezvy se fixíruje forma signálu na kartáčích, tj: součet úbytků napětí na elementárních částech vinutí Δx (část ekvivalentní linie) s respektováním složitého vzájemného působení [6].

Úbytek napětí na odporu části nepoškozené paralelní větvě vinutí (např. mezi dvěma sousedními komutátorovými lamelami), je možné vyjádřit podle vztahu:

Pro potvrzení předpokladu, že vlnové odezvy vznikající ve vinutí kotvy stejnosměrných el. strojů jsou důsledkem vzniku stojaté vlny ve vinutí, byla provedena série měření v jejichž průběhu byl zjištěn charakter rozdělení amplitud první půlvlnovou odezvou na délce vinutí. Metodika provádění měření je znázorněna na obr. 23 [6].

Diagnostické impulzy se přivádí na protilehlé lamely, měřící hroty osciloskopu se připojují na dvě sousední komutátorové lamely (n=36), odpovídající začátku paralelní větve vinutí kotvy. Vlnová odezva se fixuje a měřící hroty osciloskopu se připojí na jednu komutátorovou lamelu, tímto způsobem se zachycují vlnové odezvy mezi každým párem sousedních komutátorových lamel od začátku paralelní větve do konce. Pro vyloučení působení druhé paralelní větve bylo vinutí kotvy zkušebně rozebráno odpájením vodičů vinutí od jedné lamely komutátoru [6].

Na základě analýzy výsledků, získaných z popsaného experimentu na uměle poškozeném vinutí kotvy el. stroje 2PN100L, byl sestrojen graf rozdělení amplitudy první půlvlny odezvy na délce paralelní větve vinutí pro různé polohy kotvy (obr. 24) [6].

Na grafech, znázorněných na obr. 24 na ose souřadnic byl vynesen úhel odpovídající poloze páru komutátorových lamel, na kterých byla zaměřena amplituda první půlvlny odezvy. Tečkovanou čarou je znázorněn teoretický graf rozdělení amplitud vlnových odezev, určených vztahem (18) bez respektování časových kmitů. Experimentální graf rozdělení má schodovitý průběh, přičemž každému stupni odpovídá sekce vinutí kotvy [6].

Z obr. 24. je patrné, že mají experimentální grafické závislosti obecný charakter změn s vypočtenými grafy, avšak plného souladu se nedosahuje. Nesoulad grafů je dán vlivem konstrukčních zvláštností testovaného vinutí, existencí vzájemné indukčnosti mezi závity, ap [6].

Reálné vinutí kotvy obsahuje několik paralelních větví a forma vlnových odezev na kartáčích testovaného el. stroje se určuje (je podmíněna) složitým vzájemným působením, ale stává se zřejmou skutečností , že změna formy vlnových odezev při lokalizaci místa mezizávitového zkratu závisí na poloze kartáčů a je způsobena vlnovými procesy, popsanými v tomto příspěvku. Zpracovaný přístup může být využit při matematickém modelování procesu testování el. strojů různé konstrukce [6].

Mobilní zařízení pro diagnostiku stavu izolace vinutí kotvy (Rotorových cívek) vinutí komutátorových strojů

Izolace elektrických strojů je v průběhu výroby a provozu vystavena komplexnímu působení různých faktorů (vlivů), různého druhu, vedoucích k narušení jejich komplexnosti, v důsledku čehož se snižuje účinnost, vznikají lokální přehřátí, a pokud se nepřijmou okamžitá opatření, dochází k zastavení stroje. Tímto způsobem se projevuje, zatím plně neobjasněné poškození izolace vinutí el. strojů, vede to ke značným finančním ztrátám. Zvláštní význam, dříve uvedených faktorů a zrychlení degradačních procesů má v podmínkách všeobecného přechodu od plánované údržby k údržbě podle stavu [7].

Určení stavu mezizávitové izolace samo o sobě je složitým technologickým procesem, protože je není možné realizovat přímou metodou měření jako v případě měření odporu základní izolace. Zvláště aktuální požadavek na měření (diagnostiku) stavu mezizávitové izolace vinutí kotvy je u trakce, neboť tato doprava je zajišťována stejnosměrnými stroji [7].

Hlavní úlohou studia je rozpracování bezpečné metody umožňující informacio existenci poškození v cívkách vinutí kotvy komutátorových strojů v podvozku žel. drah bez demontáže kotvy. V tomto momentu jsou realizovány práce po určení použití metody vlnových odezev pro řešení tohoto úkolu. Uvedená metoda se ve světové praxi používá pro diagnostiku poškození vinutí silových transf., vyjmutých kotev el. strojů a asynchronních strojů [7].

Na základě provedení řady úspěšných zkoušek s využitím vlnových odezev v cívkách vinutí kotev strojů 2PB90MG, 2PN100L, PN-205, P31N, ED-107 byl sestrojen speciální přístroj. Zpracovaný přípravek pak se všemi svými přednostmi neměl odpovídající mobilitu k provádění provozních měření. Na základě zkušeností, získaných při konstrukci laboratorního pultu (zařízení) a unifikací el. schémat byl sestrojen prototyp mobilního zařízení pro testování izolace cívek vinutí kotvy komutátorových strojů s využitím metody vlnových odezev (dále jen mobilní zařízení) [7]. 

Strukturní schéma mobilního zařízení je znázorněno na obr. 25 [7].

Algoritmus přístroje je následující. Cívka je připojena ke zdroji stejnosměrného proudu přes vysokorychlostní elektronický spínač určený pro přepínání režimů, které odpovídají odporově-indukční zátěži. Řídící signály přichází z kontroleru na modul galvanického rozdělení. V tomto bloku se formují řídící signály drajvrem klíče a signálem synchronizace pro zařízení fixace odezvy.  Působením řídících signálů drajver zamyká a odemyká klíč, což vede ke krátkodobému průtoku proudu v testovaném vinutí. Po přerušení průtoku proudu, v cívce vzniká kmitavý tlumený proces, který se zaznamenává na osciloskopu. Parametry tohoto vlnového procesu se analyzují v souladu s instalovaným algoritmem [7].

Je zřejmé, že vzniklý závitový zkrat je ekvivalentní spojení (zkratování) dvou sousedních lamel komutátoru, vede k patrnému zvýšení amplitudy tlumených vlnových kmitů při současném zvýšení jejich frekvence. Tento fakt umožňuje hovořit o perespektivnosti použití metody pro dřívější odhalení mezizávitových zkratů vinutí kotvy vznikajících při provozu stroje. Také podotýkám, že použití metody vlnové odezvy nevyžaduje vyjmutí kotvy, či provádění instalace, či vnikání do konstrukce el. stroje. Pro provádění zkoušek je nezbytné pouze připojit odpovídající vývody zkušebního zařízení ke kartáčům, či ?? odpovídajícím vývodům el. stroje [7].

Mobilní konstrukce měřícího zařízení využívá doplnění laboratorního pultu o kontrolér Arduino na bázi mikrokontroleru AVR AT mega 328 zajišťující realizaci algorytmu testování, přívod a vývod informací. Napájení zařízení je zajišťováno ze dvou baterií zajišťujících jeho autonomnost. Pro řízení na zobrazovacím panelu jsou využity tři tlačítka ,,Set‘‘, ,,+‘‘, ,,-‘‘. Vývod informací se uskutečňuje na LCD displeji o rozměrech 12×2 symbolů. Pro připojení měřících kabelů z kartáčů testovaného stroje a přívodu k osciloskopu jsou použity v horní části přístroje dva standardní konektory BNC. Znázornění zapojení mobilního měřícího zařízení je na obr. 26 [7].

V případě, že nelze použít k měření osciloskop, existuje možnost vývodu základních parametrů (perioda, amplituda, zobecněný diagnostický koeficient) na LCD displeji zařízení, což umožňuje provádět měření bez doplňujících technických prostředků. Uvedená funkce se realizuje tak, že přes dělič napětí se signál ze vstupu bloku vede na vstup ACP kontroleru. S využitím speciálního algoritmu najde kontroler minima v každé periodě vlnových odezev a získaných hodnot automaticky vyhodnocuje parametry vlnových odezev. Zjednodušený algoritmus práce mobilního zařízení je zobrazen na obr. 27 [7].

Pro zpracování signálů s využitím ACP kontroleru je nezbytné provést proceduru automatické kalibrace zařízení. Kalibrace se zakončuje výběrem optimálních hodnot parametrů diagnostických impulzů, u kterých hodnota napětí na vstupu ACP nepřevyšuje zadanou hranici. Hranice může být změněna cestou přeprogramování kontroleru, ale po zaniknutí prahové hodnoty odpovídající  0,7 vstupního rozsahu ACP.

Při zkoušení v režimu ,,Prostý test‘‘ mohou být parametry diagnostických ipulsů změněny pomocí tlačítek na lineárním (plochém) panelu zařízení v režimu ,,Autotest‘‘ změna parametrů diagnostických impulsů nejsou možné. V režimu ,,Autotest‘‘ je také možné vyvést informaceí o vhodnost/nevhodnost izolace na základě daných kritérií, např. při změně významu zobecněného diagnostického kritéria o 10% a více v procesu pootočení kotvy [7].

Prezentované zařízení má dostatečnou funkčnost pro provádění nezbytných vědeckých měření a provozních zkoušek. Zkušenost, získaná při práci s mobilním zařízením je základem pro vývoj automatizovaného systému komplexní diagnostiky stavu izolace ACKDI [11] [7].

Literatura:

[1] CHMELÍK, K., VESELKA F.: Kluzný kontakt v elektrických strojích. Ostrava, Brno: KEY Publishing, 2007.

[2] RAAB, M. Význam mechanických vlastností při aplikaci plastů v elektrotechnice. Elektrotechnický obor. 1983(5-6), 282-288.

[3] TÚMA, J.: Konstrukce a užití elektrického ručního nářadí. 2003. vyd. Praha: Columbus.

[4] VESELKA , F.: Poskytnuté podkladové materiály. Brno, 2015

[5] VESELKA, F.: Modelování a simulace dynamické soustavy elektrického stroje. Brno, 2016

[6] SHESTAKOV, I.: Fyzikální základy použití metody vlnových odezev pro diagnostiku stavu mezizávitové izolace kotevních vinutí trakčních motorů, Omsk, 2016

[7] SHESTAKOV, I.: Mobilní zařízení pro diagnostiku stavu izolace vinutí kotvy (rotorových cívek) vinutí komutátorových strojů, Omsk, 2016