Čerpadlo se točí obráceně? Sled fází a záměna dvou fází

Odstředivé čerpadlo z Japonska je usazeno, zapojeno a čeká na první krátké zkušební puštění. Motor se rozběhne, ale hřídel se točí proti šipce odlité na tělese čerpadla. Nebo čerpadlo, které roky fungovalo bez potíží, se po výměně motoru či kabelu začne točit obráceně. Elektrikář v obou případech obvykle poradí: „prohoďte dvě fáze“. U mnoha čerpadel to funguje, ale ne u všech, a když pochopíte proč, poznáte i to, kdy to nepomůže.

Stručná odpověď: třífázový asynchronní motor se otáčí ve směru točivého magnetického pole uvnitř motoru a směr pole určuje sled fází napájení. Když je motor připojen přímo na síť, záměna libovolných dvou ze tří přívodů obrátí sled fází, a tím i pole a hřídel. Pravidlo neplatí pro čerpadlo napájené frekvenčním měničem, pro jednofázové motory ani pro čerpadlo, které se po zastavení roztočí opačně, protože jím proudí kapalina zpět.

Článek probírá čerpadlo, fyziku motoru, záměnu dvou fází, případy, kdy pravidlo selhává, a nakonec kontrolní seznam a vzor e-mailu pro komunikaci s japonským dodavatelem.

Obsah

1. Proč se čerpadlo točí obráceně
2. Jak se točí třífázový asynchronní motor
3. Proč záměna dvou fází obrací otáčení
4. Kdy záměna dvou fází neplatí
5. Po opravě: výkresy a záznamy
6. Kontrolní seznam: čerpadlo z Japonska se točí obráceně
7. Omezení tohoto článku
8. Časté otázky
9. Zdroje

Proč se čerpadlo točí obráceně

Čerpadlo předává kapalině energii a vytlačuje ji ven. V typickém odstředivém čerpadle se uvnitř tělesa otáčí oběžné kolo (japonsky hanebaguruma) a uděluje vodě nebo jiné kapalině kinetickou energii. Tvar oběžného kola se podle typu čerpadla liší; oběžné kolo odstředivého čerpadla a šroubový rotor šroubového čerpadla jsou dvě různé věci.

V elektrickém čerpadle dodává moment potřebný k otáčení oběžného kola motor. Pokud je motor spojen s čerpadlem přímo spojkou (japonsky jikutsugite), točí se při opačném smyslu otáčení motoru opačně i hřídel čerpadla.

Obr. 1: Otáčení motoru se přenáší na oběžné kolo přes spojku

Horizontální čerpadlo s přímým spojením. Schéma kombinuje řez hnací částí s čelním pohledem na oběžné kolo.

Oběžné kolo je pro přehlednost vykresleno z čela v jiném promítání. Na skutečném zařízení je spojka pod krytem; sací potrubí, ucpávky a ložiska jsou vynechány.

Když se oběžné kolo točí opačně, kolo a těleso nedokážou vytvořit zamýšlené proudění, takže dopravní výška i průtok jsou nižší. Jak se konkrétní čerpadlo chová při zpětném chodu a jak to zatěžuje jeho mechanické části, záleží na jeho konstrukci.

Slabý proud vody na výtlaku ještě neprokazuje, že se čerpadlo točí správně. Na druhou stranu i malý průtok může mít příčinu na straně sání nebo ve vyšším odporu soustavy. Charakteristika čerpadla ukazuje, co má čerpadlo dodávat, a NPSH říká, jakou má rezervu na sání. Při hledání příčiny proto oddělte tři věci: napájení, smysl otáčení a podmínky na straně kapaliny.

„Po směru hodinových ručiček“ závisí na tom, odkud se díváte

Táž hřídel vypadá z jednoho konce jako otáčející se po směru hodinových ručiček a z druhého konce proti němu. Při pohledu ze strany výstupního konce hřídele motoru a ze strany ventilátoru se směr jeví opačně.

V provozu se opírejte o šipku smyslu otáčení na čerpadle a o místo pohledu uvedené v návodu. Zápis „točilo se doprava“ se později špatně ověřuje.

Zapisujte proto nejen to, kterým směrem se hřídel točila, ale i odkud jste se dívali, aby strojní a elektro údržba mluvily o téže věci. Kryt spojky během provozu nesundávejte jen proto, abyste lépe viděli.

Jak se točí třífázový asynchronní motor

Motor vytváří moment vzájemným působením magnetického pole a proudu, stejně jako ve školním pokusu s magnetem a cívkou.

U kartáčového stejnosměrného motoru s permanentními magnety změna směru proudu kotvou obrátí smysl otáčení. Z toho ale nevyplývá obecné pravidlo, že po přepólování napájení se obrátí každý motor.

Čerpadla v továrnách a provozech hojně pohánějí třífázové asynchronní motory. Aby se nepletly se stejnosměrnými stroji, rozdělíme motor na vnější stator a vnitřní rotor. V asynchronním motoru vzniká moment díky proudu, který se indukuje ve vodičích rotoru.

Časový posun 120° a posun vinutí o 120°

Střídavý proud mění směr i velikost v pravidelném cyklu. Souměrná třífázová soustava nese tři průběhy o stejné frekvenci, vzájemně časově posunuté o 120°.

Jedna perioda se zapisuje jako 360°, takže 120° je třetina periody. Při 50 Hz trvá perioda 20 ms a jedna třetina je asi 6,67 ms.

Těch 120° je fázový posun v čase: říká, kdy proud v jednotlivých fázích dosahuje maxima.

Obr. 2: V jednoduchém dvoupólovém modelu jsou osy vinutí posunuty o 120°

U, V a W značí magnetické osy skupin vinutí. Obrázek neukazuje skutečný počet cívek ani uspořádání svorek.

Skutečné motory mají vinutí rozložené do mnoha drážek. U vícepólových strojů jsou fáze posunuty o 120 elektrických stupňů, což není totéž jako rozdělení obvodu na tři díly.

Také vinutí tří fází jsou ve statoru v prostoru vzájemně posunutá. V zjednodušeném dvoupólovém modelu lze magnetické osy vinutí umístit po 120 mechanických stupních.

Skutečný stator má mnoho drážek a každé vinutí je rozloženo do několika z nich. Nejde o trubku se třemi samostatnými cívkami uvnitř.

U čtyřpólových a šestipólových motorů se uspořádání pólů po obvodu opakuje, takže 120 elektrických stupňů není totéž co 120 mechanických stupňů po obvodu statoru.

Tři pole se skládají v jedno točivé pole

Proud každé fáze vytváří magnetické pole ve směru osy svého vinutí. Když se tři pole sečtou, směr výsledného pole se v čase plynule otáčí.

To je točivé magnetické pole. Motor nezapíná fáze jednu po druhé; všechny tři proudy se mění současně a společně tvoří jediné výsledné pole.

Na obr. 3 je v jednom okamžiku proud fáze U na svém maximu 1. V témže okamžiku nejsou proudy fází V a W nulové: oba mají hodnotu 0,5 v opačném směru.

Proud opačného směru obrací i pole, které dané vinutí vytváří. Směr vinutí a znaménka tří proudů společně určují, kam výsledné pole míří.

Obr. 3: Výsledné pole od proudů všech tří fází

Stejný dvoupólový model jako na obr. 2. Proudy jsou uvedeny jako poměr k amplitudě; znaménko mínus znamená, že proud vinutím teče opačným směrem.

Idealizovaný model se souměrnými sinusovými průběhy a souměrnými vinutími. Nahoru je kladná osa y; obrázek neurčuje smysl otáčení (po směru / proti směru hodinových ručiček) žádného skutečného motoru.

Rotor asynchronního motoru nakrátko (s klecí) má vodivé tyče spojené na obou koncích zkratovacími kruhy. Relativní pohyb mezi točivým polem a těmito vodiči indukuje v rotoru napětí a proud.

Tento proud ve spolupůsobení s polem vytváří moment a rotor se otáčí stejným směrem jako pole. Zkratovací kruhy elektricky spojují tyče a dávají proudu v rotoru uzavřenou dráhu.

Synchronní otáčky a otáčky hřídele

Rychlost točivého pole se nazývá synchronní otáčky a určuje ji frekvence napájení a počet pólů. Když normální asynchronní motor pohání zátěž, otáčí se rotor o něco pomaleji.

Právě tento rozdíl otáček indukuje napětí ve vodičích rotoru. Rozdíl vyjádřený jako podíl se nazývá skluz. Skluz je jiná veličina než sled fází, který určuje směr.

Například čtyřpólový motor při 50 Hz má synchronní otáčky 1 500 ot/min. Pro ilustraci předpokládejme skluz 3 %; otáčky rotoru pak vycházejí 1 455 ot/min.

Japonsko pracuje na východě na 50 Hz a na západě na 60 Hz, takže motor dodaný z Japonska může být dimenzován na jinou frekvenci (a napětí) než váš závod. V České republice je jmenovité napětí sítě 230/400 V při 50 Hz; co všechno zkontrolovat, shrnuje samostatný článek. Frekvence mění otáčky, nikoli směr. Při výběru motoru potřebujete znát i příkon na hřídeli čerpadla, nejen otáčky.

Proč záměna dvou fází obrací otáčení

Třífázová soustava má sled fází: pořadí, v němž průběhy dosahují maxima. Při nezměněném vinutí statoru obrácení sledu fází obrátí směr, kterým se točivé pole šíří.

Když se například pořadí průběhů přicházejících na vinutí U, V a W změní z U→V→W na U→W→V, pole se otáčí na druhou stranu. Uvnitř motoru se nic nepřesunulo; změnilo se jen přiřazení tří napájecích průběhů k vinutím.

Obr. 4: Záměna jen dvou přípojení obrátí sled fází

Vlevo: základní připojení. Vpravo: fáze vedené na V a W jsou prohozeny (pouze princip).

Křížení není spojení vodičů. Obrázek není návodem pro skutečné svorky, barvy vodičů, napětí ani montážní práce; ukazuje jen sled fází třífázového asynchronního motoru připojeného přímo na síť.

Záměna kterékoli dvojice fází obrátí sled a nezáleží na tom, kterou dvojici zvolíte: ponechání U a záměna V a W má stejný účinek jako záměna jakékoli jiné dvojice.

Cyklické přesunutí všech tří přívodů o jednu pozici směr nemění. Změní se jen to, odkud sled začnete číst; směr, kterým po kružnici postupujete, zůstane stejný.

Obr. 5: Šest možných sledů se dělí na dva směry

Stejný stator, stejné místo pohledu, porovnání vůči sledu ABC jako základu.

Sled	Vůči základu	Proč
ABC, BCA, CAB	Stejný směr	Jiný počátek, ale stejný cyklus A→B→C
ACB, CBA, BAC	Opačný směr	Záměna dvou fází obrátí cyklus

Samotné označení „ABC“ neurčuje smysl otáčení u všech motorů. Musí souhlasit i definice vinutí a místo pohledu.

Na japonských výkresech a přístrojích se napájecí vedení často značí R, S, T a svorky motoru U, V, W. V Evropě a v české praxi se obvykle setkáte s L1, L2, L3 a U1, V1, W1 (ve Spojených státech s L1, L2, L3 a T1, T2, T3). Japonská zkoušečka sledu fází, zvaná kensoki, má obvykle kontrolku pro seiso (správný, tj. přímý sled) a gyakuso (opačný sled). Označení vždy ověřte v legendě konkrétního schématu a nepředpokládejte je; u motorů podle ČSN EN 60034-8 je smysl otáčení vztažen k určenému připojení svorek, ale u konkrétního stroje ho ověřte podle štítku a dokumentace dodavatele.

Obrácený sled fází a výpadek fáze

Obrácení sledu fází a výpadek fáze je třeba rozlišovat. Při obrácení sledu jsou všechny tři fáze přítomny, ale v opačném pořadí. Při výpadku fáze jedna ze tří fází chybí.

Výpadek fáze může znemožnit rozběh motoru, vést k nesymetrii proudů nebo k přehřátí. Řešit stav „netočí se, tak prohodíme dva vodiče“ znamená přehlédnout chybějící fázi napájení nebo špatný spoj.

I při správném sledu fází se motor nemusí rozběhnout, pokud je hřídel zablokovaná nebo je zátěž čerpadla příliš velká. „Točí se špatným směrem“ a „netočí se“ jsou dva různé problémy.

Provozní proud vypovídá něco o zátěži, ale samotný proud směr otáčení neurčí. Zapisujte sled fází, pohyb hřídele a stav potrubí jako samostatná pozorování, abyste příčiny nezaměnili.

Změna sledu fází na straně napájení obrátí také všechny ostatní motory připojené přímo na síť z téhož místa. Rozsah každé změny vymezte podle jednopólového schématu a výkresů a posuďte dopad na zařízení mimo záměr úpravy.

Kdy záměna dvou fází neplatí

Čerpadla s frekvenčním měničem

Tato část se týká běžného napěťového frekvenčního měniče s usměrňovačem a stejnosměrným meziobvodem. Měnič převede vstupní střídavé napětí na stejnosměrné a poté vytvoří nový třífázový výstup, takže změna sledu fází na vstupu směr motoru nezmění.

Obr. 6: Frekvenční měnič vytváří nový třífázový výstup

Princip běžného usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu a výstupního střídače.

Bloky jsou funkční; rovnoběžné čáry v meziobvodu představují kondenzátory. Skutečné součástky, svorky a případný bypass na síť jsou vynechány.

Když čerpadlo s měničem běží obráceně, zkontrolujte odděleně povel vpřed/vzad, provozní režim a sled fází na výstupu. Údaj „Vpřed“ na panelu (japonsky seiten) ještě nezaručuje, že se čerpadlo točí požadovaným směrem.

Pokud je v systému bypass, který přepíná motor na síťové napájení, liší se dráha napájení při provozu přes měnič a při provozu ze sítě. Správné otáčení v jednom režimu nic neříká o druhém; ověřte oba.

Povel ke směru vede přes zapojení rozváděče a v mnoha systémech i přes PLC. Při diagnostice dohledejte povel k jeho zdroji a porovnejte ho s tím, co hřídel skutečně dělá.

Jednofázové motory

U jednofázového motoru určuje směr uspořádání hlavního vinutí, pomocného vinutí a kondenzátoru. Záměna dvou napájecích vodičů ho neobrátí tak, jak záměna dvou fází obrací třífázový motor.

Jakékoli skutečné přepojení patří osobě odpovědné za zařízení a kvalifikovaným pracovníkům, kteří postupují podle pokynů výrobce. Kromě odpojení napájení, zajištění proti opětovnému zapnutí a ověření bezNapětí je u zařízení s měničem nutné počítat i se zbytkovým napětím v měniči. V Česku je navíc třeba splnit požadavky na odbornou způsobilost v elektrotechnice (vyhláška č. 50/1978 Sb.; platné znění si ověřte) a interní pravidla BOZP závodu.

Zpětné otáčení po zastavení (zpětný tok)

Po zastavení čerpadla se může kapalina z výtlačné strany vracet, tlačit na oběžné kolo a roztočit hřídel opačně. Energii k tomu dodává tlak nebo výška kapaliny, nikoli elektrické napájení.

Zda se čerpadlo točí obráceně od okamžiku spuštění, nebo až po odpojení napájení, mění to, co je třeba zkoumat. Opětovné spuštění čerpadla za zpětného otáčení zatěžuje čerpadlo i motor, proto se vyhněte diagnostice opakovanými pokusy o spuštění.

U zpětného otáčení po zastavení sledujte tlak na výtlaku, výškové rozdíly v potrubí a zpětné klapky. Záměna fází nic nezmění na tlakovém rozdílu, který kapalinu žene zpět.

V systémech s více čerpadly záleží i na potrubí mezi stojícími a běžícími čerpadly. Když řídicí systém mění počet běžících čerpadel, posuzujte tyto změny společně s hydraulickým uspořádáním.

Na typu čerpadla a na kapalině také záleží. Vývěvy pro vzduch a čerpadla pro viskózní kapaliny mají jiné vnitřní uspořádání a jiné přípustné provozní podmínky.

Po opravě: výkresy a záznamy

Po změně sledu fází uveďte čísla vodičů, přiřazení svorek a schémata do souladu se skutečným stavem. Pokud čísla zůstanou původní, může při další výměně vzniknout stejná závada.

Záznam má větší hodnotu, když obsahuje označení zařízení, typ motoru, způsob pohonu, požadovaný směr čerpadla a místo pohledu. U zařízení s měničem zapište také zdroj povelu a změny parametrů.

Pokud čerpadlo před zásahem běželo správně a obráceně se točí až po něm, jsou nejlepší stopou spoje, kterých se práce dotkla. Když výměnu motoru, výměnu kabelu a modernizaci rozváděče zaznamenáte samostatně, mají všichni stejný výchozí bod šetření.

Zapojení nedovozujte jen z barvy vodičů nebo vzhledu; ověřte je podle výkresů zařízení a skutečného označení. Historie změn umožní, aby další kontrola vycházela z posledního známého správného stavu.

Po opravě se nespokojte s tím, že se čerpadlo „točí správně“. Vyhodnoťte průtok, dopravní výšku, proud a vibrace za stanovených provozních podmínek. Pokud výkon po nápravě směru stále nestačí, hledejte jiné příčiny, například podmínky na sání nebo odpor soustavy.

Kontrolní seznam: čerpadlo z Japonska se točí obráceně

Seznam použijte k ujasnění faktů dřív, než někdo zasáhne do zapojení. Je to pomůcka pro zjišťování skutečností, nikoli pracovní postup; o dalším kroku rozhoduje osoba odpovědná za zařízení.

Kontrolní seznam pro zjištění příčiny zpětného otáčení

Položka	Co potvrdit
Požadovaný směr	Šipka na tělese čerpadla a místo pohledu uvedené v návodu (strana pohonu, nebo strana ventilátoru)
Kdy se točí obráceně	Od rozběhu, nebo až po zastavení (zpětný tok)
Typ pohonu	Přímo ze sítě, nebo frekvenční měnič; zda existuje bypass na síť
Sled fází napájení	Údaj zkoušečky sledu fází v místě měření a kde to místo je
Všechny fáze přítomny	Žádná chybějící fáze ani uvolněný spoj, než někdo prohodí vodiče
Označení a výkresy	R/S/T a U/V/W (nebo L1–L3, U1/V1/W1, T1–T3) podle legendy výkresu
Rozsah změny	Další motory připojené přímo na síť ze stejného místa
Nastavení měniče	Zdroj povelu vpřed/vzad, provozní režim, zapojení výstupu
Nedávné práce	Výměna motoru, kabelu nebo rozváděče od posledního správného chodu
Po nápravě	Průtok, dopravní výška, proud, vibrace; aktualizované výkresy a čísla vodičů

Otázky pro japonského dodavatele

• Ze které strany se má pohlížet na šipku smyslu otáčení na čerpadle?
• Která svorka napájení má být připojena na kterou svorku motoru pro požadovaný směr a je to uvedeno na výkrese?
• Je krátký zpětný chod při zkušebním puštění pro toto čerpadlo přípustný, včetně mechanické ucpávky a ložisek?
• U jednotek s měničem: který parametr nebo vstup určuje vpřed/vzad a bylo to nastaveno již ve výrobě?
• Potřebuje systém zpětnou klapku nebo jinou ochranu proti zpětnému otáčení po zastavení?
• Je motor dimenzován na naše napájení (400 V, 50 Hz)?

Vzor e-mailu dodavateli

S japonskými dodavateli se obvykle píše anglicky, proto je vzor v angličtině. Označení čerpadla, strana pohledu a způsob spouštění jsou smyšlené; nahraďte je vlastními údaji.

Subject: Pump P-101 rotation direction at commissioning

During the first run of pump P-101, the shaft turned opposite to the arrow on the casing (viewed from the motor fan end). The motor is started direct-on-line, and all three phases were present. Before we change any connections, please confirm (1) which end the arrow should be viewed from, (2) the required connection between supply terminals L1/L2/L3 and motor terminals U/V/W, and (3) whether the brief reverse run may have affected the mechanical seal. A wiring diagram showing the intended phase sequence would also help.

Omezení tohoto článku

• Pravidlo dvou fází platí pro třífázové asynchronní motory spouštěné přímo ze sítě. Netýká se motorů s frekvenčním měničem, jednofázových motorů ani zpětného otáčení vlivem zpětného toku.
• Obrázky jsou idealizované modely. Neurčují smysl otáčení žádného skutečného motoru a nejsou návodem k zapojení.
• Označení svorek, barvy vodičů a zvyklosti ohledně sledu fází se liší podle země, firmy i výkresu. Vždy se řiďte legendou výkresů daného projektu.
• Jak velký zpětný chod čerpadlo snese, závisí na jeho konstrukci. Zeptejte se výrobce.
• Odkazy na ČSN EN a české předpisy jsou orientační; závazné znění a platnost si ověřte.

Časté otázky

Proč záměna dvou fází změní směr, ale ne otáčky?

Protože obrátí sled fází, a tím směr točivého pole. Při stejné frekvenci a stejném počtu pólů zůstávají synchronní otáčky stejné; mění se jen směr.

Bude se motor točit obráceně, když se frekvence změní z 50 Hz na 60 Hz?

Ne. Frekvence ovlivňuje synchronní otáčky, směr určuje sled fází. Zda může daný motor a čerpadlo pracovat na jiné frekvenci, závisí na specifikaci obou.

Když zkoušečka sledu fází ukáže sled, je tím směr čerpadla potvrzen?

Samotná zkoušečka ne. Ukazuje sled v místě měření. Ještě je třeba ověřit propojení odtud k motoru, definici vinutí, zda je v systému měnič, a místo pohledu vůči požadovanému směru čerpadla.

Mohu čerpadlo nechat běžet obráceně, když stále dodává trochu vody?

Ne. Že něco teče, neprokazuje, že čerpadlo splňuje návrhový výkon ani že je mechanicky v pořádku. Odstraňte příčinu podle směru předepsaného výrobcem a poté vyhodnoťte výkon za stanovených podmínek.

Proč je na panelu „Vpřed“, když se čerpadlo točí proti šipce?

„Vpřed“ je název řídicího povelu. Skutečný směr závisí i na sledu fází na výstupu a na jeho přiřazení k vinutím. Porovnejte název povelu, schéma zapojení a místo pohledu s požadovaným směrem čerpadla.

Zdroje

• Sled fází a otáčení třífázových motorů, rozdíl oproti jednofázovým: Oriental Motor, návod k obsluze AC motorů
• Vinutí statoru, výsledné pole, póly a otáčky: EE2E11 Electrical Energy Conversion, „AC Machine Stator“
• Indukovaný proud a skluz: EE2E11 Electrical Energy Conversion, „Induction Machine“
• Proud kotvou a moment u stejnosměrných strojů s permanentními magnety: EE2E11 Electrical Energy Conversion, „DC Machines“
• Synchronní otáčky: Mitsubishi Electric FA FAQ (japonsky)
• Změna smyslu otáčení motoru u měniče: Toshiba Industrial Products and Systems, FAQ (japonsky)
• Sled fází na vstupu měniče: Schneider Electric FAQ FA23680
• Zkoušečky sledu fází (kensoki) a směr otáčení motoru: Panasonic TERASU, slovník (japonsky)
• Zpětné otáčení vlivem zpětného toku: KSB, „Reverse Running Speed“