Pohonnatechnika.cz

 

Domů / ŠKOLA / Škola - Motory / Ložiskový proud

Škola - Ložiskový proud


Elektricky způsobené poškození ložiska v elektromotorech není nový problém. Problémy jsou stejně dlouhé jako historie elektrických motorů. Původně se jednalo o výrobní tolerance, magnetické materiály s méně dobrými vlastnostmi a někdy čisté havárie, která vedly k poškození ložisek.

Ložiskovými proudy míníme takové, které z nějakého důvodu procházejí hřídelí rotoru a jedním nebo několika ložisky asynchronního stroje. Ložiskové proudy nejsou nic nového, byly to všední problémy již se stejnosměrnými pohony, ale i velkými střídavými pohony.

Problémy výrobních tolerancí a materiálů jsou nyní překonány. K nehodám, které vedou k poškození ložisek stále dochází, ale k elektrická eroze v ložiskách by již neměla být problém. Ale stále je jedním z dominantních problémů u pohonů - a to jak těch, které používají frekvenční měniče u synchronních motorů a těch, kteří používají SS motory s řízenými usměrňovači s tyristory nebo tzv. choppery.  Největším problémem je pulzně šířková modulace (PWM) frekvenčních měničů  pohánějící asynchronní motory


obr. 1


Obrázek zobrazuje příklad, jak poškozené ložisko může vypadat, když se rozdělí. Vidíme především vnější část s charakteristickým vzorkem připomínajícím zip. To je velmi charakteristické. Kuličky jsou charakteristicky matné - daší typický znak poškození ložiskovými proudy.

Klasická problematika ložiskových proudů u přímo napájenych strojů je spojena s velkými stroji s málo póly, především 2 nebo 4mi póly. U menších a vícepólových střídavých strojů je magnetická nesymetrie ve vzduchové štěrbině menší a tím jsou menší i ložiskové proudy. 

Na následující levém obrázku vidíme asynchronní stroj v řezu. Pokud napájíme vinutí sinusovým proudem, bude se osa rotoru celou dobu nacházet v nulovém bodě magnetického pole, které vytvoří stator. Tím se v ní žádné napětí neindukuje.



obr. 2


Pokud se však bude jedna fázová impedance odchylovat od ostatních, budou fázové proudy a tím i magnetické pole nesymetrické. Tím se osa stroje již nebude nacházet v nulovém bodě. Osu stroje můžeme považovat za tyč v magnetickém poli a napětí na ní indukované je funkcí proudu procházejícím statorem a rychlosti, kterou prochází mag. polem.


obr. 3



Napětí indukované v ose zapříčiní rozdíl potenciálů mezi konci osy. Tím vznikne rozdíl potenciálů mezi  ložisky stroje. Je-li potenciál dostatečný vzniknou výboje, které se budou snažit eliminovat rozdíl potenciálů. Proud začne procházet ložisky a kostrou stroje.


Průrazné napětí pro olejový film bývá 2-3V až do 20-30V v závislosti na typu ložiska.


Když ložiskem prochází elektrický proud, dochází k výbojům mezi vnitřní a vnější ložiskovou dráhou a pouzdrem ložiska. teplo, která se při výbojích vyvíji, zapříčiní lokální roztavení malých bodů v povrchu ložiskové dráhy. Tím vznikají krátery v dráze.

 

   
obr. 4 - kráter vytvořený EDM (SKF)   obr. 5 - valchovitý povrch - tzv. fluting  (SKF)

 

Materiál povrchu kráteru znovu ztvrdne na typ sklovitě tvrdého materiálu, materiál pod tímto povrchem zůstane ale měkčí než než povrch kráteru ale i měkčí i než původní materiál. Velikost kráterů, která vznikají při pohonech frekvenčními měniči (dnes nejobvyklejší příčina vzniku) bývá 5-8µm.

Při otáčení vzniknou mechanické vibrace a typický valchovitý vzorek a matné zabarvení kuliček. Zbytky kovu při roztavení zůstavají v mazivu ložiska. Mazivo je též ovlivněno výboji - tmavne a tvrdne.  Mazací vlastnosti se zhoršují.

S příchodem frekvenčních měničů se problémy ložiskových proudů posunuly i do malých strojů, kde kdysi tyto problémy nebyly. Existuje několik příčin a několik řešení těchto problémů:


Pohony s frekvenčními měniči

U pohonů s fr. měniči existují tři hlavní typy ložiskových proudů na které se podíváme blíže:

  1. Vyskofrekvenční cirkulující proudy
  2. Proudy zemněnou hřídelí
  3. Kapacitivní výboje

 

1.Vyskofrekvenční cirkulující proudy

Vždy existují kapacity mezi vinutím stroje a kostrou stroje.  Když se stroj napájí střídavým proudem, objeví se napětí a proudy i na kostře statoru. Když se motor napájí zcela symetrickým 3f napětím je suma rovna nule, protože fázový posun je 120".

Jenže co se stane, když motor budeme napájet z frekvenčního měniče?


obr. 6

Při pohonu z fr. měniče se napětí mění mezi dvěma danými hodnotami v každé fázi - mezi 0V a Udc - napětím na mezistupni měniče. To znamená, že obdržíme netto-napětí na kapacitách vinutí proti kostře statoru, které nebude nulové, Vcommon - v levé části obrázku 6. Pravý obrázek ukazuje naměřené napětí mezi nulovým bodem všech vinutí, Y-bodem, a kostrou motoru. Toto napětí způsobí proud v kostře motoru. Tento proud zapříčiní vysokofrekvenční magnetické pole ve vzduchové štěrbině což bude indukovat napětí v ose rotoru. To odpovídá obrázku 2.



obr. 7  Obrázek zobrazuje jak proudy procházejí obvody motoru



Pokud je napětí na ložiscích dostatečné, vznikne průraz v ložisku a vznikne proud.

  • Levé měření ukazuje napětí na ložisku pro 400 kW, 4-pólový asynchronní motor, který je napájen z fr. měniče.
  • Měření uprostřed zobrazuje napětí na ložisku pro 110 kW, 2-pólový motor.
  • Obrázek napravo je zvětšenina středního obrázku, jednoho pulzu. Všimněte si rozdílu v amplitudě pulzů.

Tento typ ložiskových proudů je nejobvyklejší u středních a vysokovýkonových strojů s výškou osy dle IEC 315, tedy pro 100 kW a více.




Můžeme obdržet bludné proudy např. u puhonů čerpadel, když impedance mezi osou motoru a zemí má malou hodnotu díky např. ložisku v čerpadlu nebo jiné připojené zátěži, jako je převodovka, než je impedance ložiska u pohonné části.

V závislosti na konstrukci ložiska ve vnějším obvodu můžeme obdržet havárii ložiska, která vznikne mnohem dříve než u volné části ložiska ve stroji. V tom případě jsme zcela ztratili kontrolu, jaké škody mohou vzniknout díky ložiskovým proudům. V mnoha případech pak může být mnohem dražší a obtížnější vyměnit ložiska v převodovce než v motoru.





2.  Proudy zemněnou hřídelí


Napětí, které vznikne mezi vinutím motoru a jeho kostrou, zapříčiní vznik proudu v obvodu.  Ideálně by se tento proud vrátil zpět k fr. měniči po napájecím kabelu.


Jenže všechny kabely vykazují impedanci a nikde není zaručeno, že stínění mezi motorem a fr. měničem bude mít tu nejnižší impedanci. Nesmíme zapomínat, že proudy, o kterých mluvíme mají frekvenci přes  1 MHz !  To znamená,že impedance, které jsou zanedbatelné při 50 Hz, mohou vykazovat velky odpor pro vysokofrekvenční proud.

Pokud je tedy osa motoru uzemněna spojením přes zátěž a ostatní zpětné zemní vodivé spojení, mohou tyto mít nižší impedanci než zemní vodič v napájecím kabelu. My pak obdržíme napěťový potenciál na ložiskách motoru a pokud je napětí dostatečné, vznikají průrazy a ložisky protéká proud.

Upozorňuji, že nyní mluvíme o ložiskách v zátěži – ne v motoru. 

Tento typ problematiky ložiskových proudů je nezávislý na velikosti motoru.  Jediné, co je třeba, je motor napájený fr. měničem, jehož osa je uzemněna přes zátěž motoru. Nevhodné kabely pak situaci ještě zhorší.

 

 


Obrázek ukazuje problém s kabely, jejichž impedance stínění je vysoká pro vysokofrekvenční proudy, které mají být přivedeny zpět do fr. měniče. Obrázek představuje kovovou skříň ventilátoru. Motor je namontován na patkách tlumících vibrace. Stroj je spojen se zemí skříně pouze stíněním kabelu motoru, jelikož patky jsou nevodivé. 

Při měření rezistance  mezi motorem a skříní dostaneme téměř  0 Ω, čímž se zda být vyrovnávání potenciálů v pořádku.

Jenže když nastartujeme fr. měnič a změříme napětí mezi motorem a skříní přístrojem, který zvládne měřit vyšší frekvence (min. 20 MHz) ,zjistíme úbytek napětí na stínění kabelu. Mezi skříní a motorem vznikne značný rozdíl napěťového potenciálu. Všimněme si, že napěťový rozdíl zaznamenáme pouze pro vyšší  frekvence, žádné napěťové komponenty o 50 Hz v měření nenajdeme.  Měření je proveden ona motoru, který je napájen přes 50 m dlouhý kabel.

Tímto měřením jsme chtěli zdůraznit význam  kabelů, které jsou opatřeny stíněním určeným pro vedení vysokofrekvenčních proudů.

 

Externí nabití hřídele motoru

Dříve, než se podíváme na třetí variantu ložiskových proudů při pohonu motorů fr. měniči, je třeba se zmínit, že občas vzniknou ložiskové proudy díky statickým výbojům.  Motory ventilátorů pohaněné nevodivým řemenem a řemenicí jsou typickým příkladem. Toto může postihnout i motory pro přímý pohon.

 


 

 

3. Kapacitivní vybíjecí proudy


Třetí příčinu ložiskových proudů budeme hledat i malých motorů - 30kW a menších.

Pokud se podíváme na motor, který není zeměn skrze svou zátěž  (např.  motor, který přes řemenici a řemen pohání svou zátěž), zjistíme 2 kapacitní spojení  se statorem.  Jedno ze statorového vinutí na rotor a jedno z kostry statoru na rotor.  Tato spojení jsou na obrázku označena jako Cwr respektive Cag.

 Tyto dvě kapacity působí jako napěťový dělič.  Cws je kapacita mezi vinutim statoru a kostrou statoru. Pokud není rotor uzemněn , nalezneme potenciál, který vznikne na rotoru také na kapacitě ložiska -  Cmb

 

Napětí na ložisku vypočítáme takto:

Kdyz studujeme výpočet vidíme, že jak vzrůstá kapacita Cag  (a tím klesá jeho impedance), tím klesá napětí na této impedanci – na ložisku.

Maximální napětí, které na ložisku můžeme obdržet, je funkcí několika kapacit motoru. To znamená, že toto napětí můžeme ovlivnit již konstrukcí motoru.

Je velmi pravděpodobné, že v budoucnu budou konstruovány stroje s nízkým ložiskovým napětím.

Přečtěte si více na : Preventivní opatření



 

 
 

Copyright © Pohonnatechnika.cz 2007-2018. All rights reserved