Příčiny vzniku a omezení ložiskových proudů motoru

Značným posunem v možnostech použití asynchronních motorů bylo použití soustavy měnič kmitočtu společně s asynchronním motorem. Asynchronní motor byl navržen pro napájení se sinusovým průběhem, toho se ale při kombinaci s frekvenčním měničem dosahuje velmi obtížně. S tímto tedy vyvstaly některé problémy zejména u levnějších nebo nekvalitně provedených motorů. Nejvíce se s problematikou poruch asynchronních motorů setkáváme u izolace vinutí motoru, a v některých případech i u jiných částí motoru např. u ložisek, kde může docházet k nadměrnému opotřebení nebo poškození. Poškozování ložisek vlivem indukování napětí v těch částech motoru, které nejsou přímo připojeny na napájecí síť (např. hřídel), bylo poprvé zaznamenáno před více než sto lety.

Jak již bylo uvedeno výše, motory byly a stále jsou konstruovány pro sinusový průběh napájecího napětí. S vývojem elektroniky a nástupem měničů kmitočtu se vývoj v konstrukci asynchronních motorů zaměřil na konstrukční díly elektromotorů, jako jsou ložiska, maziva, typy izolací apod. Čím jsou tyto komponenty robustnější a osvědčené, tím méně požadavků kladou na servis a údržbu. Hlavní příčinou poškození ložisek zpravidla nebývá měnič kmitočtu, ale k poškození částí častěji dochází vlivem nepřiměřeného tepelného namáhání, mechanického namáhání anebo chemické degradace.

Pokrok v metalurgii a mazací technice ve spojení s moderními výrobními postupy výrazně zvyšuje efektivitu, výkon, životnost indukčních motorů a prakticky potlačuje poškození ložisek mechanickými vlivy. Jen pro názornost, například životnost ložiska s moderními ložiskovými tuky může dosáhnout až 50 000 provozních hodin, samozřejmě za optimálních podmínek, čímž je myšlena rychlost otáčení, režim údržby apod.

Asymetrie pocházející z výrobních tolerancí

Podívejme se blíže na příčiny ložiskových proudů vznikajících z výrobních tolerancí. Nejčastější příčinou je asymetrie v magnetickém obvodu stroje. Asymetrie vyplývá z konstrukce stroje a z nesprávného nastavení vůlí při konstrukci. V ideálním případě magnetický tok prochází ze statorového vinutí přes vzduchovou mezeru stroje do rotoru. Za normálních podmínek se pole procházející vzduchovou mezerou rozdělí rovným dílem tak, že polovina je ve směru hodinových ručiček a druhá polovina proti. Ovšem pokud se vyskytne rozdíl v reluktanci v jednom a druhém směru, pak nastane nerovné rozdělení toku a objeví se tok, který se bude uzavírat přes hřídel, ložiska a kostru motoru (viz obr. 1.)

Další příčinou zejména u větších motorů může být homopolární tok mezi statorem, rotorem a hřídelí. To se týká motorů s osovou výškou 400 mm a vyšší. Tento tok uzavírá přes rotor, stator a hřídel motoru. Jak tento tok prochází skrz vzduchovou mezeru dále do rotoru, tak vygeneruje napětí na hřídeli a vznikající proud se začne uzavírat přes ložiska, kde může způsobovat poškození.

Mezi výčet možných příčin lze zařadit i elektrostatickou elektřinu. Vznik elektrostatických výbojů je závislý na koncepci celého stroje, prostředí, ve kterém je motor provozován, nebo aplikaci. Vzniklý elektrostatický náboj např. na hřídeli se potom může vybít přes ložiska a rám motoru.

V neposlední řadě je možné do kategorie výrobních asymetrií zařadit i typ samotných ložisek a jejich maziv. Mezi standardní provedení ložisek patří kuličková a valivá ložiska pro indukční motory. Typ ložisek závisí na použití stroje, tedy na aplikaci. Co se týká lubrikantů, tak mezi hlavní vlastnosti maziv by mělo patřit snížení tření mezi prvky ložiska, pomoc s odvodem tepla generovaného uvnitř ložiska a ochrana leštěných ploch ložisek proti prachu a znečištění. V některých případech může lubrikant sloužit i pro přerušení cesty proudu skrz ložisko.

Vlivy napájení – napájení měničem kmitočtu

Nejprve se podívejme na uspořádání měnič kmitočtu – motor (viz obr. 2). Měnič je většinou napájen z třífázové soustavy (může být i jednofázová, event. mohou být využity speciální typy napájení např. přímo do meziobvodu). Toto vstupní napájení je pomocí usměrňovače upraveno na stejnosměrné a vyhlazeno pomocí stejnosměrného meziobvodu. Ze stejnosměrného meziobvodu energie putuje do střídače, který převádí stejnosměrné napětí opět na střídavé tak, aby byly splněny požadavky na regulaci otáček asynchronního motoru. V tomto bodě dochází k tomu, že výstupní napájení z měniče a tedy i vstupní napájení do motoru není sinusové.

Příčin vzniku může být několik a souhra několika okolností může způsobit, že se tyto problémy objeví nebo naopak vymizí. Obrana proti vzniku ložiskových proudů by se dala rozdělit na dvě skupiny: 1. základní, 2. pokročilá obrana. Zcela mimo možnosti uživatele asynchronního motoru jsou konstrukční úpravy motoru v souvislosti s návrhem motoru tak, aby bylo dodrženo symetrické magnetické pole uvnitř motoru.

Mezi základní obranu lze zařadit v první řadě kontrolu, zda motor a zátěž jsou v souladu. Dále jednou ze zásadních věcí je plně dodržovat zásady správné instalace zařízení a zejména EMC doporučení. Pokud je k regulaci otáček motoru použit frekvenční měnič, tak vzhledem k vysokým spínacím frekvencím na výstupu z měničů kmitočtu je dobré dodržet plně doporučení výrobce v oblasti správné instalace z pohledu opět elektromagnetické kompatibility – tedy EMC. U měničů kmitočtu Danfoss je, na rozdíl od jiných výrobců, přímo doporučeno uzemnit stínění motorového kabelu na obou koncích – tj. jak na straně měniče, tak na straně motoru, a to nejlépe celoplošným uchycením (např. EMC průchodkou apod.). V neposlední řadě je třeba dodržet průřezy pro PE vodiče a eventuálně tyto kabely posílit.

Mezi pokročilou obranu můžeme zařadit úpravy v nastavení měniče kmitočtu anebo použít další přídavná zařízení. Je možné, že ložiskový proud vzniká právě proto, že průběh napětí a proudu z měniče je PWM modulací generován nepříznivě pro motor a při změně tvaru pulzů bychom mohli eliminovat nežádoucí ložiskové proudy nebo napětí. Proto lze výstupní frekvenci a tvar výstupního napětí měnit, a to nastavením výstupní spínací frekvence. U měničů Danfoss existuje možnost úpravy spínací frekvence ve skupině parametrů, která se nazývá speciální funkce. Zde je tedy možné upravit spínací kmitočet a je doporučeno použít co nejnižší spínací frekvenci.

Tematika ložiskových proudů je stále ještě předmětem zkoumání. Obecně je možné říci, že problémy s jiskřením v ložiscích, ložiskové proudy, napětí na hřídeli motoru se v praxi většinou řeší u motorů s osovou výškou větší než 280 mm. Pokud se ale problémy vyskytnou i na menších motorech, je vždy možné některým z výše uvedených postupů reagovat na vzniklou situaci a ve většině případů nalézt řešení.

Lucie Bjačková


Danfoss
U244135@danfoss.com
//www.danfoss.cz/VLT

Použitá literatura:
[1] GAMBICA/REMA Working Group: VARIABLE SPEED DRIVES AND MOTORS - Motor Shaft Voltages and Bearing Currents under PWM Inverter Operation

[2] GAMBICA/REMA User Guide No. 2: Motor Shaft Voltages and Bearing Currents

[3] DIAGNOSTIKA POŠKOZENÍ LOŽISKA PRŮCHODEM ELEKTRICKÉHO PROUDU
Karel CHMELÍK, VŠB-TU Ostrava, FEI
Jiří POSPÍŠILÍK, VŠB-TU Ostrava, FEI

[4] Danfoss - Geilager Gregers - Secondary effects on output side of VSD and mitigation methods