Prądy łożyskowe wywołane przez falownik (VFD) to rozproszone wyładowania elektryczne przechodzące przez łożyska silnika, do których dochodzi, ponieważ szybkie przełączanie przemiennika częstotliwości pozostawia napięcie na wale bez „czystej” drogi odpływu. Pozostawione bez zabezpieczenia, te wyładowania stopniowo erodują iskrowo bieżnie łożyska, tak że silnik, który powinien pracować latami, zawodzi w ciągu miesięcy; naprawa jest prosta, dobrze znana i tania w porównaniu z kosztami awarii.
Przemiennik częstotliwości nie generuje czystej fali sinusoidalnej. Buduje ją z tysięcy szybkich impulsów stałoprądowych (modulacja szerokości impulsu, PWM) przełączanych przez tranzystory IGBT, zazwyczaj z częstotliwością nośną w zakresie około 2, 16 kHz.
Każde zbocze impulsu narasta od zera do pełnego napięcia szyny DC w ułamek mikrosekundy, podczas gdy sinusoidalne napięcie sieci potrzebuje kilku milisekund, by przejść od zera do wartości szczytowej. To szybkie zbocze jest całym problemem: to nie częstotliwość pracy silnika uszkadza łożyska, lecz prędkość przełączania stopnia wyjściowego falownika.
W prawidłowym układzie trójfazowym chwilowa suma trzech napięć fazowych wynosi zero. Przełączanie PWM nie utrzymuje tej sumy dokładnie na zero w każdym momencie, więc pojawia się rezidualne napięcie „wspólne” między uzwojeniami stojana a uziemioną obudową silnika.
To napięcie wspólne sprzęga się przez małą szczelinę powietrzną między stojanem a wirnikiem poprzez pojemność pasożytniczą, w ten sam sposób w jaki kondensator przenosi sygnał przemienny przez izolującą przerwę. W rezultacie na wirniku pojawia się napięcie, a ponieważ wirnik i wał są elektrycznie ciągłym kawałkiem stali, napięcie pojawia się również na wale.
Łożysko toczne nie jest solidnym połączeniem elektrycznym między wałem a obudową. Mikroskopijnie cienka warstwa smaru oddziela kulki lub wałeczki od bieżni i ta warstwa zachowuje się jednocześnie jak niewielki kondensator i bariera dielektryczna. Dopóki napięcie na wale jest niskie, warstwa izoluje.
Gdy napięcie przekroczy wytrzymałość dielektryczną tej warstwy, warstewka ulega przebiciu i przez nią przeskakuje krótkotrwała, intensywna iskra, dokładnie jak w mikroskopijnym procesie elektroerozji (EDM). Dlatego branża nazywa ten tryb awarii uszkodzeniem łożyska przez prąd EDM: fizyka jest taka sama jak w celowo stosowanej elektroerozji, tylko że tutaj jest niechciana i niekontrolowana.
Każde wyładowanie usuwa mikroskopijną ilość metalu z bieżni i powierzchni kulki. Samo w sobie pojedyncze iskrzenie jest nieistotne. Powtarzane tysiące razy na sekundę podczas pracy, uszkodzenia kumulują się w rozpoznawalnej progresji:
Ponieważ żłobkowanie ma kierunkowy, uporządkowany charakter, a nie losowe punktowe zapustkowanie typowe dla zanieczyszczeń czy awarii smarowania, jest to jedno z łatwiej rozpoznawalnych uszkodzeń wśród typowych trybów i objawów awarii łożysk.
NEMA MG1 część 31 zaleca rozważyć izolację łożysk, gdy maksymalne napięcie na wale przekracza 300 mV, i wskazuje to szczególnie dla silników o rozmiarach ramy zwykle 500 i większych. IEC TS 60034-25 daje podobne wytyczne od strony międzynarodowej, zalecając łożysko izolowane na stronie nie napędowej dla większych maszyn zasilanych przez falownik, aby przerwać obieg prądu krążącego. Ryzyko rośnie wraz z rozmiarem ramy silnika, z dłuższymi przebiegami kabli silnika (co zwiększa napięcie związane z falą odbitą, widziane na zaciskach silnika) oraz z wyższymi ustawieniami częstotliwości nośnej PWM, ponieważ większa liczba zdarzeń przełączania na sekundę oznacza więcej okazji do wyładowań na sekundę.
| Czynnik ryzyka | Wpływ na ryzyko prądów łożyskowych |
|---|---|
| Większy rozmiar ramy (NEMA 500+ zgodnie z MG1 część 31) | Wyższe; norma wyraźnie sygnalizuje przegląd izolacji |
| Długie przebiegi kabla do silnika | Wyższe; zwiększa naprężenie napięciowe fali odbitej |
| Wysoka częstotliwość nośna PWM | Wyższe; więcej zboczy przełączania na sekundę |
| Obudowa silnika nieuziemiona lub słabo połączona | Wyższe; prąd wspólnego trybu szuka dowolnej dostępnej ścieżki, w tym łożyska |
Pierścień uziemiający wał montuje się wokół wału i zapewnia niskoomową ścieżkę z wału do obudowy silnika, omijając całkowicie łożysko, używając przewodzących mikrowłókien lub podobnego elementu zapewniającego ciągły kontakt zamiast polegania na filmie smarnym łożyska do przewodzenia prądu.
Prawidłowo zainstalowany i utrzymywany daje prądowi wspólnego trybu łatwą drogę powrotną, zanim zdąży narosnąć na tyle, by przebić warstwę oleju. Jest to jedno z najtańszych zabezpieczeń i zwykle montuje się je na stronie nie napędowej silnika, czyli tam, gdzie podczas modernizacji falownika ocenia się razem klasę izolacji silnika i dobór łożysk.
Łożysko izolowane stosuje powłokę ceramiczną lub hybrydowe elementy toczne z ceramiki, aby przerwać obwód w jednym łożysku, zwykle na stronie nie napędowej, tak by prąd nie mógł się zamknąć przez to łożysko. To nie eliminuje napięcia wspólnego; po prostu uniemożliwia mu przepływ przez chronione łożysko.
Ponieważ prąd nadal wybierze drogę o najmniejszej oporności, izolowanie jednego łożyska bez rozwiązania problemu napięcia na wale u źródła może spowodować zwiększony przepływ przez drugie, niechronione łożysko, dlatego łożyska izolowane zwykle stosuje się w parze z pierścieniem uziemiającym wał, a nie samodzielnie.
Filtr dv/dt umieszcza się między falownikiem a silnikiem i spowalnia narost napięcia na każdym zboczu przełączania, zmniejszając szybkie dv/dt, które w pierwszej kolejności napędza sprzężenie pojemnościowe prowadzące do napięcia wspólnego. Reaktory wyjściowe oferują lżejszą i tańszą wersję tej samej idei dla krótszych przebiegów kabli.
Ponieważ te urządzenia rozwiązują problem u jego źródła, a nie tylko odprowadzają prąd po fakcie, są najpełniejszym rozwiązaniem, szczególnie w nowych instalacjach z długimi przebiegami kabli, gdzie efekty fali odbitej potęgują problem, i dobrze łączą się z kontrolą ogólnej jakości zasilania na zasilaczu.
Żadne z tych zabezpieczeń nie wymaga zgadywania, gdy zakład wie, które silniki są narażone: każdy silnik zasilany falownikiem o ramie NEMA 500 lub większej, każdy silnik na długim przebiegu kablowym oraz każdy silnik już wykazujący sygnaturę drgań przypominającą tarkę.
Napięcie na wale można zmierzyć bezpośrednio oscyloskopem i szczotką uziemiającą, a okresowe kontrole drgań i termiczne (por. termografia vs. analiza drgań) wychwycą żłobkowanie zanim dojdzie do awarii.
Fabrico odczytuje stan maszyny i OEE bezpośrednio z linii i automatycznie kieruje zlecenie robocze w momencie wykrycia utraty, takiej jak wczesne żłobkowanie, wychwytując to, co sam próg czujnika by przeoczył, a działa w UE z lokalizacją danych w UE zgodnie z ISO 27001, ISO 20000-1 i ISO 9001.
Zarezerwuj demonstrację Fabrico , by zobaczyć to na własnej linii.
Każdy silnik sterowany PWM rozwija pewne napięcie wspólne na wale. To, czy stanie się ono szkodliwe, zależy od wielkości napięcia na wale, rozmiaru ramy silnika, długości kabla, jakości uziemienia i połączeń oraz częstotliwości nośnej. Małe silniki na krótkich, dobrze połączonych kablach przy niskich częstotliwościach nośnych często pracują latami bez problemów.
Tak. Pierścienie uziemiające wał są projektowane jako dodatek montowany wokół odsłoniętego wału, zwykle przy osłonie wentylatora na stronie nie napędowej, bez konieczności przewijania silnika czy wymiany łożyska.
Analiza drgań jest główną nieinwazyjną metodą. Żłobkowanie daje charakterystyczną sygnaturę drgań przy częstotliwościach powiązanych z częstotliwościami przejścia kulek i koszyka łożyska, która jasno pokazuje się w widmie zanim łożysko zostanie rozebrane do wizualnej weryfikacji.
Nie. Uziemienie obudowy jest niezbędne dla bezpieczeństwa i daje prądowi wspólnego trybu ścieżkę powrotną do falownika, ale nie powstrzymuje tego prądu przed skróceniem sobie drogi przez łożysko. Uziemienie wału, łożyska izolowane i filtry dv/dt adresują bezpośrednio drogę przez łożysko.
Zaloguj
Blog
