Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Ložiskové proudy v moderních pohonných systémech

Elektro 6/2000

Ing. Vladimír Lexa, Ing. František Bernat, CSc.,
ABB ENERGO s.r.o.

Ložiskové proudy v moderních pohonných systémech

U některých nových instalací pohonů může dojít k poškození ložisek již po několika málo měsících od uvedení do provozu. To může být způsobeno ložiskovými proudy, což jsou proudy indukované ve hřídeli motoru a uzavírající se přes ložiska.

Obr. 1.

Ložiskové proudy jsou známy již od počátku výroby motorů, avšak výskyt jimi způsobených poškození narostl během posledních několika let. To proto, že moderní napěťové měniče generují napěťové pulsy se strmými hranami a vysokým spínacím kmitočtem, a mohou tak zapříčinit proudové pulzy procházející ložisky, jejichž velký počet může postupně narušit povrch dráhy ložiska.

K odstranění tohoto jevu je nezbytné zajistit patřičné zemnící cesty a dovolit tak nežádoucím parazitním proudům vrátit se do invertoru, aniž by procházely ložisky. Velikost nežádoucích proudů může být také redukována použitím symetrických motorových kabelů nebo filtrací výstupního napětí invertoru. Izolováním motorových ložisek můžeme přerušit cestu ložiskovým proudům, vysvětluje p. Matti Laitinen, vedoucí konstrukce ABB Industry Oy, Drives, Helsinki, Finsko.

Základní princip
Ložiskové proudy se vyskytují v několika různých podobách. Zatímco vývoj moderních motorů a výrobní technologie téměř zlikvidovaly „nízkofrekvenční“ ložiskové proudy způsobené nesymetrií motoru, strmé napěťové hrany moderních měničů mohou generovat vysokofrekvenční proudové pulsy procházející ložisky. Je-li energie těchto pulsů dostatečně vysoká, nastane přenos kovu mezi kuličkou a dráhami ložiska. Jedná se o stejný jev, který se využívá v technologii elektrojiskrového obrábění. Výsledkem je, že ložisko je třeba vyměnit již po krátké době provozu.

Zmíněný jev byl analyzován teprve nedávno. Každá jednotlivá součást pohonu, jako například motor, převodovka nebo měnič jsou produkty sofistikovaných výrobních technik a běžně mají příznivou střední dobu mezi poruchami (MTBF). Jsou-li tyto součásti vzájemně kombinovány, je třeba na instalovaný systém nahlížet jako na celek a je zapotřebí dodržet určité instalační postupy.

Současná technologie pohonů používá bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT) a spínací děje jsou dvacetkrát rychlejší než ty, které byly považovány za typické před deseti lety. V současné době můžeme sledovat narůstající počet selhání ložisek v pohonných systémech v důsledku zmiňovaného jevu, relativně záhy po uvedení do provozu, během jednoho až šesti měsíců. Rozsah, v jakém k tomu dochází, závisí na konfiguraci pohonného systému a na způsobu instalace.

Typy vysokofrekvenčních ložiskových proudů
Vysokofrekvenční napětí na ložisku může být generováno třemi různými cestami. Nejdůležitějšími základními činiteli jsou velikost motoru a způsob, jakým je hřídel uzemněn.

Obr. 2.

Nesymetrické rozložení magnetického toku
U velkých motorů jsou vysokofrekvenční ložiskové proudy vytvářeny v hřídeli motoru jako důsledek nesymetrického rozložení magnetického toku v motoru. Napěťové pulsy dodávané invertorem obsahují tak vysoké frekvence, že rozptylové indukčnosti vinutí motoru poskytují cestu pro svedení těchto proudů do země. Tím je indukováno napětí mezi oběma konci hřídele. Je-li indukované napětí dostatečně vysoké pro překonání impedance olejového filmu v ložiscích, počne protékat ložiskem vysokofrekvenční proud.

Když se tento proud vrací do invertoru přes zemní obvod, má tendenci hledat cestu s nejnižší impedancí. Je-li hřídel motoru uzemněn přes hnané zařízení, může část proudu téci přes ložiska, hřídel a hnané zařízení zpět do invertoru. Tento typ ložiskového proudu se nazývá zemní proud hřídele.

Parazitní kapacita
U malých motorů mohou vnitřní parazitní kapacity motoru způsobovat napětí na hřídeli dostatečně vysoká k vytvoření vysokofrekvenčních ložiskových proudů. To může nastat, jestliže hřídel není uzemněn přes hnaný stroj.

Souhlasné napětí
Ložiskové proudy se v motoru vyskytují též díky existenci souhlasného napětí (tento termín má anglický ekvivalent „common mode voltage“). Běžný třífázový sinusový napájecí zdroj se za normálních okolností blíží ideálnímu stavu - je symetrický. Vektorový součet všech tří fází je rovný nule. Je tedy normální, že nulový vodič má nulové napětí. Toto však neplatí v případě třífázového napájecího zdroje s pulsně šířkovou modulací. Zatímco amplitudy napětí mohou být vyvážené, není možné docílit vyvážení okamžitých hodnot mezi fázemi, jestliže jsou generovány pulsy o různých šířkách.

Pokud nastane tento jev, bude mít nulový bod nenulové napětí, a toto napětí může být definováno jako zdroj souhlasného napětí. Napětí mezi výstupem invertoru a zemí bude způsobovat zemní proud parazitními impedancemi všech zařízení připojených ke svorkám měniče, jako jsou kabely a vinutí motoru. Toto je známo jako proud způsobený souhlasným napětím.

Napěťové pulsy se strmými hranami, produkované moderními napájecími zdroji, obsahují vysoké frekvence, které způsobují průtok vysokofrekvenčních proudů, přes rozptylové kapacity přirozeně vytvořené mezi vodiči vedoucími proud a zemí pohonného systému. Parazitní kapacita se uplatní, kdykoliv jsou dvě vodivé součásti oddělené izolátorem. Tak například závit statorového vinutí izolovaný od drážky závitovou a drážkovou izolací má kapacitu vůči kostře stroje. Kapacity uvnitř motoru jsou velmi malé. Malé kapacity znamenají velkou impedanci pro nízké kmitočty, blokují tedy nízkofrekvenční parazitní proudy. Pro vysokofrekvenční proudy však i malé kapacity znamenají nízkoimpedanční cestu. Takové proudy jsou součástí celkového souhlasného proudu a procházejí cestou, nazývanou smyčka souhlasných proudů. Několik takových smyček je zformováno v každém pohonném systému, přičemž jejich počet závisí na architektuře systému a použité technice instalace. Všechny začínají ve zdroji souhlasného napětí, tedy v samotném invertoru, kde kolísavý potenciál stejnosměrné sběrnice produkuje velké proudy při vysokých frekvencích pulsů. Tyto vysokofrekvenční proudy směřují do kostry invertoru a zpět do stejnosměrné sběrnice přes parazitní kapacitní vazby. Souhlasný proud tedy přirozeně nehledá zemnící mříž pod povrchem budovy, nebo napájecí transformátor spojený se zemí, ale teče čímkoliv, co má pro něj nejnižší impedanci na cestě zpět do stejnosměrné sběrnice přes kostru invertoru.

Obr. 3.

Účinek impedance ložiska
Proud ložiskem závisí na fyzickém stavu ložiska a může se v každém okamžiku rychle měnit. Například parazitní kapacita ložiska trvá jen tak dlouho, dokud jsou kuličky ložiska pokryty olejem nebo mazivem a jsou tedy nevodivé. Tato kapacita, na níž leží hřídelové napětí, se může zkratovat v důsledku elektrického průrazu nebo když „vrcholový bod“ kuličky protrhne olejový film, a vytvoří kontakt mezi oběma dráhami ložiska. Při velmi malých rychlostech mají ložiska kovový kontakt, protože se nevytvoří olejový film.

Obecně platí, že impedance ložiska určuje napěťovou úroveň, při které ložisko začíná vést. Tato impedance je nelineární funkcí zatížení ložiska, teploty, rychlosti otáčení, použitého maziva a mění se případ od případu.

Předcházení poškození v důsledku vysokofrekvenčních ložiskových proudů.

Jsou tři cesty, jak ovlivnit vysokofrekvenční ložiskové proudy:

  1. správná kabeláž a zemnící systém;
  2. přerušení smyček ložiskových proudů;
  3. tlumení vysokofrekvenčního souhlasného

Pro rozdílné typy vysokofrekvenčních ložiskových proudů je třeba učinit rozdílná opatření.

Základem zvládnutí všech vysokofrekvenčních ložiskových proudů je správný zemnící systém. Standardní způsoby zemnění zařízení jsou převážně navrženy tak, aby zajistily připojení s dostatečně nízkou impedancí pro napětí o síťovém kmitočtu, a tak zajistily ochranu zařízení a lidí, v případě poruchy. Pohon se statickým měničem frekvence musí být efektivně uzemněn i pro vysoké kmitočty souhlasného napětí. Instalace, proto musí být provedena dle následujících doporučení:

  1. Použijí se jen symetrické vícežilové motorové kabely. Uspořádání země (ochranná zem, PE) v motorovém kabelu musí být symetrické, aby se zabránilo ložiskovým proudům při základním kmitočtu. Symetrie vodiče PE se docílí vodivým obklopením všech tří fází vodičem PE, nebo pomocí kabelu, v němž jsou symetricky uloženy mezi fázovými vodiči tři vodiče PE.
  2. Je definována krátká, nízkoimpedanční dráha souhlasného proudu, pro návrat do invertoru. Nejlepší a nejjednodušší způsob, je použít stíněné motorové kabely. Stínění musí být souvislé a z dobře vodivého materiálu, tj. mědi nebo hliníku, a připojení na obou koncích by mělo být provedeno s 360o zakončením. V místě průchodu do skříně měniče prochází kabel vodivou „punčoškou“, která doléhá na stínění kabelu.
  3. Přidáním vysokofrekvenční propojky mezi instalaci a známé zemní referenční body pro vyrovnání potenciálů ovlivněných částí, při čemž se použijí měděné dracouny 50 – 100 mm široké. Ploché vodiče zajišťují cestu o nižší indukčnosti než vodiče kruhového průřezu. To musí být provedeno v bodech, kde je podezření na nespojitost mezi úrovní napětí země invertoru a motoru. Dále může být zapotřebí vyrovnat potenciál mezi kostrou motoru a hnaného zařízení. Tím se škodlivý proud převede pomocným spojem, a ložiska motoru i poháněného zařízení se tak ochrání.

Přerušení smyček ložiskových proudů je provedeno v motoru izolováním vnějšího kroužku ložisek. Tlumení vysokofrekvenčních souhlasných proudů se provádí filtry v invertoru, určenými pro tento účel. Jako výrobce invertorů i motorů může ABB nabídnout nejvhodnější řešení, stejně jako detailní instrukce pro správné zemnění a provedení kabeláže.

Měření vysokofrekvenčních ložiskových proudů
Existuje-li podezření na výskyt vysokofrekvenčních ložiskových proudů, je možné provést měření k ověření existence těchto proudových smyček. To může být obtížné, uvážíme-li, že souhlasný proud může téci neobvyklými místy, jako jsou např. rotující hřídele. Z elektrotechnického hlediska to znamená detekovat krátké pulsy s rychlou náběžnou hranou v zarušeném prostředí. Je proto zapotřebí zvláštního vybavení a zkušený personál. ABB používá pro měření vysokofrekvenčních ložiskových proudů speciálně vyvinutý proudový senzor bez železa, na bázi Rogowského potenciometru, a má rozsáhlé zkušenosti z více než 900 změřených pohonných systémů v různých aplikacích po celém světě.

Více informací o motorech a frekvenčních měničích ABB poskytne:

ABB Energo s. r. o.
Ing. Vladimír Lexa
Sokolovská 84-86
186 00 PRAHA 8-Karlín

tel.: +420-2-2283 2327
fax: +420-2-2283 2310
E-mail: vladimir.lexa@cz.abb.com
Internet: http://www.abb.com/motors&drives, http://www.comp-ac.com