Měření při údržbě pohonů (5. část – dokončení)

Hřídelové napětí a ložiskový proud – proč se rychleji poškozují ložiska na motorech s měniči a jak zjistit příčinu

V předchozí části pokračování našeho seriálu jsme se zabývali měřením na výstupu měniče a svorkách motoru a jeho vyhodnocováním. Zaměřili jsme se na parazitní odrazy vznikající na vedení mezi motorem a měničem, které mohou poškodit vinutí motoru a možnostmi jejich zjištění a eliminace.

V dnešním závěrečném díle seriálů o možnostech využití přístroje Fluke MDA 550 pro měření na řízených pohonech se zaměříme na další parazitním jev, jenž může způsobovat zkracování životnosti ložisek motorů či hnaných strojů, vedoucímu až k jejich haváriím.

Při provozu motoru se uplatňuje několik jevů, při kterých dochází ke vzniku napětí na jeho hřídeli motoru.

Jedním ze zdrojů tohoto napětí může být asymetrie v tolerancích rozměrů výroby rotoru a statoru. Tento jev je pozorovatelný i při sinusovém napájení motoru, kdy díky změnám magnetického pole při rotaci rotoru se indukuje napětí na hřídeli motoru. Toto napětí se snaží uzavřít obvod cestou nejmenšího odporu. Touto cestou je smyčka uzavírající se přes ložiska motoru. Pokud pak napětí překročí izolační schopnost maziv v ložisku, dochází k průrazu a poškození ložiska. Díky vysoké přesnosti dnešní výroby je však tento způsob vzniku hřídelového napětí u dnešních motorů zanedbatelný.

Další příčinou vzniku hřídelového napětí jsou kapacitní efekty mezi statorem a rotorem motoru. Napětí na hřídeli při rotaci postupně stoupá, až dojde k překročení izolační schopnosti nejslabší části motoru, což je mazivo ložiska. Dojde k elektrickému průrazu, poklesu napětí a opětovnému nárůstu napětí mezi kostrou motoru a rotorem a tento jev se stále opakuje.

  
Obr. 1. Hřídelové napětí, Obr. 2. Cesta vazebního proudu

Třetím, a dnes nejvýznamnějším zdrojem hřídelového napětí je situace, kdy motor není napájen napětím sinusovým, ale napětím z výstupu měniče, kdy jeho průběh na svorkách motoru je obdélníkový s šířkovou modulací. Toto „syntetické“ napětí s proměnnou frekvencí, je generováno konečným počtem kroků. Spínací prvky nejsou vždy sepnuté ve všech fázích ve stejném okamžiku. Tím pak dochází ke vzniku souhlasného napětí, které kopíruje nestejné okamžiky sepnutí spínacích prvků měniče a indukuje se na rotoru motoru. Jeho frekvence odpovídá nosné frekvenci měniče. Průběh tohoto napětí je patrný na obr. 1. Ke zhoršení tohoto jevu může nastat ještě díky nesymetrii napětí výstupu měniče díky například poruše spínacích prvků měniče.

Takto vzniklé napětí, které může dosáhnout až 70 V, se snaží uzavřít cestou nejmenšího odporu. Jak již bylo řečeno, touto cestou je cesta z hřídele přes ložisko na kostru motoru a zpět, případně přes uzemnění či hřídel a ložisko hnaného stroje, pokud je spoj vodivý (obr. 2). Pokud toto napětí mezi hřídelí a kostrou překročí izolační schopnosti maziva ložisek, může docházet k elektrickým výbojům jiskření (obr. 3). Tyto výboje pak vytvářejí mikrokrátery v materiálu kroužků a dochází k jejich vybrušování (obr. 4). Takto poškozené ložisko selže mnohem dříve něž je jeho běžná životnost. Velikost takto vzniklého ložiskového proudu souvisí s velikostí konstrukčních částí motoru, roste samozřejmě s výkonem motoru a může být poměrně velká.

 
Obr. 3. Jiskření, Obr. 4. Mikrokrátery

Na motorech napájených střídavým napětím sinusového průběhu mají napětí mezi hřídelí, ložiskem a kostrou velikost zhruba 1 až 2 V a nemají tak dostatečnou velikost na překročení elektrické pevnosti maziva. Zatímco u motorů napájených frekvenčními měniči může napětí mezi hřídelí, ložiskem a kostrou být běžně 8 až 15 V a ve špičce až zmíněných 70 V. Napětí této velikosti již snadno prorazí izolaci tvořenou tenkým filmem maziva ložiska. Jak je patrno z obr. 2, je tok parazitních proudů hřídelového napětí závislý na konstrukci motoru i soustrojí. Pro identifikaci přítomnosti těchto parazitních jevů je vhodné měření hřídelového napětí, které vyvolává ložiskový proud.

  
Obr. 5. Hlavní menu přístroje, Obr. 6. Průběh hřídelového napětí

  
Obr. 7. Tabulka zachycených událostí, Obr. 8. Nástavce na osciloskopickou sondu

Pro ověření přítomnosti a změření velikosti hřídelového napětí je přístroj Fluke MDA 550 vybaven speciální funkcí „Motor shaft“ (v české verzi menu, na kterou lze přístroj přepnout „Hřídel motoru“). Na obrázku 5 je patrné hlavní menu přístroje s volnou „Motor Shaft“. Výběrem této funkce přejdeme na podmenu „Motor Shaft Voltage“ (hřídelové napětí). Po této volbě přejdeme na měřicí obrazovku na obr. 6. Zde je zobrazen průběh hřídelového napětí (obr. 1), pokud zvolíme „EVENTS OFF“ na spodní liště MENU. Pokud zde zvolíme „EVENTS ON“ přístroj zachycuje a zobrazuje události nastalých „průrazů“ automaticky, na základě předem nastavených parametrů. Jak je vidět je zobrazován tvar špičky hřídelového napětí. Parametry, podle kterých se řídí zachycování událostí, a tedy i zjišťování přítomnosti a vlastností hřídelového napětí jsou: rozdíl napětí (Delta V), rychlost náběžné/sestupné hrany impulzu, změna rychlosti (Delta V/s) a počet událostí za sekundu (Events/s). Volbou v pravém spodním rohu lišty obrazovky (obr. 5) lze přepnout mezi zobrazením tvaru zachycených událostí a tabulkou počtu zachycených událostí (obr. 7). V tabulce příkladu jsou zachyceny všechny události se změnou napětí rychlejší než 50 ns, a jsou seřazeny podle velikosti napětí každé z událostí. Během měření jsou události postupně čítány a zobrazovány v příslušných sloupcích. Červeně je pak označen počet událostí, které překročili limit průrazného napětí, v našem případě 10 V. Takto snadno, pouhým přiložením speciální sondy na hřídel motoru a několikaminutovým snímáním zjistíme, zda se na hřídeli vyskytuje hřídelové napětí poškozující ložisko a v jaké intenzitě se to děje. Pro snímání napětí z hřídele je v sadě dodávané s přístroje Fluke MDA 550 několik speciálních nástavců na osciloskopickou sondu, které jsou zakončeny štětečky z uhlíkových mikrovláken (obr 8). Příklad snímání hřídelového napětí je na obr. 9.

Obr. 9. Příklad snímání hřídelového napětí

Obr. 10. Analyzátor pohonů Fluke MDA 550

Přistroj Fluke MDA 550 (obr. 10) je vybaven, kromě v tomto seriálu popisovaných funkcí Motor Drive Analyzeru, všemi funkcemi známými z bateriových osciloskopů řady Scopemeter Fluke 190. Přístroj lze tak použít i na další měření při ověřování situace v automatizaci a průmyslové elektronice.

Podrobnosti o analyzátoru pohonů Fluke MDA 550 a případných školeních k jeho používání získáte od zástupce firmy Fluke, společnosti Blue Panther, s. r. o.

Měření při údržbě pohonů a motorů (4) - Proč měřit na výstupu měniče a na svorkách motoru