В некоторых новых установках электроприводов подшипники могут быть повреждены в течение нескольких месяцев после ввода в эксплуатацию. Это может быть вызвано подшипниковыми токами (токами, индуцируемыми на валу двигателя и замыкающимися через подшипники).
Подшипниковые токи известны с самого начала производства двигателей, но за последние несколько лет частота вызванных ими повреждений значительно увеличилась.
Это связано с тем, что современные частотные преобразователи генерируют импульсы напряжения с крутыми фронтами и высокой частотой коммутации и, таким образом, могут вызывать импульсы тока, проходящие через подшипники, большое количество которых может постепенно нарушить поверхность дорожки подшипника.
Чтобы устранить это явление, необходимо предусмотреть надлежащие пути заземления, чтобы нежелательные паразитные токи могли вернуться в частотный преобразователь, не проходя через подшипники.
Величину нежелательных токов также можно уменьшить, используя симметричные экранированные кабели двигателя или фильтруя выходное напряжение частотного преобразователя. Изолируя подшипники двигателя, можно прервать путь тока через подшипники.
Основной принцип
Подшипниковые токи бывают нескольких различных форм. В то время как развитие современных двигателей и производственных технологий почти устранило «низкочастотные» подшипниковые токи, вызванные асимметрией напряжения, крутые фронты напряжения современных частотных преобразователей могут генерировать высокочастотные импульсы тока, проходящие через подшипники.
Если энергия этих импульсов достаточно велика, происходит перенос металла между шариком и дорожками подшипника. Это же явление используется в технологии электроискровой обработки. В результате подшипник необходимо заменить после короткого периода эксплуатации.
Этот феномен был проанализирован совсем недавно. Каждый отдельный компонент электропривода, такой как двигатель, редуктор или частотный преобразователь, является продуктом сложных производственных технологий и обычно имеет благоприятное среднее время наработки на отказ.
Когда эти компоненты комбинируются друг с другом, установленную систему необходимо рассматривать как единое целое и необходимо соблюдать определенные правила установки и монтажа.
В современных частотно-регулируемых электроприводах используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Процессы переключения транзисторов происходят в двадцать раз быстрее, чем те, которые считались типичными десять лет назад.
В настоящее время наблюдается увеличение количества отказов подшипников в двигательных установках в результате этого явления, относительно быстро после ввода в эксплуатацию, обычно в течение одного-шести месяцев.
Типы высокочастотных подшипниковых токов
Высокочастотное напряжение в подшипнике может создаваться различными способами.
Наиболее важными базовыми факторами являются размер двигателя и способ заземления вала.
В больших двигателях высокочастотные подшипниковые токи генерируются на валу двигателя в результате несбалансированного распределения магнитного потока в двигателе.
Импульсы напряжения, подаваемые частотным преобразователем, имеют такие высокие частоты, что паразитные индуктивности обмоток двигателя позволяют проводить эти токи на землю. Это вызывает напряжение между двумя концами вала.
Если наведенное напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть импеданс масляной пленки в подшипниках, через подшипник начнет протекать ток высокой частоты. Когда этот ток возвращается к инвертору через цепь заземления, он стремится найти путь с наименьшим импедансом.
Если вал двигателя заземлен через ведомое устройство, часть тока может течь через подшипники, вал и ведомое устройство обратно к частотному преобразователю.
В небольших двигателях внутренние паразитные емкости двигателя могут вызвать достаточно высокое напряжение на валу, чтобы генерировать высокочастотные подшипниковые токи. Это может произойти, если вал не заземлен через ведомую машину.
Подшипниковые токи также возникают в двигателе из-за наличия синфазного напряжения. Обычный трехфазный синусоидальный источник питания в норме близок к идеальному — он симметричен. Векторная сумма всех трех фаз равна нулю. Поэтому нормально, когда нейтральный проводник имеет нулевое напряжение.
Однако это не относится к трехфазному источнику питания с широтно-импульсной модуляцией. В то время как амплитуды напряжения могут быть сбалансированы, невозможно сбалансировать мгновенные значения между фазами, если генерируются импульсы разной ширины.
Если это явление имеет место, нулевая точка будет иметь ненулевое напряжение, и это напряжение может быть определено как источник напряжения согласования.
Напряжение между выходом инвертора и землей вызовет ток через землю через паразитные импедансы всех устройств, подключенных к клеммам привода, таких как кабели и обмотки двигателя.
Импульсы напряжения с крутыми фронтами, создаваемые современными источниками питания, содержат высокие частоты, которые вызывают протекание высокочастотных токов через паразитные емкости, естественным образом возникающие между токонесущими проводниками и землей системы привода.
Влияние импеданса подшипника
Ток подшипника зависит от физического состояния подшипника и может быстро измениться в любое время. Например, способность подшипника сохраняется только до тех пор, пока шарики подшипника покрыты маслом или смазкой и поэтому не проводят ток.
В общем, импеданс подшипника определяет уровень напряжения, при котором подшипник начинает проводить ток. Этот импеданс является нелинейной функцией нагрузки на подшипник, температуры, скорости, используемого смазочного материала и варьируется от случая к случаю.
Предотвращение повреждений из-за высокочастотных подшипниковых токов
Существует три способа воздействия на высокочастотные подшипниковые токи:
- правильно спроектированная кабельная система и система заземления;
- разрыв подшипниковых токовых петель;
- затухание, совместимое с высокими частотами.
Для разных типов высокочастотных подшипниковых токов необходимо принимать разные меры. Основой для обработки всех высокочастотных подшипниковых токов является правильная система заземления.
Стандартные методы заземления оборудования в основном предназначены для обеспечения соединения с достаточно низким импедансом для напряжения сетевой частоты, что обеспечивает защиту оборудования и людей в случае неисправности.
Привод со статическим преобразователем частоты должен быть эффективно заземлен даже при высоких частотах утвержденного напряжения.
Поэтому установка должна выполняться в соответствии со следующими рекомендациями:
- Используются только симметричные многожильные кабели двигателя. Расположение заземления (защитное заземление, PE) в кабеле двигателя должно быть симметричным для предотвращения подшипниковых токов на основной частоте. Симметрия РЕ-проводника достигается путем токопроводящего ограждения всех трех фаз РЕ-проводником, либо с помощью кабеля, в котором три РЕ-проводника размещены симметрично между фазными проводниками.
- Для возврата к инвертору определен короткий путь согласования тока с низким импедансом. Наилучший и самый простой способ — использовать экранированные кабели двигателя. Экранирование должно быть непрерывным и состоять из хорошо проводящего материала, т. е. из меди или алюминия, а соединение на обоих концах должно быть выполнено с разворотом на 360°.
Размыкание подшипниковых токовых петель осуществляется в двигателе за счет изоляции наружного кольца подшипников.
Демпфирование высокочастотных согласующих токов осуществляется специальными фильтрами для частотного преобразователя, предназначенными для этой цели.
Большинство производителей частотных преобразователей имеют подробные инструкции по правильному заземлению и прокладке кабелей при проектировании и монтаже частотно-регулируемых электроприводов.
Измерение высокочастотных подшипниковых токов
Если есть подозрение на наличие высокочастотных подшипниковых токов, можно провести измерения для проверки существования этих токовых петель. Это может быть сложно, учитывая, что параллельный ток может протекать в необычных местах, таких как вращающиеся валы.
С электрической точки зрения это означает обнаружение коротких импульсов с быстрым передним фронтом. Поэтому требуется специальное оборудование и опытный персонал.
Для измерения высокочастотных подшипниковых токов можно использовать специальный измерительный прибор - не содержащий железа датчик тока на основе катушек Роговского.