В некоторых новых установках электроприводов подшипники могут быть повреждены в течение нескольких месяцев после ввода в эксплуатацию. Это может быть вызвано токами в подшипниках (токи, индуцированные в валу двигателя, и токи, короткозамкнутые через подшипники).
Токи в подшипниках известны с начала производства двигателей, но частота повреждений, вызванных токами в подшипниках, значительно возросла за последние несколько лет.
Это связано с тем, что импульсы напряжения, генерируемые современными преобразователями частоты, имеют крутые фронты и высокую частоту переключения и поэтому могут вызывать импульсы тока через подшипники, большое количество которых может постепенно повредить поверхности дорожек качения подшипников.
Чтобы устранить это, необходимо обеспечить подходящий путь заземления, чтобы нежелательные паразитные токи могли возвращаться в преобразователь, не проходя через подшипник.
Величину нежелательного тока можно также уменьшить, используя симметрично экранированные кабели двигателя или фильтруя выходное напряжение преобразователя частоты. Изолируя подшипники двигателя, можно прервать путь тока через подшипники.
Основные принципы
Несущие токи могут принимать несколько различных форм. Хотя развитие современных двигателей и технологий производства практически устранило «низкочастотные» токи в подшипниках, вызванные асимметрией напряжения, крутые фронты напряжения современных преобразователей частоты могут генерировать высокочастотные импульсы тока, которые проходят через подшипники.
Если энергия этих импульсов достаточно высока, может произойти перенос металла между шариком и седлом подшипника. Это же явление используется и в технологии EDM. В результате подшипники необходимо заменять после короткого периода эксплуатации.
Это явление было проанализировано совсем недавно. Каждый отдельный компонент привода, такой как двигатель, редуктор или частотный преобразователь, является продуктом сложной технологии производства и обычно имеет хорошую наработку на отказ.
Когда эти компоненты комбинируются друг с другом, установленную систему необходимо рассматривать как единое целое и соблюдать определенные правила монтажа и установки.
В современных частотно-регулируемых приводах используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Процесс переключения транзисторов происходит в двадцать раз быстрее, чем то, что считалось типичным десять лет назад.
В настоящее время из-за этого явления все чаще происходят отказы подшипников в двигателях, причем относительно скоро после ввода в эксплуатацию, обычно в течение одного-шести месяцев.
Виды высокочастотных подшипниковых токов
Токи высокой частоты в подшипниках могут генерироваться различными способами.
Наиболее важными основными факторами являются размер двигателя и способ заземления вала.
В больших двигателях на валу двигателя возникают высокочастотные подшипниковые токи из-за несбалансированного распределения магнитного потока в двигателе.
Импульсы напряжения, подаваемые преобразователем частоты, имеют такую высокую частоту, что паразитная индуктивность обмоток двигателя позволяет проводить эти токи на землю. Это индуцирует напряжение между двумя концами вала.
Если наведенное напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть сопротивление масляной пленки в подшипнике, через подшипник начнет протекать ток высокой частоты. Поскольку этот ток возвращается к преобразователю через контур заземления, он стремится найти путь с наименьшим сопротивлением.
Если вал двигателя заземлен через последователя, часть тока может возвращаться в преобразователь через подшипники, вал и последователя.
В небольших двигателях внутренняя паразитная емкость двигателя может вызвать достаточно высокое напряжение на валу, чтобы генерировать высокочастотные токи подшипников. Это может произойти, если вал не заземлен через приводимую машину.
Токи в подшипниках также могут возникать в двигателях из-за наличия синфазных напряжений. Типичный трехфазный синусоидальный источник питания обычно близок к идеальному — он симметричен. Сумма векторов всех трех фаз равна нулю. Поэтому нормальным является нулевое напряжение на нейтральном проводе.
Однако это не относится к трехфазному источнику питания с широтно-импульсной модуляцией. Хотя амплитуды напряжения могут быть сбалансированы, невозможно сбалансировать мгновенные значения между фазами, если генерируются импульсы разной ширины.
Если это произойдет, то в нулевой точке будет ненулевое напряжение, которое можно определить как источник согласующего напряжения.
Напряжение между выходом преобразователя и землей вызывает ток через землю через паразитное сопротивление всех устройств, подключенных к клеммам преобразователя, таких как кабели и обмотки двигателя.
Импульсы напряжения с крутым фронтом, генерируемые современными источниками питания, содержат высокие частоты, которые вызывают протекание токов высокой частоты через естественно возникающую паразитную емкость между токоведущими проводниками системы привода и землей.
Влияние импеданса подшипника
Ток подшипника зависит от физического состояния подшипника и может быстро измениться в любой момент. Например, грузоподъемность подшипника может сохраняться только в том случае, если шарики подшипника покрыты маслом или смазкой и, таким образом, не проводят ток.
В целом, 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 токов высокой частоты в подшипниках
Существует три способа борьбы с высокочастотными токами в подшипниках
- Правильно спроектированная кабельная система и система заземления.
- Разрыв цепи тока подшипника.
- Затухание, совместимое с высокими частотами.
Для различных типов высокочастотных токов подшипников необходимо принимать различные меры. Основой для работы со всеми ВЧ-токами является правильно заземленная система.
Стандартный метод заземления оборудования в первую очередь предназначен для обеспечения соединения с достаточно низким сопротивлением напряжению рабочей частоты для защиты оборудования и персонала в случае неисправности.
Приводы со статическими преобразователями частоты должны быть эффективно заземлены, даже при высоких частотах допустимого напряжения.
Поэтому установка должна выполняться в соответствии со следующими рекомендациями.
- Следует использовать только симметричные многожильные кабели двигателя. Заземляющее устройство (защитное заземление, PE) в кабеле двигателя должно быть симметричным, чтобы предотвратить токи в подшипниках на основных частотах. Симметрия проводников PE достигается путем окружения всех трех фаз проводниками PE или использованием кабелей с тремя проводниками PE, расположенными симметрично между фазными проводниками.
- Определите короткий путь согласования тока с низким сопротивлением для возврата в преобразователь. Самый лучший и простой метод — использовать экранированные кабели двигателя. Экран должен быть непрерывным и состоять из хорошего проводящего материала, т.е. меди или алюминия, а соединение на обоих концах должно поворачиваться на 360°.
Благодаря изоляции наружного кольца подшипника в двигателе разрывается цепь тока подшипника.
Демпфирование высокочастотных токов согласования обеспечивается специальными фильтрами для преобразователей частоты, предназначенными для этой цели.
Подробные инструкции по правильному заземлению и подключению можно получить у большинства производителей инверторов при проектировании и установке инверторов.
Измерение высокочастотных токов подшипников
При подозрении на наличие токов высокой частоты в подшипниках, наличие этих токовых петель может быть проверено путем измерения. Это может быть затруднительно, поскольку параллельные токи могут протекать в необычных местах, например, во вращающихся валах.
С электрической точки зрения это означает обнаружение коротких импульсов с быстрыми фронтами. Поэтому требуется специальное оборудование и опытный персонал.
Для измерения высокочастотных токов подшипников имеется специальное измерительное устройство — безжелезный датчик тока на основе катушки Роговского.
