Motor a hřídelové napětí

Dnešní moderní doba přináší řadu moderních technických aplikací, kdy stále více klasických zařízení je nahrazováno novými modernějšími stroji. Máme možnost měnit plynule otáčky motorů, regulovat výkon či plynule měnit rychlost výrobních linek. Stejnosměrné regulované pohony jsou nahrazovány regulovanými pohony s asynchronními motory, kroužkové motory v těžkém průmyslu nahrazují motory nakrátko ve spojení motor–frekvenční měnič. Všechna tato zařízení používající k regulaci motoru frekvenční měnič jsou vystaveny účinkům kapacitních proudů a vlivu dalších elektrických účinků. Tento článek je zaměřen na důvody použití izolovaného ložiska u motorů a vlivu opatření pro odstranění nepříznivých vlivů na rotující části.


Úvod

Pro správnou funkci soustrojí motor–měnič je nutné pamatovat na správné zapojení motoru k měniči a hlavně na správné uzemnění a pospojování, které je pro životnost
a funkčnost zařízení velice důležité. Vždy je nutné si uvědomit, jak zařízení pracuje a jaké jsou všechny souvislosti spojené s elektrickým napájením motoru, regulací otáček, rezonancí soustavy zařízení a vlastní konstrukcí a v neposlední řadě vlivy, které ovlivňují životnost jednotlivých částí soustrojí.


Princip funkce měniče s pulzně šířkovou modulací

Frekvenční měnič se skládá ze čtyř hlavních částí: usměrňovač, meziobvod, měnič a řídicí obvod. Třífázový frekvenční měnič, který je napájen střídavým proudem obvykle
o frekvenci 50 Hz se v usměrňovači usměrní. Usměrněný stejnosměrný proud je „zvlněný“. V meziobvodě frekvenčního měniče se usměrněný proud za použití filtrů, cívek
a kondenzátorů stabilizuje a vyhladí. Měnič je poslední místo před motorem, kde je výstupní napětí přizpůsobeno požadavkům pro napájení motoru. Měnič nastavuje výstupní napětí podle zátěže tak, aby měl motor potřebné pracovní podmínky v celém regulačním rozsahu v závislosti na napájecí frekvenci motoru. 

Modulované výstupní napětí z frekvenčního měniče má obdélníkový charakter, proud nám tvoří již požadovanou sinusovku příslušné frekvence. Důležitým parametrem frekvenčního měniče je tzv. pulzní frekvence. Velikost této pulzní frekvence (řádově v kHz) ovlivňuje tvar výstupního napětí a proudu. Čím je tato frekvence větší, tím hladší je sinusový průběh proudu. Velikost pulzní frekvence má také vliv na hluk motoru, ztráty v motoru a v neposlední řadě také na velikost kapacitních proudů. 


Vliv pulzní frekvence na životnost strojních zařízení

Pokud napájíme motor z frekvenčního měniče, na napájecí frekvenci (Hz) je také namodulovaná vysokofrekvenční pulzní frekvence (kHz). V obvodu elektromotoru je mnoho izolací (kapacit), které se v obvodu chovají podobně jako kondenzátor. Každá tato kapacita (kapacita vodičů, kapacita izolace vinutí, rotorových tyčí, vzduchové mezery apod.) má svoji impedanci (odpor střídavého proudu) Z = 1/(2pfC). To znamená, že čím vyšší je pulzní frekvence, tím menší je impedance izolačního materiálu a tím větší teče proud přes izolaci. Tyto proudy nazýváme kapacitní proudy.

Pokud se tyto proudy uzavírají přes ložiska motoru, případně přes zuby převodovky, ucpávky apod., snižují životnost strojních zařízení, případně jejich komponentů.

Výrobci motorů dnes vyrábí motory, které jsou uzpůsobeny pro práci s frekvenčním měničem. Motor má upravené vinutí, zesílenou izolace a přední ložisko (NDE) je většinou izolované. Tato izolace ložiska poměrně dobře funguje pro proudy o nižších frekvencích (např. napájecí frekvence 60Hz), ale pro proudy o frekvenci více jak 1 kHz funguje jako kondenzátor. 

Abychom zabránili poškození ložisek motoru a dalších zařízení, je nutné dodržet doporučení výrobců, které spočívá ve správném pospojování neživých částí celého zařízení. Dále je vhodné použít na straně hřídele přizemnění hřídele pomocí kartáče, kde stator motoru vodivě spojíme s rotorem motoru. Všechna tato opatření vedou k zamezení průchodu kapacitních proudů přes ložiska v motoru, případně dalších s motorem spojených zařízení.

Problém ovšem nastává, pokud máme elektromotor se dvěma volnými konci a z obou stran motoru máme přes spojku připojené další zařízení. Na motoru máme sice izolované ložisko, provedli jsme všechna opatření, která jsme výše popsali, ale dalším zařízením jsme prakticky přemostili izolaci ložiska a vodivě uzavřeli obvod, který tvoří zdroj (hřídel motoru) a vodivé komponenty po obou stranách motoru se zemí.

Tato konfigurace zařízení ve většině případů vede k poškození ložisek poháněných zařízení, ucpávek, ozubených kol apod., přes které se uzavírají popsané hřídelové proudy.  

Proto je bezpodmínečně nutné na straně izolovaného ložiska použít také izolovanou spojku, která od zařízení odizoluje hřídel motoru a tím obvod opět rozdělí. Statorové části všech zařízení je nutné mít také uzemněné (pospojováním), abychom vyrovnali potenciály mezi těmito zařízeními soustrojí.

Dlouhodobé zkušenosti ukazují, že ložiska jsou ohrožena tehdy, když efektivní hodnota hřídelového napětí přesáhne 200 mV až 250 mV. Při vyšším napětí může docházet k degradaci mazacího tuku v ložisku, a tím ke ztrátě mazacích vlastností mazacího tuku a k poškození dráhy ložiska od průchodu ložiskových proudů. Při použití měničů bývá pro ložisko nebezpečné také špičkové ložiskové napětí, které může dosahovat i několika desítek voltů, i když efektivní hodnota ložiskového napětí je relativně nízká. 


Závěr

Mnoho diagnostiků řeší stále se opakující poškození ložisek motorů a souvisejících zařízení. Někdy je nutné ve velmi krátkých intervalech provádět výměny ložisek, ucpávek, apod. Dochází k degradaci maziv a především k velmi krátké životnosti komponentů
a i celého zařízení. Dnešní dobu ovládají specializace, kdy projektanti nebo celé firmy řeší pouze svoji část projektu, tzn. jeden projektant řeší strojní část a moc už ho nezajímá ta elektrická, druhý projektant řeší stavební nebo elektrickou část a už neřeší tu strojní. Pokud na zařízení v provozu vznikne později problém, je ve většině případů volán diagnostik, který již musí ovládat všechny obory. Začne měřením vibrací. Zjistí, že je na zařízení je poškozené ložisko a při demontáži odebere vzorek tuku, tribodiagnostik provede jeho analýzu. Ta ukáže, že je tuk velmi zoxidován, což může být důsledkem průchodu ložiskových proudů. To ale nemusí být úplně zřejmé z prohlídky samotného ložiska. Přivolá elektrodiagnostika, který začne posuzovat a měřit napájecí proudy, hřídelové napětí, zemnicí nebo přechodové odpory a provádět frekvenční analýzy všech těchto proudů. V neposlední řadě je nutné společně posoudit celý návrh v souvislosti s dosavadním měřením – jak po stránce strojní, tak po stránce elektrické, včetně způsobu pospojování a systému zemnění. Pokud je zjištěna příčina například v chybějící izolované spojce, přichází nejtěžší část diagnostiky – přesvědčit provozovatele, případně projektanta, že je na zařízení vážný konstrukční problém a že příčina potíží spočívá třeba právě v nepoužití izolované spojky a přemostění izolace ložiska. Pokud se i toto podaří, nastává druhý problém – někdo to celé musí zaplatit. Opravy tohoto druhu spojené se změnou projektu nebývají zrovna nejlevnější. 


Literatura

[1] Chmelík, K., Pospíšilík,J., Foldyna, J., Ložiskové proudy v elektrických strojích., VŠB Ostrava, 2008.

[2] ČSN CLC/TS 60034-25, Točivé elektrické stroje – Část 25: Návod pro navrhování a vlastnosti střídavých motorů navržených speciálně pro napájení z měničů, 2009.

[3] ČSN CLC/TS 60034-17, Točivé elektrické stroje – Část 17: Asynchronní motory nakrátko napájené z měničů. Návod na používání, 2005.

Recenzent: doc. Ing. Stanislav Mišák, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, FEI, certifikovaná osoba na funkci Technik diagnostik elektrických zařízení – kategorie II

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz