Opomíjený vliv frekvenčních měničů na technický stav strojních zařízení

1. Problematika pohonů s frekvenčními měniči

Systémy řízení elektromotorů frekvenčními měniči jsou v dnešní době velice rozšířené pro regulaci otáček i výkonu poháněných strojů. Avšak negativní vlivy, jež ovlivňují  technický stav elektromotorů, jsou opomíjeny. Pro zabezpečení bezporuchového provozu je třeba porozumět všem vlivům, jež vznikají ve strojním zařízení a pohonu, který je řízen frekvenčním měničem.

Při napájení elektromotorů ze standardní distribuční sítě jsou za ideálních podmínek souhlasné napětí a proud (vektorový součet všech tří fází) nulové a nedochází k indukci hřídelových napětí (za podmínky symetrického magnetického pole ideálního elektromotoru).

V případě, že dojde k nesymetrii magnetického pole z různých důvodů (např. nesymetrie napětí, nenulové souhlasné napětí, geometrie stroje, nehomogenita magnetických částí
elektromotoru, problémy s vinutím apod.), dochází k naindukování napětí na hřídel elektromotoru a k uzavření proudu mezi rotorem a ostatními statickými částmi elektromotoru,
přes ložiska, spojku atd.

Napájecí frekvence motoru z distribuční sítě je obvykle 50 Hz, v některých případech může být i 60 Hz. Při napájení z frekvenčního měniče se napájecí frekvence pohybuje v určitém frekvenčním rozmezí, které je nejčastěji omezeno u nízkých frekvencí účinností chlazení elektromotoru a při vyšších frekvencí maximálními otáčkami elektromotoru.
Frekvenční měniče pracují se spínací frekvencí v řádech kilohertzů (kHz). Výstupní napětí z frekvenčního měniče má obvykle obdélníkový průběh, oproti tomu proud má sinusový průběh, na kterém je namodulovaná pulzní frekvence.

Veškeré izolace, které oddělují živé části od neživých, se chovají jako kondenzátor s určitou kapacitou a impedancí. Tyto vysoké frekvence (spínací frekvence a jejich harmonické
složky) se přes tyto izolace dostávají na neživé části a uzavírají se přes konstrukce neživých částí cestou nejnižší impedance zpět do frekvenčního měniče.

Proudy, které pak tečou neživými částmi strojního zařízení, bývají kombinací zdrojů hřídelového napětí (z nesymetrie magnetického pole) a kapacitních proudů z frekvenčního měniče. V mnoha případech se na zařízení mohou vyskytovat proudy i z jiných zdrojů, než ze samotného pohonu, tzv. bludné proudy (například proudy z vyrovnávání potenciálů mezi různými zařízeními či budovami, proudy ze sousedních strojních zařízení, vnější proudy, apod.). Problém nastává, když tyto proudy tečou přes rotační komponenty, jako jsou ložiska, spojky, zubová kola převodovek, ucpávky, maziva apod. V těchto případech pak dochází k degradaci především maziv, ložisek a dalších částí strojních zařízení.

Snahou projektanta, diagnostika a technika údržby, je pak eliminovat tyto příčiny poškození částí strojního zařízení, zjistit, proč a z jakého důvodu k poškození či snížení životnosti komponent dochází, a najít vhodná opatření pro zabránění průchodu proudu přes tyto důležité části strojního zařízení.

Obr. 2. Proud uzavíraný z hřídelového napětí elektromotoru

Obr. 3. Kapacitní proudy z FM

2. Příklady poškození ložisek způsobené průchodem elektrického proudu

2.1. Příklad 1

Na obrázku 4 je uvedena soustava elektromotor 200 kW (1 480 min-1) – dvouvzpěrný čelisťový drtič. Strojní zařízení nebylo pořizováno jako celek (tzv. na klíč), ale jednotlivé strojní uzly byly dodány od více dodavatelů (bohužel - z ekonomických důvodů). Provozovatel stroje se nezabýval výše uvedenými skutečnostmi (patrně ani netušil, že je třeba této problematice věnovat zvýšenou pozornost), ačkoliv řízení pohonu frekvenčním měničem bylo od počátku v projektu.

Obr. 4. Pohon drtiče (ilustrativní obrázek)

Opomineme‑li skutečnost, že zapojení měniče nebylo provedeno dle projektové dokumentace (nedostatečný průřez vodičů, délka napájecího kabelu z rozvaděče, uzemnění, ekvipotenciální pospojování, apod.), primárním problémem bylo dodání elektromotoru v provedení s neizolovanými ložisky (důsledek výše uvedené dodávky od více dodavatelů).

Je velice pravděpodobné, že v případě realizace jedním dodavatelem komplexně realizujícím celou zakázku, by výše uvedené nedostatky nevznikly. Paradoxně, náklady  ušetřené na vstupu (nákupu), se následně investují do provozu (oprav).

Obr. 5. Spektrum zrychlení vibrací a trend

Průběh poškození ložisek z pohledu FFT analýzy vibračního signálu je uveden na obrázku 5. Prvotní hodnota v trendu z roku 2020 je z nově instalovaného stroje. Je patrné, že životnost ložisek byla vyčerpána za necelý rok. Harmonické frekvenční složky označené ve spektru zrychlení vibrací z roku 2021 mají rozestup 76,75 Hz. Tyto frekvence odpovídají poškození vnějšího kroužku ložiska 6319 (defektní ložiskové frekvence vnitřního / vnějšího kroužku, klece a valivých elementů lze jednoduše spočítat – viz obrázek 6).

Obr. 6. Výpočet ložiskových frekvencí

Prováděným opakovaným vibrodiagnostickým měřením se zamezilo havárii stroje, jelikož provozovatel neměl o vznikajícím problému ponětí. Díky včasnému upozornění na havarijní stav byly ekonomické ztráty sníženy na minimum (elektromotor nehavaroval, nedošlo k prostoji výroby). V nejbližší plánované odstávce byla na elektromotoru vyměněna ložiska (na NDE straně bylo instalováno izolované ložisko).

Výstupem z vibrodiagnostického měření bylo odhalení havarijního stavu ložisek, avšak profesním posláním diagnostika není pouze specifikace aktuálního technického stavu (tzv. predikce), důležité je specifikovat podstatu, proč k problému došlo (tzv. proaktivita).

Dle štítku elektromotoru byla požita ložiska na straně NDE: 6319C3 a DE: NU322. Z frekvenčních spekter je patrné, že proud procházel výhradně přes ložisko na NDE straně, jelikož ložiskové vady válečkového ložiska NU322 nebyly ve frekvenčních spektrech přítomny.

Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem (výrazné poškození ložiska NDE strany za velmi krátké časové období v souvislosti s řízením frekvenčním měničem) bylo podezření na poškození průchodem elektrického proudu opodstatněné. Fotografie poškození ložisek demontovaných z elektromotoru jsou uvedeny na obrázku 7.

Obr. 7. Poškození ložisek

Podobným případem může být i poškození izolovaných ložisek soustrojí elektromotoru 1200 kW (1 500 min-1) – gumárenský hnětič, kde ložiska elektromotoru (na NDE straně izolována) dosáhla konce své životnosti po třech letech provozu. Hlavním problémem bylo nedodržení vhodného zapojení motoru k frekvenčnímu měniči.

Obr. 8. Spektrum obálky zrychlení vibrací a trend

Průběh poškození ložisek z pohledu FFT analýzy vibračního signálu je uveden na obrázku 8. Prvotní hodnota v trendu z roku 2019 je z nově instalovaného stroje. Harmonické frekvenční složky označené ve spektru obálky zrychlení vibrací z roku 2022 mají rozestup 63,5 Hz = vady vnějšího kroužku (BPOR) ložiska 6226C3 a 7,06 Hz = vady klece (FTF) ložiska 6226C3. Ve spektrech jsou rovněž patrné výrazné harmonické frekvence 69,68 Hz, které souvisí s napájecí frekvencí měniče. Výpočet defektních ložiskových vad je uveden na obrázku 10.

Obr. 9. Spektrum zrychlení vibrací a trend

Na obrázku 9 je ve frekvenčním spektru zrychlení vibrací vliv měniče nejzřetelnější. Dominantní harmonické frekvence s rozestupem 69,68 Hz (2LF) odpovídají dvojnásobku napájecí frekvence měniče (34,33 Hz) při aktuálních otáčkách elektromotoru 1 030 min^-1. Během provozu se frekvence měniče pohybovala v rozmezí 24–35 Hz.

Obr. 10. Výpočet ložiskových frekvencí

Na základě podezření na poškození ložisek vlivem průchodu elektrického proudu byla provedena elektrodiagnostika napájení elektromotoru. Z časového signálu, který byl měřen
na všech fázích elektromotoru, je vidět nestandardní průběh proudu s napájecí frekvenci 24 Hz a s výraznou frekvenční modulací v blízkosti 550 Hz. Ve spektru proudu je vidět, že se jedná o široké frekvenční pásmo 550 Hz +/- 150 Hz. V důsledku této modulace lze předpokládat, že zde dochází k indukci řídelového napětí o vyšších frekvencích a uzavírání proudu přes ložiska motoru, kde standardní izolované ložisko je již nedostačující.

Obr. 11. Časový průběh a frekvenční spektrum napájecího proudu

Na obrázku 12 je vidět poškození ložisek elektromotoru, kde došlo k destrukci valivých elementů a valivých drah ložisek.

Obr. 12. Poškození ložiska (prasklý valivý element, vady na valivých elementech)

2.2. Příklad č. 2

Dalším příkladem na obrázku 13 je diagnostika proudu v ekvipotenciálním pospojování elektromotoru, převodovky a čerpadla. Podobně, jako tomu bylo u prvního příkladu, byl pro provoz zařízení použit elektromotor bez izolovaných ložisek a připojení elektromotoru k frekvenčnímu měniči nebylo provedeno podle zásad pro tyto instalace. Po velmi krátké
době, cca jednoho roku, došlo k poškození ložisek elektromotoru. Měřením proudu v ekvipotenciálním pospojování mezi jednotlivými komponenty, hlavní ochrannou přípojnicí a uzemněním bylo zjištěno, jak se proudy indukované do hřídele uzavírají. Na základě tohoto měření byla stanovena i hypotéza a předpoklad dalšího poškození ozubení převodovky a ložisek čerpadla.

Obr. 13. Proudová mapa naměřených proudů ekvipotenciálního pospojování zařízení

Provozovateli byla doporučena okamžitá výměna ložisek na elektromotoru a osazení izolovaného ložiska elektromotoru na straně chladícího ventilátoru (NDE strana). Následně také provedení revize převodovky a čerpadla.

3. Závěr

Diagnostika pohonů strojů řízených frekvenčním měničem je v praxi velice důležitá, zvláště pak v kombinaci s technickou diagnostikou, jako je vibrodiagnostika,  elektrodiagnostika, termodiagnostika a v neposlední řadě tribodiagnostika. Metody technické diagnostiky nemají za cíl pouze zjišťovat, zda strojní zařízení vykazují určité problémy, ale především stanovit původ těchto problémů a pomoci nalézt řešení pro odstranění jejich příčin. Diagnostika je také účinný nástroj pro stanovení vhodné údržby sledovaných strojů.

Autorem článku je Ing. Daniel Plonka, Damitech. Příspěvěk prošel recenzním řízením.