Влияние преобразователя на напряжение вала электродвигателя и подшипниковые токи

Применение преобразователей частоты усугубляется явлением наведенного напряжения/тока вала, из-за несбалансированной формы напряжения и высокочастотных компонентов напряжения, подаваемого на двигатель.

Наводимое, благодаря питанию ШИМ, напряжение на вал электродвигателя добавляется к существующему внутреннему напряжению, вызванному например, электромагнитным дисбалансом, которое также вызывает ток циркуляции через подшипники. Основной причиной подшипниковых токов протекающих в электромоторах, питаемых от преобразователей частоты, является так называемое синфазное напряжение. Емкостное сопротивление двигателя становится низким, благодаря высокочастотным составляющим напряжения на выходе преобразователя, что приводит к циркуляции тока через путь, образованный ротором, валом и подшипниками на землю.

Синфазное напряжение

Трехфазное напряжение на выходе преобразователя частоты, в отличие от чисто синусоидального напряжения, не сбалансировано. Из-за топологии преобразователя, сумма векторов мгновенных напряжений трех фаз на выходе преобразователя не равна нулю, и образует высокочастотный электрический потенциал относительно нуля (обычно относительно земли или отрицательного звена шины постоянного тока), отсюда и наименование "синфазное режима".

Сумма мгновенных значений напряжения по трем фазам на выходе преобразователя не равна нулю.

Такое высокочастотное синфазное напряжение может привести к нежелательным синфазным токам. Существующие паразитные емкости между двигателем и землей, могут проводить ток на землю, образуя контур, проходящий через ротор, вал и подшипники и завершающийся экраном (заземленным).

Практический опыт показывает, что более высокая частота коммутации приводит к увеличению синфазных напряжений и токов.

Эквивалентная схема замещения электродвигателя для высокочастотных емкостных токов

Высокочастотная модель схемы замещения электродвигателя, в которой подшипники представлены емкостями, показывает пути протекания токов утечки.

Ротор опирается на подшипники через слой непроводящей смазки. При высокой скорости вращения нет контакта между ротором и (заземленным) наружной дорожкой качения подшипника, благодаря равномерному распределению смазки.

Электрический потенциал ротора может увеличиваться по отношению к земле пока не будет преодолена диэлектрическая прочность смазки, при этом происходит искрение напряжения и протекание разрядного тока через подшипники. Этот ток, протекающий в моменты пробоя смазки, часто упоминается как емкостная составляющая разрядного тока. Существует еще одна составляющая тока, который индуцируется потоком в магнитопроводе статора и постоянно циркулирует через характерный токопроводящий контур, состоящий из вала, подшипниковых щитов и корпуса. Ее часто называют резистивной составляющей.

Эти непостоянные электрические разряды изнашивают дорожки качения и ослабляют вращающиеся элементы подшипников качения, образуя микроскопические раковины. Длительное протекание разрядного тока приводит к образованию борозд, которые уменьшают срок службы подшипников и могут привести к преждевременному выходу из строя электродвигателя.

Кратеры, образованные электроэрозией на внутренней дорожке подшипника



Износ дорожки подшипника током утечки



Гофрирования, вызванные электрическими разрядами в подшипнике

Методы уменьшения подшипниковых токов в электродвигателях при работе от ПЧ

Для препятствия прохождению подшипниковых токов двигателя, должны быть учтены как резистивная составляющая (индуцированная на валу) так и емкостная (результат синфазного напряжения). Для того чтобы исключить текущий через контур с подшипниками, достаточно изолировать хотя бы один из подшипников двигателя если приводной вал один, или оба в случае двух приводных валов.

Однако для исключения емкостной компоненты необходимо изолировать подшипники рабочей машины для того чтобы избежать миграции электрических зарядов от двигателя к ротору рабочей машины через валы, которые электрически связаны в случае прямого соединения. Другой способ подавления емкостной компоненты тока заключается в коротком замыкании ротора и корпуса двигателя посредством скользящего контакта графитовой щеткой. Таким образом, индуктивная составляющая тока может быть устранена путем изолирования только одного подшипника мотора, в то время как емкостная составляющая тока, а также прохождение емкостных разрядов на рабочий механизм можно устранить путем использования токосъемной щетки.

Мотор с одним приводным валом

Без защиты подшипника

С защитой подшипника:

Мотор с двумя приводными валами

Без защиты подшипника

С защитой подшипника:

Критерии защиты от подшипниковых токов электродвигателей WEG управляемых от преобразователей частоты

* Для двигателей, управляемых от преобразователей частоты, система заземления вала является стандартной

ВНИМАНИЕ: Применения двигателей для использования во взрывоопасных зонах должны оцениваться особенно тщательно - в этом случае, пожалуйста, свяжитесь с WEG.

Нормативные соглашения о токах, протекающих через подшипники в электродвигателях, управляемых от преобразователей частоты

NEMA MG1 Часть 31 - с синусоидальным напряжением питания на валу может присутствовать напряжение, как правило, для габаритов двигателей 500 и больше. (...) В последнее время для некоторых преобразователей и методов управления, потенциально разрушительные токи подшипника время от времени наблюдаются в значительно меньших двигателях. (...) Ток может протекать через один или оба подшипника на землю. Прерывание этого тока требует изолирования обоих подшипников. С другой стороны, могут быть использованы токосъемные щетки для прохождения тока мимо подшипника. Следует отметить, что изоляция подшипников электродвигателя не предотвращает повреждение вала соединенного оборудования.

В соответствии с руководством по применению NEMA для приводов переменного тока, блуждающие токи, вызванные синфазным напряжением, могут вызвать проблемы подшипниках электродвигателей габаритов меньше, чем 500 (наиболее часто 400 и выше).

IEC 60034-17 - для машин с габаритами выше 315 рекомендуется использовать преобразователь с фильтром, предназначенным для снижения фазных напряжений нулевой последовательности (так называемые синфазные напряжения) или уменьшить dV / dt напряжения или изолировать подшипник(и) двигателя. Изолировать оба подшипника в двигателе требуется крайне редко. В таком случае рекомендуется провести экспертизу всей системы привода, включая рабочую машину (изоляция соединительной муфты) и систему заземления (возможное использование токосъемной заземляющей щетки).

IEC 60034-25 - не определяет минимальный габарит мотора, на который должна быть установлена защита подшипников. Рассматриваются эффекты магнитной асимметрии как результат напряжения вала / подшипниковых токов, отмечено, что подшипниковые токи обычно наблюдаются в электродвигателях мощностью свыше 440 кВт. Для других случаев нет упоминаний относительно типоразмеров. Согласно документу, принимаемое решение относительно прекращения протекания токов в подшипниках зависит от того, какой токовый компонент следует исключить. Это может быть сделано либо с помощью изолированных подшипников или с помощью системы заземления вала.

CSA 22.2 N°100 Пункт 12 - Щетки заземления вала должны использоваться в электродвигателях типоразмеров выше IEC 280 (NEMA 440).

Gambica / REMA Техническое руководство - для электродвигателей габаритов ниже IEC 280 эффект протекания подшипниковых токов редко заметен и поэтому не требуется никакой дополнительной защиты. В таких случаях достаточно придерживаться рекомендаций производителей электродвигателя и преобразователя по установке, прокладке кабелей и заземлению. Для габаритов выше IEC 280, нежелательные эффекты от протекания токов в подшипниках могут быть значительными и для безопасности целесообразно обеспечить специальную защиту. Это может изолированный подшипник с неприводной стороны вала и использование системы заземления вала на корпус. В таком случае необходимо соблюдать осторожность, чтобы не закоротить изоляцию подшипника.