Elektromotory hrají zásadní roli v našem každodenním životě – kde žijeme, pracujeme a hrajeme si.Jednoduše řečeno, dělají téměř vše, co se hýbe, pohyb.Téměř 70 procent elektřiny spotřebované průmyslem je využíváno systémy elektromotorů.1

Zhruba 75 procent průmyslových motorů v provozu se používá k pohonu čerpadel, ventilátorů a kompresorů, což je kategorie strojů, která je vysoce citlivá na zásadní zlepšení účinnosti2.Tyto aplikace často pracují konstantní rychlostí, po celou dobu, i když to není potřeba.Tento nepřetržitý provoz plýtvá energií a produkuje zbytečné emise CO2, ale řízením rychlosti motoru můžeme snížit spotřebu energie, ušetřit energii a snížit dopad na životní prostředí.

Jedním ze způsobů, jak řídit rychlost motoru, je použití pohonu s proměnnou rychlostí (VSD), zařízení, které reguluje rychlost otáčení elektromotoru změnou frekvence a napětí dodávaného do motoru.Řízením rychlosti motoru může měnič snížit spotřebu energie (například snížení rychlosti rotujícího zařízení o 20 procent může snížit požadavky na vstupní energii přibližně o 50 procent3) a poskytnout značné zlepšení řízení procesu a významné úspory nákladů na provoz během životnosti. MoA jak užitečné jsou měniče kmitočtu pro úsporu energie v mnoha aplikacích, mohou způsobit předčasné selhání motoru, pokud nejsou správně uzemněny.I když existuje mnoho různých příčin poruch elektromotoru, nejčastějším problémem při používání měniče je porucha ložisek způsobená napětím v součinném režimu.

Poškození způsobené souosým napětím

V třífázovém střídavém systému může být napětí v součinném režimu definováno jako nerovnováha přítomná mezi třemi fázemi vytvořená výkonem měniče modulovaným šířkou pulzu nebo rozdílem napětí mezi zemí napájecího zdroje a neutrálním bodem třífázového fázové zatížení.Toto kolísající součinné napětí elektrostaticky indukuje napětí na hřídeli motoru a toto napětí hřídele se může vybíjet vinutím nebo ložisky.Moderní konstrukční konstrukce, fázové izolace a invertorový vodič odolný proti špičkám mohou pomoci chránit vinutí;když však rotor zaznamená nahromadění napěťových špiček, proud hledá cestu nejmenšího odporu k zemi.U elektromotoru probíhá tato dráha přímo přes ložiska.

Protože ložiska motoru využívají k mazání mazivo, olej v mazivu vytváří film, který působí jako dielektrikum, což znamená, že může přenášet elektrické síly bez vedení.Časem se však toto dielektrikum rozpadne.Bez izolačních vlastností maziva se bude napětí na hřídeli vybíjet přes ložiska a poté přes kryt motoru, aby se dosáhlo elektrického uzemnění.Tento pohyb elektrického proudu způsobuje jiskření v ložiskách, běžně označované jako elektroerozivní obrábění (EDM).Vzhledem k tomu, že k tomuto neustálému jiskření dochází v průběhu času, povrchové oblasti v kroužku ložiska zkřehnou a uvnitř ložiska se mohou odlomit malé kousky kovu.Poškozený materiál se nakonec dostane mezi kuličky a kroužky ložiska, což způsobí brusný efekt, který může způsobit důlky o velikosti mikronů, nazývané poleva, nebo vyvýšeniny podobné válečkům v oběžné dráze ložiska, nazývané drážkování.

Některé motory mohou pokračovat v chodu, jak se poškození postupně zhoršuje, bez jakýchkoli znatelných problémů.První známkou poškození ložisek je obvykle slyšitelný zvuk způsobený pohybem kuliček ložisek po důlkových a ojíněných oblastech.Ale v době, kdy k tomuto hluku dojde, je poškození obvykle natolik závažné, že hrozí selhání.

Základem prevence

V průmyslových aplikacích se tyto problémy s ložisky u motorů s proměnnou rychlostí obvykle nevyskytují, ale v některých instalacích, jako jsou komerční budovy a letištní manipulace se zavazadly, není vždy k dispozici robustní uzemnění.V těchto případech je třeba použít jinou metodu k odvedení tohoto proudu pryč od ložisek.Nejběžnějším řešením je přidání uzemňovacího zařízení hřídele na jeden konec hřídele motoru, zejména v aplikacích, kde může převládat souosé napětí.Uzemnění hřídele je v podstatě prostředkem pro připojení otáčivého rotoru motoru k uzemnění prostřednictvím rámu motoru.Přidání uzemňovacího zařízení hřídele k motoru před instalací (nebo nákup motoru s předinstalovaným motorem) může být nízkou cenou ve srovnání s cenou nákladů na údržbu spojenou s výměnou ložisek, nemluvě o vysokých nákladech prostoje v zařízení.

V dnešním průmyslu existuje několik běžných typů zařízení pro uzemnění hřídele, jako jsou uhlíkové kartáče, kartáče z vláken prstencového typu a izolátory zemnících ložisek a jsou k dispozici i další způsoby ochrany ložisek.

Uhlíkové kartáče se používají již více než 100 let a jsou podobné uhlíkovým kartáčům používaným na komutátorech stejnosměrných motorů.Uzemňovací kartáče zajišťují elektrické spojení mezi rotujícími a stacionárními částmi elektrického obvodu motoru a odebírají proud z rotoru do země, aby se náboj nehromadil na rotoru do bodu, kdy se vybije přes ložiska.Uzemňovací kartáče nabízejí praktický a ekonomický prostředek k zajištění nízkoimpedanční cesty k zemi, zejména u motorů s větším rámem;nejsou však bez svých nevýhod.Stejně jako u stejnosměrných motorů podléhají kartáče opotřebení kvůli mechanickému kontaktu s hřídelí a bez ohledu na konstrukci držáku kartáčů je nutné sestavu pravidelně kontrolovat, aby byl zajištěn správný kontakt mezi kartáči a hřídelí.

Uzemňovací kroužky hřídele fungují jako uhlíkové kartáče, ale obsahují několik pramenů elektricky vodivých vláken uspořádaných uvnitř kroužku kolem hřídele.Vnější strana kroužku, který je obvykle namontován na koncové desce motoru, zůstává nehybná, zatímco kartáče jezdí po povrchu hřídele motoru a směrují proud skrz kartáče a bezpečně na zem.Uzemňovací kroužky hřídele mohou být namontovány uvnitř motoru, což umožňuje jejich použití u motorů s oplachovým a špinavým provozem.Žádná metoda uzemnění hřídele však není dokonalá a zemnící kroužky namontované externě mají tendenci shromažďovat nečistoty na jejich štětinách, což může snížit jejich účinnost.

Izolátory zemnících ložisek kombinují dvě technologie: dvoudílný, bezkontaktní izolační štít, který využívá labyrintový design k zabránění vnikání nečistot, a kovový rotor a izolovaný kroužek s vodivým vláknem pro odvádění hřídelových proudů pryč od ložisek.Protože tato zařízení také zabraňují ztrátě maziva a znečištění, nahrazují standardní ložisková těsnění a tradiční izolátory ložisek.

Dalším způsobem, jak zabránit výboji proudu ložisky, je vyrobit ložiska z nevodivého materiálu.U keramických ložisek chrání kuličky s keramickým povlakem ložiska tím, že zabraňují tomu, aby hřídelový proud procházel ložisky do motoru.Protože ložisky motoru neprotéká žádný elektrický proud, existuje jen malá šance na opotřebení způsobené proudem;proud však bude hledat cestu k zemi, což znamená, že projde připojeným zařízením.Protože keramická ložiska neodeberou proud z rotoru, doporučují se pro motory s keramickými ložisky pouze specifické aplikace s přímým pohonem.Dalšími nevýhodami jsou náklady na tento typ ložiska motoru a skutečnost, že ložiska jsou obvykle k dispozici pouze do velikosti 6311.

U motorů větších než 100 koní se obecně doporučuje nainstalovat izolované ložisko na opačný konec motoru, na kterém je nainstalováno uzemňovací zařízení hřídele, bez ohledu na to, jaký styl uzemnění hřídele je použit.

Tři tipy pro instalaci pohonu s proměnnou rychlostí

Při pokusu o snížení napětí v součinném režimu v aplikacích s proměnnou rychlostí musí technik údržby zvážit tři úvahy:

1. Ujistěte se, že je motor (a systém motoru) řádně uzemněn.
2. Určete správné vyvážení nosné frekvence, které minimalizuje úrovně šumu a také nerovnováhu napětí.
3. Pokud je uzemňovací zařízení hřídele považováno za nezbytné, vyberte takové, které nejlépe vyhovuje dané aplikaci.

Když je přítomen ložiskový proud, neexistuje žádné univerzální řešení.Je životně důležité, aby zákazník a dodavatel motorů a pohonů spolupracovali na identifikaci nejvhodnějšího řešení pro konkrétní aplikaci.