Prądy łożyskowe w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI Prądy łożyskowe w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM dr inż. Piotr Zientek

2 ROZEZNANIE LITERATUROWE. Alger P.L., Samson W.: Shaft currents in electric machines. AIEE Transactions, Vol. 43, 924, pp Śliwiński T.: Prądy łożyskowe w maszynach synchronicznych. Prace instytutu elektrotechniki, z. 2(5), PWT, Warszawa 953. ss Przybysz J., Szydłowski M.: Napięcia na wałach generatorów ze wzbudzeniem tyrystorowym. Energetyka, nr., 992, ss Cholewa S.: Prostownikowy układ wzbudzenia jako źródło napięć między wałem maszyny synchronicznej a ziemią. Energetyka, nr., 998, ss

3 ROZEZNANIE LITERATUROWE. Busse D., Erdman J., Kerkman R.J., Schlegel D., Skibiński G.: System Electrical Parameters and Their Effects on Bearing Currents. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 96, San Jose, CA, March 996. IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 33, No. 2, March/April 997, pp Krzemień Z.: Prądy łożyskowe powstające w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM. Rozprawa doktorska, Instytut Elektrotechniki, Warszawa Smoleński R.: Prądy łożyskowe i metody ich ograniczania w układach napędowych z przemiennikami częstotliwości PWM. Rozprawa doktorska. Uniwersytet Zielonogórski; Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji, Muetze A., Binder A.: Calculation of Circulating Bearing Currents in Machines of Inverter-Based Drive Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 2, APRIL 27, pp

4 GENEZA BADAŃ a) b) Uszkodzenia bieżni łożysk: a) nieregularne wżery na bieżni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego b) wżery liniowe na bieżni pierścienia łożyska walcowego

5 GENEZA BADAŃ (cd.) a) b) Uszkodzone łożysko: a) wałeczkowe b) kulkowe

6 GENEZA BADAŃ (cd.) a) b) Zatarcie pakietu blach: a) stojana b) wirnika, spowodowane uszkodzeniem łożyska

7 OBIEKTY BADAŃ - SILNIKI INDUKCYJNE MAŁEJ MOCY Sf 32 S-4 Pn = 5,5 kw Un = 38 V SZUe 44b SZJe 24a Pn = 4 kw Pn =,5 kw Un = 22/38 V Un = 22/38 V

8 OBIEKTY BADAŃ - SILNIK INDUKCYJNY DUŻEJ MOCY SEE 35ML2 Pn = 2 kw Un = 4 V Falownik VACON

9 SPOSÓB POMIARU PRĄDU ŁOŻYSKOWEGO TCP32 (3 A) 4 mm2 Strona napędowa silnika Strona przeciwnapędowa silnika

10 SPRZĘT POMIAROWY TDS 354B TCPA3 TCP 32

11 ZASILANIE SILNIKA Z FALOWNIKA PWM u U [V ] 4 2 uu (t ) + uv (t ) + uw (t ) u N (t ) = 3-2 u V [V ] uu (t ), uv (t ), uw (t ) wartości chwilowe napięć -2 fazowych na zaciskach silnika. u W [V ] MOSFET, IGBT -2 u N [V ] -4 4 Napięcie niezrównoważenia cechuje: du V = 5... dt µs..2.3 t [m s].4.5 Powstawanie napięcia niezrównoważenia.6 wartość maksymalna równa wartości maksymalnej napięć fazowych, częstotliwość oscylacji równa częstotliwości fali nośnej falownika.

12 Rozłożone pojemności wewnętrzne (naturalne) w silniku indukcyjnym Csf pojemność pomiędzy uzwojeniem stojana a kadłubem Csr pojemność pomiędzy uzwojeniem stojana a wirnikiem Cg pojemność szczeliny powietrznej Cb pojemność łożyska

13 PRZYCZYNY POWSTAWANIA NAPIĘCIA ŁOŻYSKOWEGO 4 un [V] t [ms] 2 Pojemności wewnętrzne w silniku indukcyjnym ub (t ) = Csr u N (t ) Csr + (Cb + Cb 2 ) + C g Pojemności wewnętrzne występujące w silniku zmierzone mostkiem transformatorowym typu: BM484 dla silnika o mocy Pn=5.5 kw wynoszą: C sf = 3,55 nf, C sr =,5 nf, C g =,4 nf ub [V] - -2 t [ms] Napięcie w punkcie neutralnym uzwojenia stojana, oraz napięcie łożyskowe

14 6 icm [A ] 4 ZALEŻNOŚĆ PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH OD WARTOŚCI 2 NAPIĘCIA PRZEBICIA FILMU OLEJOWEGO ib [A ] a) u N [V ] -6 EDM ub [V ] a) Napięcie niezrównoważenia t [m s] b) Prąd łożyskowy [V ] u b [V ] 5 Zależność amplitudy wyładowczych prądów łożyskowych od wartości napięcia przebicia filmu olejowego w silniku indukcyjnym typu SZJe 24a o mocy 5 kw c) Napięcie łożyskowe ał-p o p ib [A ] c) b).2

15 2 ic M [A ] ib [A ] u N [V ] u N [V ] EDM.2.4 ib [A ] ib [A ] EDM t [m s] u W A Ł [V ] u W A Ł [V ] ic M [A ] t [m s] t [m s] Mechanizm powstawania wyładowczego prądu łożyskowego EDM

16 EDM Układ pomiarowy do kontroli rozpływu prądów łożyskowych w silniku indukcyjnym Wyniki pomiarów laboratoryjnych un napięcie niezrównoważenia ub napięcie łożyskowe ib, ib2 prąd łożyskowy w silniku indukcyjnym w łożysku nr. i nr. 2 icm prąd w przewodzie uziomowym silnika ipe prąd w przewodzie ochronnym łączącym falownik z silnikiem

17 MODEL SYMULACYJNY DO KONTROLI ROZPŁYWU PRĄDU ŁOŻYSKOWEGO TYP: Sf 32 S-4 PN = 5,5 kw

18 Napięcie łożyskowe Prąd łożyskowy Łożysko nr. 2 Prąd łożyskowy Łożysko nr. Prąd szczeliny powietrznej Prąd uziomu

19 .5.2 l = 4 cm f o sc = 2 8,5 M H z t [µs] l = cm f o sc = 7,5 M H z t [µ s] l = 5 cm fo sc = 4,5 M H z t [µs] t [µs] l = 2 cm fo sc = 4 M H z.4 l = 25 cm fosc = 3 M H z.8 ib [A ] t [µs] t [µ s] l = 35 cm f o sc = M H z t [µs] t [µ s] l = 45 cm fo sc = 9,9 M H z ib [A ] I b(m a x) [ m A ] - Przewód pomiarowy l = 5 cm fo sc = 2 6,5 M H z.8 ib [A ] ib [A ] ib [A ] ib [A ] ib [A ] ib [A ] WPŁYW DŁUGOŚCI PRZEWODU POMIAROWEGO NA WYŁADOWCZE PRĄDY ŁOŻYSKOWE l [cm ] Zależność wartości szczytowej prądu łożyskowego EDM od długości przewodu pomiarowego 5

20 WPŁYW TEMPERATURY WĘZŁÓW ŁOŻYSKOWYCH NA WARTOŚĆ NAPIĘCIA ŁOŻYSKOWEGO 2 3 t = 3 C o t = 4 C o t = 4 7 oc 4 u b [V ] u b [V ] t = 3 7 oc 2 u b [V ] ub [V ] t = 5 C o t = 6 oc t [m s].6.7 t = 6 5 oc u b [V ] ub [V ] -2 t = 5 3 oc ub [V ] ub [V ] t [m s] Przebieg napięcia łożyskowego dla różnej temperatury łożysk

21 u N [V ] ic M [A ] -2 ic M [A ] u N [V ] 4 - ib [m A ] ib [m A ] t [m s] t [m s].2 8 Powstawanie prądu łożyskowego w momencie zmiany stanu zaworów falownika.3

22 USZKODZENIA ŁOŻYSK TOCZNYCH W SILNIKACH ZASILANYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI a) c) b) Widoczne liczne małe wżery: a) na powierzchni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego b) na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego c) na powierzchni wałeczka

23 USZKODZENIA ŁOŻYSK TOCZNYCH W SILNIKACH ZASILANYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI a) b) Widoczne liczne małe wżery: a) na powierzchni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego b) na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego łożyska kulkowego

24 ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI Prążki i drobne wżery na pierścieniu i na wałeczkach

25 ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI 2 3 mm Podziałka milimetrowa Prążki na pierścieniu wewnętrznym łożyska walcowego (o średnicy 6 mm) na tle podziałki milimetrowej

26 METODY ELIMINACJI PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH Zasilanie z przemienników częstotliwości:. Stosowanie takich algorytmów sterowania zaworami falownika, które dają zerową wartość napięcia w punkcie neutralnym uzwojenia stojana. 2. Wyeliminowanie napięcia łożyskowego poprzez zwarcie wału do kadłuba za pomocą szczotek metalo-grafitowych, lub specjalnych pierścieni AEGIS SGR. 3. Przerwanie obwody, w którym płynie prąd łożyskowy.

27 ZASTOSOWANIE PIERŚCIENIA UZIEMIAJĄCEGO WAŁ SILNIKA AEGIS SGR a) b) Pierścień uziemiający wał AEGIS SGR: a) widok od strony montażu, b) silnik indukcyjny typu SZJe 24a o mocy,5 kw z zamontowanym pierścieniem

28 ZASTOSOWANIE PIERŚCIENIA UZIEMIAJĄCEGO WAŁ SILNIKA AEGIS SGR Pierścień AEGIS SGR 4 sztuk - 33 zł/szt. 5 9 sztuk - 26 zł/szt sztuk - 5 zł/szt.

29 METODY ELIMINACJI PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH * ZASTOSOWANIE ŁOŻYSK IZOLOWANYCH * Przerwanie obwodu dla prądów łożyskowych Uziemienie wału Łożysko zwykłe 624 Łożysko ceramiczne 624 Łożysko całoceramiczne 624 Łożysko hybrydowe 624 Pierścien AEGIS SGR 8 zł 268 zł 34 zł 34 zł 33 zł stal Dwutlenek cyrkonu, tworzywo sztuczne Azotek krzemu Azotek krzemu, stal nierdzewna Metalo grafit

30 METODY ELIMINACJI PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH * ZASTOSOWANIE ŁOŻYSK IZOLOWANYCH * 637/C3 Lp. Nazwa towaru Wartość brutto Cena brutto Łożysko 637/C3VL24 INSOCOAT 34 PLN 2 Łożysko 637/C3 37 PLN VL27 izolowany pierścień zewnętrzny VL24 izolowany pierścień wewnętrzny

31 Dziękuję za uwagę