WPŁYW PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH NA STAN BIEŻNI ŁOŻYSK SILNIKÓW INDUKCYJNYCH ZASILANYCH Z FALOWNIKÓW PWM

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr Zdzisław KRZEMIEŃ* silniki indukcyjne, falowniki WPŁYW PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH NA STAN BIEŻNI ŁOŻYSK SILNIKÓW INDUKCYJNYCH ZASILANYCH Z FALOWNIKÓW PWM Wykonane badania i teoretyczna analiza zjawisk powstających w elementach konstrukcyjnych silnika indukcyjnego zasilanego z falownika wykazały występowanie napięcia łożyskowego, a więc i prądów łożyskowych (przy zaistnieniu określonych warunków). Natomiast do wyjaśnienia pozostało określenie jakościowego i ilościowego oddziaływania tych prądów na stan bieżni łożysk. W tym celu przeprowadzono badanie długotrwałe silników (jeden rok). Badania wykonano na sześciu fabrycznie nowych silnikach tego samego typu, przy czym: dwa silniki były zasilane bezpośrednio z sieci; dwa silniki były zasilane z falownika PWM; dwa silniki były zasilane z falownika PWM, przy czym ich wały były uziemione poprzez szczotki. Po upływie ok godzin pracy rozcięto łożyska, aby dokonać analizy stanu powierzchni bieżni. W artykule przedstawiono wyniki eksperymentu oraz omówiono przyczyny i warunki powstawania uszkodzeń bieżni łożysk silników indukcyjnych zasilanych z falowników. 1. WSTĘP Zasilanie silników indukcyjnych ze źródeł półprzewodnikowych o regulowanej częstotliwości (falowników) powoduje powstawanie w ich elementach konstrukcyjnych zjawisk, które przy zasilaniu symetrycznym sinusoidalnym w ogóle nie występują lub których znaczenie jest pomijalnie małe. Zjawiska te nazwano zjawiskami dodatkowymi lub ubocznymi i zaliczono do nich: pojawianie się napięcia na kadłubach izolowanych silników, prądy doziemne w silnikach uziemionych, napięcia wałowe, prądy łożyskowe. Zasilanie falownikowe silników indukcyjnych powoduje więc pojawianie się prądów łożyskowych, które w określonych warunkach mogą oddziaływać destrukcyjnie na stan bieżni łożysk [1, 2]. * Instytut Elektrotechniki, Zakład Maszyn Elektrycznych, ul. Pożaryskiego 28, Warszawa.

2 98 2. WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE ŁOŻYSK TOCZNYCH Podczas pracy łożyska, na którym istnieje napięcie łożyskowe i przy założeniu, że pomiędzy elementami łożyska nie występują styki metaliczne można wyodrębnić trzy jego stany pracy: 1. Stan, w którym rezystancja łożyska przyjmuje duże wartości, prądy łożyskowe nie występują. Stan ten obejmuje obszar pracy łożyska do temperatury przebicia, tzn. temperatury czynnika smarującego, przy której zaczynają pojawiać się impulsy prądu rozładowczego. 2. Stan, w którym rezystancja łożyska przyjmuje naprzemian wartości duże lub małe. W tym stanie pracy występują impulsy prądów łożyskowych oraz powstają największe zagrożenia dla powierzchni tocznych. Stan ten obejmuje obszar pracy łożyska zawarty pomiędzy temperaturą przebicia i zwarcia, tzn. temperatura, przy której rezystancja łożyska przyjmuje wartość bliską zero na skutek przebicia filmu olejowego i powstania kanałów przewodzących. 3. Stan, w którym rezystancja łożyska przyjmuje małe wartości; wówczas prądy rozładowcze nie występują [3, 4]. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy oscylogram przebiegów napięcia łożyskowego wywołanego zasilaniem silnika indukcyjnego z falownika PWM, przy różnej temperaturze czynnika smarującego. 35 C 38 C 43 C skala U: 1dz - 10 V skala t: 1dz ms 47 C Rys. 1. Napięcie łożyskowe silnika Sg 180 M-4 zasilanego z falownika PWM f = 50 Hz: M = M n ; przy różnej temperaturze łożyska Fig. 1. Bearing voltage in motor type Sg 180 M-4 fed from PWM inverter f = 50 Hz: M = M n at various lubricant temperatures Doświadczalnie stwierdzono, że dla łożysk serii 63 napełnianych smarem ŁT4P3 a instalowanych w silnikach o wielkościach mechanicznych 132; 160 i 180 przy zasilaniu z falownika PWM (silniki obciążone znamionowo, f = 50 Hz, temperatura otoczenia równa 19 C ) temperatura przebicia była równa 22 C, temperatura zwarcia 50 C. Wartości tych temperatur zależą od wartości napięcia łożyskowego, prędkości obrotowej, rodzaju smaru oraz obciążenia. W łożyskach zainstalowanych w maszynach elektrycznych występuje pewna wartość temperatury, przy której liczba impulsów prądu łożyskowego na jeden obrót wału, przy określonej wartości napięcia łożyskowego, osiąga maksimum. Temperaturę tę nazwano: temperaturą krytyczną łożyska [3, 4].

3 Przeprowadzone pomiary wykazały, że wartość maksymalna liczby impulsów prądu (na jeden obrót wału) dla danego łożyska jest wartością stałą dla określonego rodzaju napięcia łożyskowego (stałe, przemienne) i nie zależy od prędkości obrotowej i wartości napięcia łożyskowego (dla napięć większych od napięcia przebicia łożyska). Natomiast wzrost wartości napięcia łożyskowego powoduje zmniejszenie wartości temperatury krytycznej. Dla łożysk serii 63 zainstalowanych w silnikach zasilanych z falowników temperatura ta wynosiła 39 C przy f = 50 Hz. Zagrożenia dla łożysk występują więc w określonych obszarach pracy silnika, gdy łożyska pracują przy temperaturze czynnika smarującego zawartej pomiędzy temperaturą przebicia i temperaturą zwarcia BADANIA DŁUGOTRWAŁE Wykonane badania i teoretyczna analiza zjawisk powstających w elementach konstrukcyjnych silnika indukcyjnego przy zasilaniu z falownika wykazały występowanie napięcia łożyskowego, a więc i prądów łożyskowych. Natomiast sprawą pozostałą do wyjaśnienia było określenie jakościowego i ilościowego oddziaływania tych prądów na stan bieżni łożysk. W tym celu przeprowadzono badanie długotrwałe silników (jeden rok, w którym silniki przepracowały ok godz.). Badania wykonano na sześciu fabrycznie nowych silnikach tego samego typu (Sg132 S-4 o mocy 4,5 kw z łożyskami typu 6308 ZZ), przy czym: dwa silniki były zasilane bezpośrednio z sieci oznaczone nr 1 i 2; dwa silniki były zasilane z falownika PWM oznaczone nr 3 i 4; dwa silniki były zasilane z falownika PWM, przy czym ich wały były uziemione poprzez szczotki oznaczone nr 5 i 6. Silniki te pracowały na biegu jałowym. W przypadku zasilania falownikowego częstotliwość napięcia wyjściowego z przekształtnika wynosiła 50 Hz. Podczas badań mierzono temperaturę tarcz łożyskowych w celu pośredniego wyznaczenia temperatur smaru łożysk. Tabela 1. Wartości temperatur tarcz łożyskowych badanych silników w czasie wykonywania próby Czas pracy Temperatura tarczy [ C] ϑ ot [ C] [godz] silnik nr 1 silnik nr 2 silnik nr 3 silnik nr 4 silnik nr 5 silnik nr ,4 33,5 32,7 31,2 32,5 31,2 12, ,0 43,6 42,8 39,8 38,5 38, ,0 39,5 42,0 39,4 39,4 39,0 24, ,9 37,1 40,2 38,1 38,6 37,3 22, ,5 35,3 38,8 35,7 36,1 35,6 19,3 Temperatury tarcz łożyskowych od strony końca wału mierzono za pomocą termometru kontaktowego. Wartości tych temperatur, podane w tabeli 1, wskazują, że przez większość czasu próby łożyska od strony końców wałów pracowały w temperaturze zbliżonej do krytycznej. Należy dodać, że łożyska od strony wentylatorów były intensywniej chłodzone i pracowały w niższych temperaturach.

4 WYNIKI PRÓB DŁUGOTRWAŁYCH Po upływie ok godzin pracy rozcięto łożyska w celu analizy stanu powierzchni bieżni. Rezultaty eksperymentu były następujące: Bieżnie łożysk silników zasilanych z sieci 380 V (silniki nr 1 i 2) nie wykazywały śladów uszkodzeń, wżerów lub zmatowień były gładkie i błyszczące. Wynika to z faktu, że napięcia łożyskowe, których przyczyną było niecentryczne ustawienie wirników miały zbyt małe wartości (< 0,3 V) [3, 4], aby spowodować przebicie filmu olejowego prądy rozładowcze nie występowały. Bieżnie łożysk silników zasilanych z falownika przy uziemionych poprzez szczotki wałach (silniki nr 5 i 6) również nie wykazywały uszkodzeń od prądów łożyskowych. Bieżnie były gładkie i błyszczące. Uziemienie wałów sprawia, że nie istnieje na nich napięcie wałowe i w konsekwencji nie występuje prąd rozładowczy w łożyskach. W silnikach zasilanych z falownika PWM (silniki nr 3 i 4) na bieżniach zewnętrznych i wewnętrznych łożysk wystąpiły ślady działania prądów łożyskowych w postaci zmatowień i rys, dobrze widoczne po powiększeniu optycznym (rys. 2 i 3). Rys. 2. Ślady działania prądów łożyskowych na zewnętrznej i wewnętrznej bieżni łożyska od strony końca wału w silniku nr 3 (powiększenie ok. 3 ) Fig. 2. The traces of acting of bearing currents on inner and outer raceway of bearing of motor supplied from inverter Rys. 3. Ślady działania prądów łożyskowych na zewnętrznej i wewnętrznej bieżni łożyska od strony końca wału w silniku nr 4 (powiększenie ok. 3 ) Fig. 3. The traces of acting of bearing currents on inner and outer raceway of bearing of motor supplied from inverter

5 Ślady działania prądów łożyskowych na bieżniach łożysk były niewielkie i nie powodowały pogorszenia ich własności. Należy jednak zaznaczyć, że w czasie próby silniki przepracowały ok godzin. Jeżeli uwzględnić, że katalogowa trwałość łożysk wynosi godzin, to czas wykonanej próby był stosunkowo krótki. Z drugiej jednak strony, w czasie próby warunki pracy łożysk z punktu widzenia prądów łożyskowych były bardziej niekorzystne niż w czasie pracy silników pod obciążeniem, gdyż temperatura łożysk, a więc i smaru była bliska temperaturze krytycznej, przy której występuje maksymalna liczba impulsów prądu rozładowczego. Obciążenie silnika powoduje bowiem wzrost temperatury czynnika smarującego do temperatury zwarcia łożyska. Reasumując, wyniki badań długotrwałych potwierdziły występowanie prądów łożyskowych w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM, lecz ich zauważalne skutki destrukcyjne mogą się pojawiać dopiero po dłuższym czasie pracy silnika WNIOSKI Wyniki badań długotrwałych silników indukcyjnych przy różnych wariantach zasilania wskazują, że zasilanie falownikowe powoduje powstawanie zjawisk w silniku, które w rezultacie prowadzą do uszkadzania powierzchni bieżni łożysk tocznych. Zaobserwowane uszkodzenia powierzchni bieżni łożysk silnika zasilanego z falownika PWM nie są znaczące i łożyska te mogłyby pracować jeszcze przez długi czas, nie zmienia to jednak faktu niszczycielskiego wpływu prądu rozładowczego na łożyska. Próby wykonywano na silnikach o mocy 4,5 kw; w silnikach tych pojemności wewnętrzne przyjmują stosunkowo niewielkie wartości i procesy elektroerozyjne zachodzące w łożyskach nie są szybkie. Należy przypuszczać, że w silnikach dużej mocy, o dużych wartościach pojemności wewnętrznych i zasilanych z falowników o wyższym napięciu procesy niszczące w łożysku zachodzą znacznie szybciej i mogą być powodem awarii silnika. Badania wykazały również, że stosowanie jako środka ochrony łożysk przed działaniem prądów uziemienia wału za pomocą szczotki całkowicie spełnia swoje zadanie. Na powierzchni bieżni łożysk silnika zasilanego z falownika lecz z uziemionym wałem nie znaleziono śladów uszkodzeń wywołanych działaniem prądów łożyskowych. Zagrożenia dla łożysk występują w określonych obszarach pracy silnika, gdy łożyska pracują przy temperaturze czynnika smarującego zawartej pomiędzy temperaturą przebicia i temperaturą zwarcia. Badania eksperymentalne wykazały, że przy obciążeniu znamionowym silnika i ustalonych przyrostach temperatury destrukcyjny wpływ zasilania falownikowego na łożyska silnika jest w znacznej mierze ograniczony, bowiem występujące wówczas zwarcie elektryczne przynajmniej jednego z łożysk (przeważnie od strony obciążenia) eliminuje napięcie wałowe i impulsy prądu rozładowczego nie mogą się pojawiać. Z tego punktu widzenia należy więc unikać pracy silnika zasilanego z falownika na biegu jałowym przez dłuższy czas oraz ograniczać liczbę rozruchów.

6 102 Niszczącego oddziaływania prądów łożyskowych można uniknąć, spełniając jeden z wymienionych niżej warunków bez stosowania środków ochronnych: oba łożyska pracują w temperaturach niższych niż temperatura przebicia łożyska, przynajmniej jedno z łożysk pracuje w temperaturze wyższej niż temperatura zwarcia łożyska. LITERATURA [1] KRZEMIEŃ Z., Pomiary i analiza zjawisk ubocznych występujących w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM, VII Sympozjum PPEE 97, s [2] KRZEMIEŃ Z., The Additional Phenomena which Appear in Induction Motors Fed from PWM Inverters. Konferencja EPE 1997 Trondheim, Norwegia, s [3] KRZEMIEŃ Z., Uszkodzenia łożysk w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM. Wiadomości Elektrotechniczne 1998, nr 4, s [4] KRZEMIEŃ Z., Bearing currents in induction motors supplied with power from PWM inverters. Konferencja ICEM 98 Stambuł, wrzesień 1998, s THE INFLUENCE OF BEARING CURRENTS ON RACEWAYS BEARINGS CONDITIONS IN INDUCTION MOTORS SUPPLIED FROM PWM INVERTERS Experimental testing and theoretical analysis of phenomena which appear in induction motors supplied from inverters indicated that in rotors appears shaft voltage so bearing currents can appear too. However question not completely explained was problem of qualitative and quantitative affecting on raceways bearings condition of induction motors supply from PWM inverters. In order to resolve this question performed following experiment: six new induction motors of the same type supply of following way: two motors supply directly from mains; two motors supply from PWM inverter; two motors supply from PWM inverters but the shaft motors were grounding using the brushes. Past one year of motors work bearing were cutting in order to make analysis of raceways bearings condition. The results of experiment were following: The surfaces of raceways bearings of motors supply from main were smooth and shine, were not damages. The surfaces of raceways bearings of motors supply from inverter but the shaft motors were grounding using the brushes were smooth and shine too. However on the surfaces of raceways bearings of motors supply from inverter found a traces of acting of bearing currents in the form of frostings and spark tracks. These damages were not big, they were good seeing on the optical increase. The photo below presents the example of this damage. In the paper are presented the results of experiments and discussed reasons and conditions of created damages on surfaces of induction motors bearings supplied from inverters.