Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Naędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr 2 2 Bronisław DRAK*, Piotr ZIENTEK*, Roman NIESTRÓJ*, Józef KWAK**, Jan LIPIŃSKI*** silniki indukcyjne dużej mocy, rądy łożyskowe, naięcia i rądy wałowe, uszkodzenia łożysk tocznych NAPIĘCIA I PRĄDY WAŁOWE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH DUŻEJ MOCY W artykule rzedstawiono metodę omiarową oraz wyniki omiarów naięć i rądów wałowych w silnikach górniczych z drążonym wałem wirnika. Badania rzerowadzono dla silnika indukcyjnego o mocy 3 kw i naięciu znamionowym 1 V odczas rozruchu bezośredniego i w stanie ustalonym. Pomiary wykonano rzy zmianach naięcia zasilającego oraz dla różnych asymetrii tego naięcia. Ponadto rzedstawiono charakterystyki określające wływ średniej temeratury łożysk silnika i wartości naięć wałowych na wartość rądów łożyskowych oraz określono wływ ilości rozruchów silnika na wartość tych rądów. 1. WSTĘP W silnikach indukcyjnych trójfazowych o mocach od 3 kw i naięciach znamionowych 1 V lub 33 V, rzeznaczonych do naędu organów urabiających górniczych kombajnów ścianowych stwierdzono, że elementy toczne i bieżnie łożysk ulegają częstym uszkodzeniom, których charakter wskazuje na obecność szkodliwych działań termicznych i mechanicznych oraz na rzeływ rądu o znacznym natężeniu. W celu orawienia trwałości węzłów łożyskowych silnika rzerowadzono badania, w trakcie których stwierdzono wysoki oziom naięć wałowych w badanych silnikach. Takie nadmierne naięcia wałowe mogą negatywnie oddziaływać na łożyska własne silnika i na łożyska rzekładni rzenoszącej naęd do organu urabiającego kombajnu. W trakcie badań stwierdzono także obecność rądów łożyskowych o znacznej wartości. W niniejszym artykule rzedstawiono ois zastosowanych metod * Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych, Politechnika Śląska, e-mail: Bronisław.Drak@olsl.l, Piotr.Zientek@olsl.l, Roman.Niestroj@olsl.l ** Zabrzańskie Zakłady Mechaniczne S.A., ul. 3-go Maja 9, tel: 32 7731 *** Zakład Maszyn Elektrycznych EMIT S.A. Żychlin, e-mail: Jan_liinski@cantonimotor.com.l
1 omiarowych oraz wyniki uzyskane w czasie badań. Wnioski mogą rzyczynić się do orawy niezawodności górniczych kombajnów ścianowych. 2. POMIAR NAPIĘĆ I PRĄDÓW WAŁOWYCH Obiektem badań był silnik tyu dskgw31l- o mocy 3 kw z jednym łożyskiem izolowanym. Do omiaru naięcia wałowego wykorzystano secjalne szczotki metalografitowe. Dodatkowo silnik wyosażono w dwa rzewody umieszczone w drążonym wale, których końce wyrowadzono na zewnątrz silnika. Przebiegi naięcia omiędzy szczotkami rzyłożonymi do końców wału oraz naięcia omiędzy końcami rzewodu umieszczonego wewnątrz wału, w czasie bezośredniego rozruchu silnika, rzedstawiono na rysunku [1]. Przebiegi te są niemal identyczne, co ozwala stwierdzić, że naięcie wałowe w silnikach z drążonym wałem można mierzyć za omocą dodatkowego rzewodu bez użycia szczotek. Podczas rozruchu silnika wartość międzyszczytowa naięcia wałowego osiąga nawet 13 V, natomiast w stanie ustalonym dochodzi do 2,6 V. Ze względu na tak dużą wartość tego naięcia, należy liczyć się z awarią łożysk w rzyadku częstych rozruchów silnika. Dodatkowo zmierzono wartość skuteczną rądu łynącego o zwarciu izolowanego łożyska i naięcia wałowego rzy różnych wartościach naięcia zasilającego silnik w stanie ustalonym. Wyniki omiarów zamieszczono w tabeli [1]. Na rysunku [1] rzedstawiono dodatkowo transformatę Fouriera dla rzebiegu naięcia wałowego w stanie ustalonym, w której dominują składowe o częstotliwościach: Hz, 1 Hz, 9 Hz i Hz. Istnienie silnej składowej o częstotliwości 1 Hz jest wynikiem nasycenia zębów rdzenia stojana i wirnika. Składowe o częstotliwościach wyższych są nastę-stwem między innymi użłobkowania stojana i wirnika [3]. W dalszej części badań dokonano omiaru rądu łynącego w drugim rzewodzie umieszczonym wewnątrz wału silnika o zwarciu jego końców, zgodnie z zasadą rzedstawioną na rysunku [2], na którym rzedstawiono również schemat zastęczy drogi rzeływu rądu łożys-kowego z uwzględnieniem imedancji rzyrządów omiarowych. Po zwarciu końców rzewodu (zaciski A B) zaobserwowano zmniejszenie naięcia wałowego u h. Efekt ten owstaje wskutek tłumiącego działania siły e h k zależnej od strumienia magnetycznego wytwarzanego rzez rąd łynący w zwartym rzewodzie. W rzyadku, gdy rąd nie łynie, zanika siła e h k i wtedy u h = e h. Siłę e h można wyzna-czyć mierząc naięcie omiędzy zaciskami C D rzy rozwartych zaciskach A B. Sadki naięcia na imedancji rzewodu i rzyrządów omiarowych są omijalne.
2 a) b) c) u WAŁ [V] -.. 1.2 1.6 2 u [V] -.. 1.2 1.6 2 A h u WAŁ [V]..3.2.1 16 f [Hz] Rys. 1. a) Przebieg naięcia omiędzy szczotkami; b) rzebieg naięcia omiędzy końcami rzewodu dodatkowego; c) transformata Fouriera naięcia wałowego w stanie ustalonym Fig. 1. a) Transient of the voltage between brushes; b) transient of the voltage between the ends of an additional wire; c) shaft voltage Fourier Transform Tabela 1. Zależność rądu i naięcia wałowego od naięcia zasilania silnika Table 1. The deendence of shaft current and voltage on suly voltage of the motor Naięcie zasilania silnika [V] 6 7 7 1 Prąd wałowy [A] 2,6 3,3, 7, 1 66 Naięcie wałowe [mv] 16 21 36 6 a) b) e h R /2 L /2 e h o L om i h e h k R om R /2 L /2 uh Rys. 2. a) Schemat zastęczy drogi rzeływu rądu łożyskowego; b) układ omiarowy Fig. 2. a) Equivalent circuit diagram for bearing current flow, b) measurement circuit Podobne badania rzerowadzono w stanie ustalonym silnika dla różnych asymetrii naięcia zasilania. Wyniki obrazujące wływ asymetrii naięcia zasilania na uzyskane wartości naięć i rądów rzedstawiono w tabeli [2]. Tabela 2. Wartość skuteczna rądu i naięcia w rzewodzie dodatkowym Table 2. RMS value of the current and voltage in additional wire Rodzaj asymetrii naięcia zasilania silnika symetria, +%, % -%, -%, +% zas. 2-fazowe u (RMS) [V],16 1,19 1,167 1, i (RMS) [A] 17,3 12,2 1,77 17,3 3. CHARAKTERYSTYKI WARSTWOWE PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH Kolejne badania laboratoryjne rzerowadzono odczas wybiegu silnika rzy założeniu, że w czasie omiarów rędkość obrotowa nie zmienia się. Wrowadzając dodatkowe naięcie zmienne do zewnętrznych ierścieni łożysk, wymuszono rzeływ rądu rzez łożyska rzy odłączonym naięciu zasilania silnika [].
3 W ierwszej części badań dorowadzono naięcie dodatkowe o stałej wartości skutecznej równej 1, V, a omiary wykonywano dla różnych wartości temeratury łożysk. W drugiej części utrzymywano stałą temeraturę łożysk równą 2 C a omiary wykonano rzy różnej wartości naięcia dorowadzonego do ierścieni łożysk. Uzyskane w ten sosób rzebiegi rądu łożyskowego odzielone zostały na ięć rzedziałów, w zależności od charakteru łynącego rądu. Wyniki tak rzerowadzonych badań rzedstawiono na rysunku [3] w ostaci wykresów warstwowych []. a) Prędkość obrotowa n [obr/min] 16. 1 2 3 - Brak rądów łożyskowych - Pojedyńcze imulsy rądu łożyskowego - Gwałtowny wzrost rądów łożyskowych - Przejście z ostaci imulsowej na sinusoidalną - Zwarcie łożyska 3 1 2 2 3 3 Średnia temeratura łożysk silnika t [ o C] Prędkość obrotowa n [obr/min] 16 1 2 3 1 2 3 6 Naięcie dodatkowe u dod [V] Rys. 3. Zależność rądów łożyskowych od: a) temeratury łożysk, b) naięcia dodatkowego Fig. 3. Bearing currents deendence on: a) bearings temerature, b) additional voltage Wyniki badań okazują, że odczas racy silnika wystęują ewne zakresy temeratur i rędkości obrotowych, w których wystęują niebezieczne dla łożysk imulsy rądu łożyskowego. Ponadto rzy naięciu dodatkowym, którego wartość rzekracza 3 V, nawet rzy stosunkowo niskiej temeraturze łożysk, rąd łożyskowy rzechodzi z ostaci imulsowej na ostać sinusoidalną w rawie całym zakresie rędkości obrotowej silnika. Wraz ze wzrostem temeratury łożysk maleje grubość filmu olejowego, co rzyczynia się do rzeływu rądów łożyskowych o znacznych wartościach. b). WPŁYW ILOŚCI ROZRUCHÓW SILNIKA Przerowadzono badania, które określają wływ liczby rozruchów silnika na wartość rądów łożyskowych. W tym celu wykonano serię rozruchów bezośrednich silnika z nowymi łożyskami rejestrując naięcie wałowe i rąd łożyskowy. Wyniki badań rzedstawiono na rysunku []. Dla kolejnych rozruchów uzyskano coraz mniejsze wartości rądów łożyskowego. Założono, że rzyczyną tego może być wzrost rezystancji łożysk sowodowany owstaniem na bieżniach warstwy tlenku [1].
a) c) Rozruch 1 ib [A] 2-2 -.2..6. 1 ub [V] - - - 1 2 3 1 2 3.. 1.2 1.6 2 b) d) ib [A] ub [V] - Rozruch 3.2..6. 1 i b [A] i b [A] 2-2 2-2 -.. 1.2 1.6 2 u b [V] u b [V] -.. 1.2 1.6 2 - Rozruch 6 Rozruch 1.. 1.2 1.6 2 Rys.. Wływ liczby rozruchów na wartość rądu łożyskowego i naięcia na łożyskach odczas: a) ierwszego rozruchu silnika, b) trzeciego rozruchu, c) szóstego rozruchu, d) czternastego rozruchu Fig.. Influence of the number start-us on the bearing current and voltage value during: a) first motor start-u, b) third start-u, c) sixth start-u, d) fourteenth start-u W celu otwierdzenia tych rzyuszczeń dokonano omiaru rezystancji łożysk nowych i w różnym stoniu zużytych. Wyniki omiaru rezystancji rzedstawiono w tabeli [3]. Po czterdziestu rozruchach silnika, łożyska wymontowano, rozcięto i oddano analizie. Na bieżniach łożysk ojawiły się ślady wystęowania rądów łożyskowych rzedstawione na rysunku []. Tabela 3. Rezystancja łożysk w zależności od czasu ich racy Table 3. The deendence of bearings resistance on the oeration time Czas racy łożysk Nowe Po 2 rozr. Po msc. Ty Wałeczkowe: NU2M1.C3 (FAG),3 mω 2, mω 3,3 Ω łożysk Kulkowe: 62.2ZR.C3.L1 (FAG), mω 1, mω 2, mω a) b) Rys.. Widoczne liczne małe wżery w łożysku kulkowym: a) na owierzchni zewnętrznej ierścienia wewnętrznego, b) na owierzchni wewnętrznej ierścienia zewnętrznego Fig.. Numerous small its and streaks visible: a) on the inner ring outer surface, b) on the outer ring of the ball bearing inner surface. WNIOSKI Podsumowując wyniki rzerowadzonych badań można z dużym rawdoodobieństwem stwierdzić, że widoczne na rysunku [] uszkodzenia łożysk ochodzących z badanego silnika, są wynikiem wystęowania rądów łożyskowych. Zmierzone wartości naięć wałowych znacznie rzekraczają wartości douszczalne, odawane w literaturze (od, V do 1 V), szczególnie w czasie rozruchu bezośredniego. Po
rzekroczeniu naięcia rzebicia filmu olejowego rąd łożyskowy silnie wzrasta, a okres racy łożyska bardzo się skraca. Grubość filmu olejowego zmniejsza się rzy wzroście temeratury. Dlatego wartości owstających rądów łożyskowych dla określonej rędkości obrotowej silnika znacznie zależą od temeratury łożysk. Dodatkowo na wartość naięcia rzebicia filmu olejowego ma wływ rodzaj zastosowanego smaru i jego własności oraz rodzaj zastosowanych łożysk. Temeratura tarcz łożyskowych odczas normalnej racy badanego silnika wynosi około 6 ο C, czyli jest znacznie wyższa od temeratury rzyjętej w badaniach. Dlatego w czasie normalnej eksloatacji, rzy rędkości obrotowej zbliżonej do znamionowej, należy się liczyć z tym, że film olejowy ulega rzebiciu rzy naięciu niższym od uzyskanego w badaniach. Ponadto w trakcie badań wykazano znaczną zależność naięcia i rądu wałowego od wartości naięcia zasilania silnika. Wykazano, że wływ asymetrii naięcia zasilania jest omijalny. W celu eliminacji rądów łożyskowych stosuje się izolowaną komorę naędową lub łożyska izolowane od strony PN. Uzuełnieniem rzerowadzonych badań są wnioski rzedstawione w racy [2] określające wływ rodzaju skojarzenia uzwojeń silnika na amlitudę składowych harmonicznych w naięciu wałowym. LITERATURA [1] DRAK B., ZIENTEK P., NIESTRÓJ R., KWAK J.: Uszkodzenia łożysk w silnikach indukcyjnych użytych w organach urabiających kombajnów górniczych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr. 7/26, s. 137 16. [2] MATRAS A., RAMS W.: Damages of Bearings of Induction Motor from its Bearing Currents. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universitat Ilmenau, 22 2 Set. 23. [3] VAS P.: Sensorless vector and direct torque control. Oxford University Press 199. [] ZIENTEK P., NIESTRÓJ R., BIAŁOŃ T.: Naięcia wałowe i rądy łożyskowe w silnikach indukcyjnych dużej mocy badania laboratoryjne. Prace Naukowe Politechniki Śląskiej Elektryka" Z.3 (23), Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 27, s. 99 1. SHAFT VOLTAGES AND CURRENTS IN LARGE POWER INDUCTION MOTORS In the aer is resented a method for measurements and results of shaft voltages and currents measurements in the mining motors with hollowed rotor shaft. Investigations were erformed for an induction motor of rated ower 3 kw and rated voltage 1 V. In the section [2] is described alied measurement method (fig. 2b) and are resented investigations results (fig. 1). Moreover was determined the influence of a suly voltage value (tab. 1) and different asymmetries of this voltage (tab. 2) on the bearing currents value. The equivalent diagram of the baring current ath was also resented (fig. 2a). In the section [3] are resented and described characteristics determining the influence of motor bearings average temerature (fig. 3a) and shaft voltage values (fig. 3b) on the bearing current value. In the section [] is resented the influence of motor start-us amount on a bearing currents value (fig. ) and a bearing resistance (tab. 3). In the section [] are resented conclusions ointing on threats for bearing nodes of the motor.