SHAFT VOLTAGES IN HIGH POWER INDUCTION MOTORS

ELEKTRYKA 1 Zeszyt (14) Rok LVI Piotr ZIENTEK, Roman NIESTRÓJ Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach NAPIĘCIA WAŁOWE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH DUśEJ MOCY Streszczenie. Artykuł zawiera analizę uszkodzeń łoŝysk w silnikach indukcyjnych duŝej mocy. Przedstawiono róŝne rodzaje uszkodzeń łoŝysk w badanych silnikach oraz przyczyny powstawania napięć wałowych i prądów łoŝyskowych. W rozdziale 5 przedstawiono wpływ asymetrii napięcia zasilania na wartość napięć wałowych. W artykule zaprezentowano wyniki wielu badań laboratoryjnych oraz wnioski wypracowane w czasie badań. Słowa kluczowe: prądy łoŝyskowe, napięcia wałowe, silniki indukcyjne SHAFT VOLTAGES IN HIGH POWER INDUCTION MOTORS Summary. The paper presents results of investigations aimed at bearing faults detection in high power induction motors. Different kinds of bearing damages arising in the considered motors are shown. The causes of occurring the shaft voltages and bearing currents are given as well. In Section 5 there is presented influence of the supply voltage unbalance on the shaft voltage values. The conclusions drawn from the laboratory tests are presented in Section 7. Keywords: bearing currents, shaft voltages, induction motors 1. WSTĘP Do napędu organów urabiających górniczych kombajnów ścianowych są stosowane silniki indukcyjne trójfazowe o mocach znamionowych od kw do 6 kw. W zakresie mocy znamionowych od kw do 3 kw silniki są wykonywane na napięcie znamionowe 1 V, w zakresie mocy od 3 kw do 35 kw na napięcie znamionowe 1 V i 33 V, natomiast powyŝej mocy znamionowej 35 kw silniki są wykonywane wyłącznie na napięcie znamionowe 33 V. Przedmiotowe silniki są przystosowane do eksploatacji w przestrzeniach zagroŝonych metanem oraz wybuchem pyłu węglowego. Mają one budowę ognioszczelną z osłoną przeciwwybuchową (cecha EExdI, grupa wybuchowości I, kategoria M). Silniki te mają

9 P. Zientek, R. Niestrój wirniki krótko zwarte pręgowane, przy czym w zakresie mocy znamionowej od kw do 3 kw są stosowane wirniki dwuklatkowe, a w zakresie mocy znamionowej od 3 kw do 6 kw stosuje się wirniki głębokoŝłobkowe. Przedmiotowe silniki są przystosowane do rozruchu przez bezpośrednie załączenie napięcia zasilania. Niekorzystnym zjawiskiem występującym w tych silnikach jest stosunkowo wysoki poziom napięć wałowych, które w pewnych warunkach powodują przepływ prądów łoŝyskowych, powodujących przyspieszone uszkodzenia łoŝysk tocznych i w dalszej konsekwencji awarię silników. Napięcia wałowe są szczególnie wysokie w stanach dynamicznych, np. podczas rozruchu bezpośredniego. Obserwacja uszkodzonych elementów łoŝysk tocznych wielu silników potwierdza, iŝ niemal w kaŝdym przypadku są wyraźnie widoczne ślady przepływu prądów łoŝyskowych. Przyczyny powstawania napięcia wałowego są związane z budową konkretnego silnika, która wynika z przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego oraz z zastosowanych do jego wytworzenia procesów technologicznych, wywołujących niejednokrotnie powstanie wielu asymetrii w obwodach elektromagnetycznych silników. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań napięć wałowych silników o róŝnych mocach znamionowych i róŝnych rozwiązaniach konstrukcyjnych oraz ocenę wpływu asymetrii napięcia zasilania silników na wartość napięcia wałowego.. RODZAJE USZKODZEŃ ŁOśYSK TOCZNYCH Okres bezawaryjnej pracy nowego lub remontowanego silnika do uszkodzenia węzłów łoŝyskowych wynosi przeciętnie kilka miesięcy. Charakter uszkodzeń elementów tocznych, bieŝni łoŝysk i czopów wału omawianych silników wskazuje na uszkodzenia termiczne i mechaniczne oraz na uszkodzenia, będące skutkiem przepływu prądów przez łoŝyska. W celu określenia rodzaju uszkodzeń wywołanych prądami łoŝyskowymi, przez pewien okres czasu gromadzono zuŝyte łoŝyska i tworzono dokumentację ich uszkodzeń. ŁoŜyska pochodziły z silników o mocach powyŝej kw i napięciach znamionowych 1 V i 33 V. W większości z nich charakter uszkodzeń wskazywał na występowanie prądów łoŝyskowych o dość znacznej wartości (rys. 1, ) Przeprowadzone badania laboratoryjne [1, 3, 7, 8] potwierdziły obecność występowania napięć wałowych i prądów łoŝyskowych w przedmiotowych silnikach. Przedstawione na rysunkach 3, 4, 8, 9 uszkodzenia łoŝysk w postaci regularnych wgnieceń (prąŝków) na bieŝniach pierścieni łoŝysk są wynikiem docisku toczących się po nich elementów tocznych. Działanie prądów łoŝyskowych znacząco przyspiesza ich powstawanie, na skutek zmiany struktury materiału pierścieni pod działaniem prądów łoŝyskowych. MoŜna więc stwierdzić, Ŝe przedstawione na rysunkach od 1 do 9 uszkodzenia łoŝysk zostały spowodowane prądami łoŝyskowymi.

Napięcia wałowe w silnikach Rys. 1. Krater na powierzchni zewnętrznej pierścienia zewnętrznego Fig. 1. The crater on the outer ring outer surface Rys.. Krater i małe wŝery na powierzchni wewnętrznej pierścienia wewnętrznego Fig.. The crater and small pits on the inner ring inner surface Rys. 3. PrąŜki na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego Fig. 3. The stripes on the outer ring inner surface Rys. 4. PrąŜki na powierzchni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego Fig. 4. The stripes on the inner ring outer surface 93

94 P. Zientek, R. Niestrój Rys. 5. Liczne małe wŝery na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego łoŝyska kulkowego Fig. 5. Numerous small pits and streaks on the outer ring of the ball bearing inner surface Rys. 6. Liczne małe wŝery i smugi obwodowe w łoŝysku wałeczkowym na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego Fig. 6. Numerous small pits and streaks on the outer ring inner surface Rys. 7. Liczne małe wŝery i prąŝki na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego Fig. 7. Numerous small pits and stripes on the outer ring inner surface

Napięcia wałowe w silnikach 95 Rys. 8. Liczne małe wŝery i smugi obwodowe w łoŝysku wałeczkowym na powierzchni wałeczków Fig. 8. Numerous small pits and streaks on the bearing roller of the roller bearing surface Rys. 9. Liczne małe wŝery i prąŝki na powierzchni wałeczków Fig. 9. Numerous small pits and stripe of the roller bearing surface 3. PRZYCZYNY POWSTAWANIA NAPIĘĆ I PRĄDÓW WAŁOWYCH W silnikach indukcyjnych duŝej mocy, przeznaczonych do rozruchów bezpośrednich, węzły łoŝyskowe są szczególnie naraŝone na uszkodzenia spowodowane przepływającymi prądami łoŝyskowymi. Źródłem prądów łoŝyskowych jest indukowana wzdłuŝ wału maszyny siła elektromotoryczna, zwana napięciem wałowym. Powstaje ona wtedy, gdy istnieje zmienny strumień magnetyczny, zamykający się w obwodzie wzdłuŝ jarzma rdzenia stojana i wirnika, obejmując wał maszyny indukcyjnej (rys. 1). Przyczyn powstawania takiego strumienia naleŝy szukać w budowie samego silnika. Według informacji zawartych w dostępnych materiałach [, 44, 6] są to głównie asymetrie obwodu magnetycznego, wynikające z sumowania się łańcucha tolerancji wszystkich detali maszyny. Zalicza się do nich nierównomierną szczelinę powietrzną, ekscentryczność wirnika, segmentowany lub dzielony stojan maszyny oraz anizotropie w obwodzie magnetycznym maszyny. Prądy łoŝyskowe częściej powstają w większych maszynach o długości kadłuba przekraczającej 4 mm i małej liczbie par biegunów (większa asymetria pola

96 P. Zientek, R. Niestrój magnetycznego) niŝ w silnikach małych o duŝej liczbie par biegunów, gdzie łatwiej utrzymać większą symetrię uzwojeń. STRUMIEŃ OBEJMUJĄCY STRUMIEŃ WAŁ KOŁOWY RDZEŃ STOJANA RDZEŃ WIRNIKA NAPIĘCIE WAŁOWE PRĄD ŁOśYSKOWY Rys. 1. Powstawanie prądu łoŝyskowego Fig. 1. Bearing currents forming 4. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Obiektem badań były silniki indukcyjne o mocach od kw do 63 kw i napięciu znamionowym 1 V i 33 V przeznaczone do napędu organów urabiających górniczych kombajnów ścianowych (rys. 11). a) b) Rys. 11. Stanowisko pomiarowe z silnikiem: a) dskgw 315L-4, 3 kw, 1 V, b) dskgw 5Y4, 5 kw, 33 V Fig. 11. Measurement stand with the motor: a) dskgw 315L-4, 3 kw, 1 V, b) dskgw 5Y4, 5 kw, 33 V Badane silniki charakteryzują się następującymi cechami: - wyposaŝenie w system chłodzenia wodą, - drąŝony przelotowy wał wirnika, - moŝliwość rozruchu przez bezpośrednie załączenie napięcia zasilania z sieci, - izolacja łoŝysk silnika.

Napięcia wałowe w silnikach 97 Do badań laboratoryjnych wykorzystano następujące typy silników: - SGR 315M4 ( kw, 1 V), - dskgwb 314M4 ( kw, 1 V), - SG7 355L-4 (5 kw, 1 V), - dskgw 315L-4 (3 kw, 1 V), - 3SG4W 56L-4 (35 kw, 1 V), - 3SG4W 56L-4A (35 kw, 1 V), - SG3W 76Y-4A (58/63 kw, 33 V), - dskgw 5Y4 (5 kw, 33 V), - SG3W 76Y-4 (5 kw, 33 V), - 3SG4W 56Y-4A (35 kw, 33 V). Pomiary wykonywano podczas rozruchów bezpośrednich i w stanie ustalonym w takich samych warunkach otoczenia. KaŜdą serię badań wykonywano dla kilku silników z danego typu w celu potwierdzenia uzyskiwanych wyników pomiaru. Podjęte badania miały na celu określenie, w jakim stopniu zmiana parametrów zasilania silników oraz jakie parametry konstrukcyjne mają decydujący wpływ na wartość powstających napięć wałowych. W celu pomiaru napięcia wałowego silnik wyposaŝono w przewód pomiarowy, umieszczony w drąŝonym wale, którego końce wyprowadzono na zewnątrz silnika (rys. 1). STOJAN WIRNIK OSCYLOSKOP CH1 CH u WAŁ Rys. 1. Schemat układu do pomiaru napięcia wałowego Fig. 1. Diagram of the shaft voltage measurement schem Napięcie zmierzone w ten sposób na końcach przewodu jest równe napięciu pomiędzy końcami wału silnika. Dokładniej ta metoda pomiaru została opisana w literaturze [1]. 5. WPŁYW ASYMETRII NAPIĘĆ ZASILANIA NA WARTOŚĆ NAPIĘĆ WAŁOWYCH W celu określenia wpływu asymetrii napięć zasilających na wartość napięcia wałowego przeprowadzono wiele pomiarów w stanie ustalonym oraz podczas rozruchu silnika.

98 P. Zientek, R. Niestrój Asymetrię napięć uzyskano przez zmianę zaczepów w transformatorze zasilającym. Badania przeprowadzono dla następujących napięć zasilania: - symetrycznego, - z asymetrią, +5%, -5%, - z asymetrią -5%, -5%, +5%, - -fazowego. Podczas zasilania -fazowego rejestracje przeprowadzano tylko w stanie ustalonym. Sposób pomiaru napięcia wałowego omówiono w rozdziale 4. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunkach 13 i 14 oraz w tabelach 1 i. Z zarejestrowanych przebiegów dla stanów ustalonych obliczono transformaty Fouriera, a wyniki przedstawiono na rysunku 14. Z otrzymanego widma harmonicznych wyodrębniono prąŝki o największych amplitudach, a ich wartości zestawiono w tabeli. Wartość skuteczna napięcia wałowego Tabela 1 Rodzaj asymetrii napięć zasilania silnika symetria, +5%, -5% -5%, -5%, +5% zasil. -faz. u WAŁ (RMS) V,8 1,16 1,17 1,46 Tabela Amplitudy harmonicznych napięcia wałowego Rodzaj asymetrii napięć zasilania silnika f [Hz] symetria +5% -5% -5% -5% +5% zasil. -faz. h A u WAŁ V 5,5,4,4,5 15,31,7,7,36 5,9,5,5,16 8,5,1,1,7 9,6,9,7,31 11,7,6,95,17 1,1,5,65,1 13,3,,1,8

Napięcia wałowe w silnikach 99 a) up 1 5-5 b) up 1 5-5 c) u p 1 5-5 -1.4.8 1. -1.4.8 1. -1.4.8 1. Rys. 13. Przebieg napięcia wałowego podczas rozruchu silnika i w stanie ustalonym dla następujących napięć zasilania: a) symetrycznego, b) z asymetrią -5%, -5%, +5%, c) z asymetrią, +5%, -5% Fig. 13. Waveform of shaft voltage during motor start-up and in steady-state for the following supply voltages: a) symmetric, b) asymmetric -5%, -5%, +5%, c) asymmetric, +5%, -5% a) b) c) d) u WAŁ u WAŁ u WAŁ u WAŁ 3 1-1 - -3.8.9 1 1.1 1. 3 1-1 - -3.8.9 1 1.1 1. 3 1-1 - -3.8.9 1 1.1 1. 3 1-1 - -3.8.9 1 1.1 1..4.3..1 4 8 1 16.3..1 4 8 1 16.3..1 4 8 1 16.4.3..1 4 8 1 16 Rys. 14. Przebieg napięcia wałowego i jego transformata Fouriera dla następujących napięć zasilania: a) symetrycznego, b) z asymetrią, +5%, -5%, c) z asymetrią -5%, -5%, +5%, d) -fazowe Fig. 14. Waveform of shaft voltage and their Fourier transforms for the following supply voltages: a) symmetric, b) asymmetric, +5%, -5%, c) asymmetric -5%, -5%, +5%, d) -phase Dodatkowo, na rysunku 15 a, b przedstawiono przebiegi napięcia i prądu fazowego oraz ich transformaty Fouriera dla stanu ustalonego przy symetrycznym zasilaniu. Z otrzymanego widma harmonicznych celowo usunięto prąŝek podstawowej harmonicznej 5 Hz w celu uwidocznienia prąŝków o mniejszych amplitudach.

1 P. Zientek, R. Niestrój a) b) c) ur ir [A] 1 8 4-4 -8-1.4.8 1. 1-1 - -3.4.8 1. 1 A h u R A h i R [A] 3 1 4 8 1 16.5 1.5 1.5 4 8 1 16.4 uwał 5-5.3..1-1.4.8 1. 4 8 1 16 Rys. 15. Przebiegi i ich transformata Fouriera ze stanu ustalonego: a) napięcie fazowe, b) prąd fazowy, c) napięcie wałowe Fig. 15. Waveforms and their Fourier transforms from steady state: a) phase voltage, b) phase current, c) shaft voltage Analizując obliczone transformaty Fouriera, moŝna stwierdzić, Ŝe największą amplitudę mają prąŝki o częstotliwościach 5, 15, 5, 9 Hz. Przyczyny ich powstawania omówiono w dalszej części artykułu. W przypadku zasilania silnika napięciem asymetrycznym zmiany napięcia wałowego w stosunku do zasilania znamionowego są niewielkie. DuŜo większe zmiany wartości tego napięcia występują w przypadku zasilania -fazowego. 6. ANALIZA NAPIĘĆ WAŁOWYCH PRZY ZASILANIU SYMETRYCZNYM Pomiar napięć wałowych przeprowadzono w silnikach indukcyjnych o mocy od kw do 58 kw i napięciach znamionowych 1 V i 33 V. Pomiary przeprowadzono podczas rozruchu bezpośredniego. Z zarejestrowanych przebiegów napięć wałowych w stanie ustalonym obliczono transformaty Fouriera, a wyniki przedstawiono na rysunkach 16, 17 i 18. Pod kaŝdym wykresem zamieszczono typ silnika, jego dane znamionowe, takie jak: moc znamionowa, napięcie znamionowe oraz dane konstrukcyjne, takie jak: liczbę Ŝłobków uzwojenia stojana i wirnika. Większość badanych silników miała 48 Ŝłobków w stojanie oraz 38 Ŝłobków w wirniku. W silnikach indukcyjnych typu 3SG4W 56L-4 oraz 3SG4W 56L-4A zastosowano 34 Ŝłobki w wirniku, co uwidacznia się w przebiegach napięcia wałowego (rys. 17, tab. 3) i ich transformatach Fouriera. Znacznej redukcji uległy harmoniczne Ŝłobkowe 9 Hz i 1 Hz (rys. 17, tab. 4). Badania wykazały, Ŝe silniki te mają mniejszą wartość napięcia wałowego

Napięcia wałowe w silnikach 11 w stanie ustalonym w porównaniu z badanymi silnikami innego typu, ale podobnej mocy (tab. 3). Silniki indukcyjne o napięciu znamionowym 33 V i mocy 5 kw mają największe wartości napięcia wałowego zarówno podczas rozruchu, jak równieŝ w stanie ustalonym (rys. 16, tab. 3). Podobne wartości ma takŝe silnik typu dskgw 315L-4 o napięciu zasilania 1 V i mocy 3 kw (rys. 18d, tab. 3). a) b) c) d) u WAŁ 1 8 4-4 -8-1 1 3 4 1.6 1..8.4 4 8 1 16 1.6 1..8.4 1 3 4 5 u WAŁ 1 8 4-4 -8-1 1 3 1.6 1..8.4 4 8 1 16 1.6 1..8.4 1 3 4 5 u WAŁ 1 8 4-4 -8-1 1 3 1..8.4 4 8 1 16 1..8.4 1 3 4 5 u WAŁ 6 4 - -4-6 1 3 4.4.3..1 4 8 1 16.4.3..1 1 3 4 5 Rys. 16. Przebieg napięcia wałowego oraz jego transformata Fouriera dla stanu ustalonego dla silników typu: a) SG3W 76Y-4A, 58/63 kw, 33 V, 48/38, b) SG3W 76Y-4, 5 kw, 33 V, 48/38, c) dskgw 5Y4, 5 kw, 33 V, 48/38, d) 3SG4W 56Y-4A, 35 kw, 33 V, 48/34 Fig. 16. Waveform of shaft voltage and its Fourier transform for steady state for the motors of following types: a) SG3W 76Y-4A, 58/63 kw, 33 V, 48/38, b) SG3W 76Y-4, 5 kw, 33 V, 48/38, c) dskgw 5Y4, 5 kw, 33 V, 48/38, d) 3SG4W 56Y-4A, 35 kw, 33 V, 48/34 a) b) u WAŁ 4 - -4 1 3 4.4 u WAŁ 3 1-1 - -3 1 3 4.3.3..1..1 4 8 1 16.4 4 8 1 16.3.3..1..1 1 3 4 5 1 3 4 5 Rys. 17. Przebieg napięcia wałowego oraz jego transformata Fouriera dla stanu ustalonego dla silników typu: a) 3SG4W 56L-4, 3 kw, 1 V, 48/34, b) 3SG4W 56L-4A, 35 kw, 1 V, 48/34 Fig. 17. Waveform of shaft voltage and its Fourier transform for steady state for the following motors: a) 3SG4W 56L-4, 3 kw, 1 V, 48/34, b) 3SG4W 56L-4A, 35 kw, 1 V, 48/34

1 P. Zientek, R. Niestrój a) b) u WAŁ 4 - -4 1 3 4.5.4.3..1 4 8 1 16.5.4.3..1 1 3 4 5 uwał 5.5 -.5-5 1 3 4.4.3..1 4 8 1 16.4.3..1 1 3 4 5 c) 8 d) u WAŁ 4-4 -8..4.6.8 1.6 u WAŁ 8 4-4 -8.4.8 1. 1.6.8.4..6.4. 4 8 1 16 4 8 1 16.6.8.4..6.4. 1 3 4 5 1 3 4 5 Rys. 18. Przebieg napięcia wałowego oraz jego transformata Fouriera w stanie ustalonym dla silników typu: a) SGR 315M4, kw, 1 V, 48/38, b) dskgwb 314M4, kw, 1 V, 48/38, c) SG7 355L4, 5 kw, 1 V, 48/38, d) dskgw 315L-4, 3 kw, 1 V, 48/38 Fig. 18. Waveform of shaft voltage and its Fourier transform for steady state for the motors of following types: a) SGR 315M4, kw, 1 V, 48/38, b) dskgwb 314M4, kw, 1 V, 48/38, c) SG7 355L4, 5 kw, 1 V, 48/38, d) dskgw 315L-4, 3 kw, 1 V, 48/38 Analizując wyniki uzyskane podczas badań, zauwaŝono równieŝ, Ŝe w silnikach indukcyjnych mających 34 Ŝłobki w wirniku zanika harmoniczna 48 Hz (rys. 16d, 17).

Napięcia wałowe w silnikach 13 Pomiary napięć wałowych dla danego typu silników powtórzono co najmniej czterokrotnie dla róŝnych egzemplarzy silników. Porównując transformaty napięcia wałowego z transformatami napięcia i prądu fazowego, moŝna zauwaŝyć, Ŝe pojawiają się w nich prąŝki o znaczących amplitudach i tych samych częstotliwościach: 5, 15, 5, 9, 1 Hz. Wartość napięcia wałowego (p-p) podczas rozruchu i w stanie ustalonym Tabela 3 Typ P n U n U WAŁ rozruch U WAŁ st.ustalony kw V V V SGR 315M4 1 6,4, dskgwb 314M4 1 8,3,7 SG7 355L-4 5 1 1,9,35 dskgw 315L-4 3 1 15,3 4,6 3SG4W 56L-4 3 1 6,1 1,6 3SG4W 56L-4A 35 1 4,85 1,5 SG3W 76Y-4A 58/63 33 19,1 4,64 dskgw 5Y4 5 33 18,7 4,46 SG3W 76Y-4 5 33 18,8 4,64 3SG4W 56Y-4A 35 33 9,5 1,44 Podobieństwo uzyskanych widm harmonicznych pozwala stwierdzić, Ŝe harmoniczne występujące w prądzie fazowym stojana przenoszą się do obwodu, w którym indukuje się siła elektromotoryczna, powodująca przepływ prądu wałowego. Przyczyną powstawania tych harmonicznych jest interakcja rozkładu czasowo-przestrzennego siły magnetomotorycznej w szczelinie powietrznej i lokalnych zmian permeancji szczeliny powietrznej, spowodowanych uŝłobkowaniem stojana i wirnika, nasyceniami zębów i fragmentów rdzenia oraz ekscentrycznością statyczną i dynamiczną wirnika. Harmoniczne siły magnetomotorycznej oddziałują ze składową stałą i harmonicznymi rozkładu permeancji szczeliny, generując rozkład przestrzenno-czasowy indukcji magnetycznej, która indukuje w prętach wirnika siłę elektromotoryczną, wymuszającą przepływ prądów w klatce wirnika. W ten sposób powstaje nowa siła magnetomotoryczna, która oddziałuje ze składową stałą i harmonicznymi rozkładu permeancji szczeliny, generując nowy zestaw harmonicznych indukcji magnetycznej. Wypadkowy rozkład przestrzenno-czasowy indukcji w szczelinie zawiera w efekcie bardzo wiele harmonicznych o róŝnych amplitudach i częstotliwościach. Te harmoniczne indukują harmo-

14 P. Zientek, R. Niestrój niczne siły elektromotorycznej w uzwojeniach stojana, i tym samym wpływają na widmo harmonicznych prądu stojana. Zagadnienie powstawania harmonicznych w prądach stojana silnika indukcyjnego opisano w literaturze, między innymi w [5], gdzie podano takŝe metodę wyznaczania częstotliwości tych harmonicznych, równieŝ przy uwzględnieniu zjawiska aliasingu przestrzennego. W obliczonych transformatach Fouriera występują harmoniczne Ŝłobkowe o częstotliwościach 9 Hz (związane z liczbą Ŝłobków wirnika) i 1 Hz (związane z liczbą Ŝłobków stojana). Harmoniczna o częstotliwości 15 Hz powstaje w efekcie nasycania się zębów stojana i wirnika. Amplitudy harmonicznych napięcia wałowego Tabela 4 Typ 5 15 5 9 1 Hz Hz Hz Hz Hz h A u WAŁ V SGR 315M4,6,8,3,4,3 dskgwb 314M4,15,5,13,4,3 SG7 355L-4,14,5,35,54,43 dskgw 315L-4,48,66,15,5,3 3SG4W 56L-4,9,3,3,3,5 3SG4W 56L-4A,1,9,6,, SG3W 76Y-4A,1,5,8,18 1,6 dskgw 5Y4,9,48,16 1,18,7 SG3W 76Y-4,15,8,13 1,3,85 3SG4W 56Y-4A,1,3,1,,3 Przedstawione widma harmonicznych prądów i napięć uzyskano za pomocą transformacji Fouriera wykonanej dla zarejestrowanych fragmentów przebiegów w stanie ustalonym. W celu uzyskania odpowiedniej rozdzielczości osi częstotliwości transformatę obliczono z szesnastu tysięcy próbek przebiegu. Aby wyeliminować szumy z wyników końcowych, zastosowano uśrednianie wielu transformat Fouriera, uzyskanych metodą nakładania okien czasowych w obrębie zarejestrowanego fragmentu przebiegu. Wszystkie obliczenia przeprowadzono za pomocą programu opracowanego w środowisku Matlab.

Napięcia wałowe w silnikach 15 7. WNIOSKI Podsumowując wyniki przeprowadzonych badań oraz opisane informacje literaturowe moŝna stwierdzić, Ŝe zaobserwowane i przedstawione w rozdziale uszkodzenia łoŝysk zostały spowodowane przepływem prądów przez łoŝyska. Źródłem tych prądów jest indukowana wzdłuŝ wału maszyny siła elektromotoryczna zwana napięciem wałowym. Wartość napięcia jest szczególnie duŝa w stanach dynamicznych silnika, głównie podczas rozruchu, po bezpośrednim załączeniu napięcia. Wartości zmierzonych napięć podczas rozruchu znacznie przekraczają wartości dopuszczalne podawane w literaturze. Po przekroczeniu napięcia przebicia filmu olejowego prąd łoŝyskowy silnie wzrasta, a okres pracy łoŝyska bardzo się skraca. Istotne jest więc badanie przebiegów napięć i prądów wałowych w stanach nieustalonych ze względu na ich wartości wielokrotnie wyŝsze niŝ w stanach ustalonych. Podczas badań stwierdzono, Ŝe: - występujące duŝe wartości prądów łoŝyskowych w początkowej chwili rozruchu silnika, przy zerowej prędkości obrotowej silnika, powodują powstawanie bardzo nieregularnych rozległych wŝerów na bieŝniach pierścieni łoŝysk, - występujące regularne wgniecenia (prąŝki) na bieŝniach pierścieni łoŝysk tocznych są wynikiem docisku toczących się po nich elementów tocznych, a działanie prądów łoŝyskowych znacząco przyspiesza ich powstawanie, na skutek zmiany struktury materiału pierścieni pod działaniem prądów łoŝyskowych, - powstające zygzakowate przypalenia na bieŝniach i elementach tocznych są wynikiem występujących wyładowań w łoŝysku pomiędzy bieŝnią a elementami tocznymi na skutek przebicia filmu olejowego. W przypadku zasilania silnika napięciem niesymetrycznym występują bardzo małe zmiany napięcia wałowego w stosunku do zasilania znamionowego. Większe zmiany w napięciu wałowym występują w przypadku zasilania -fazowego. W silnikach indukcyjnych typu 3SG4W 56L-4 oraz 3SG4W 56L-4A, w których zastosowano 34 Ŝłobki w wirniku, zauwaŝono znaczne zmniejszenie się wartości napięcia wałowego podczas rozruchu i w stanie ustalonym w porównaniu z badanymi silnikami innego typu, ale podobnej mocy. Znacznej redukcji uległy harmoniczne Ŝłobkowe 9 i 1 Hz. Dodatkowo w silnikach tych zanika harmoniczna 48 Hz. Największe wartości napięcia wałowego zarówno podczas rozruchu, jak i w stanie ustalonym mają silniki indukcyjne o napięciu znamionowym 33 V i mocy 5 kw oraz silnik typu dskgw 315L-4 o napięciu zasilania 1 V i mocy 3 kw.

16 P. Zientek, R. Niestrój BIBLIOGRAFIA 1. Drak B., Zientek P., Niestrój R., Kwak J.: Uszkodzenia łoŝysk w silnikach indukcyjnych uŝytych w organach urabiających kombajnów górniczych. Zeszyty Problemowe-Maszyny Elektryczne, nr. 75/6, s. 137-146.. Donner G., Oakes B.K., Evon S.T.: Motor Primer Part III. IEEE Trans On Ind. Appl., Vol. 39, No. 5, September/October 3, p. 1467-1474. 3. Drak B., Zientek P., Niestrój R., Kwak J.: Napięcia i prądy wałowe w silnikach indukcyjnych duŝej mocy uŝytych w organach urabiających kombajnów górniczych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 76/7, s. 55-6. 4. Gambica/Rema Technical Guide: Motor Shaft Voltages and Bearing Currents under PWM Inverter Operation. Technical Report No. First Edition,. 5. Guldemir H., Bradley K.J.: An improved approach to the prediction of line current spectrum in induction machines. Electrical Engineering 3, p. 17-3. 6. Kerszenbaum I.: Shaft currents in electric machines fed by solid-state drives. IEEE Conference Record of the Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, 199. Conference Record, Papers Presented at the 199 Annual Meeting, 4-7 May 199, p. 71-79. 7. Matras A., Rams W.: Damages of Bearings of Induction Motor from its Bearing Currents. 48 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Tech. Universitat Ilmenau, -5 Sept. 3. 8. Zientek P., Niestrój R., Białoń T.: Napięcia wałowe i prądy łoŝyskowe w silnikach indukcyjnych duŝej mocy - badania laboratoryjne. Kwartalnik "Elektryka" 7, z.3 (3), s. 99-11. Recenzent: Dr hab. inŝ. Sławomir Szymaniec, prof. Pol. Opolskiej Wpłynęło do Redakcji dnia 15 kwietnia 1 r. Abstract The paper presents results of researches aimed at bearing faults detection in the high power induction motors. In the chapter 1 is shown a short characteristic of the motors being the object of researches. Motors used for investigations are intended for drive of the mining organs of heading machines. In the range of rated powers from kw to 3 kw motors are made for rated voltages of 1 V, in the power range from 3 kw to 35 kw for rated voltages 1 V and 33 V, whereas above rated power of 35 kw motors are made only for rated voltage of 33 V. In the chapter, on the figures from 1 to 9 are shown different kinds of bearing damages arising in considered motors. Shown bearing damages having the form of regular dents (strips) on the bearing tracks are caused by the pressure of rolling elements

Napięcia wałowe w silnikach 17 rolling on them. The action of bearing currents hastens their formation significantly, as a result of change of structure of ring material caused by bearing currents. In charter 3 are presented the causes of shaft voltages and bearing currents forming. The figure 1 shows the graphical presentation of the bearing currents forming issue. In the chapter 4 is presented description of laboratory stand. The figure 1 presents diagram of measuring system. The index of the motors being an object of investigations is presented as well. In the chapter 5 is presented influence of supply voltage unbalance on the value of shaft voltages. Measurements results are shown in the figures 13 and 14 and in the tables 1 and as well. Fourier transforms where calculated for recorded steady-state transients and results are shown in the figure 14. Basing on the Fourier transform analysis, it was found that the peaks corresponding to frequencies 5, 15, 5 and 9 Hz have the greatest magnitudes. In the chapter 6 in the figures 16, 17 and 18 are shown transients and Fourier transforms of shaft voltages for different types of induction motors operating at symmetrical feeding. Comparing transforms of the shaft voltage with the transforms of phase current and voltage, it was found that occurred in them the peaks of significant magnitudes and the same frequencies: 5, 15, 5, 9, 1 Hz. Conclusions drawn from laboratory researches are presented in chapter 7.