8. díl - Hřídelové napětí a ložiskový proud - proč se rychleji poškozují ložiska na motorech s měniči

Seriál Měření při údržbě pohonů a motorů pro časopis ELEKTRO - č. 8-9/2016.
Autor - ing. Jaroslav Smetana

V šestém pokračování jsme si pověděli, jak vypadá napětí na výstupu měniče a jaké jsou možnosti měření v této části pohonu. Sedmá část byla zaměřena na parazitní odrazy vznikající na vedení mezi motorem a měničem, které mohou poškodit vinutí motoru, a na možnosti jejich zjištění.
V tomto pokračování bude něco o dalším parazitním jevu, který se objevuje na motorech především při používání měničů.

Vlivem různých jevů vznikajících při provozu motoru může vznikat napětí na jeho hřídeli. Jedním ze zdrojů tohoto napětí může být asymetrie v tolerancích rozměrů výroby rotoru a statoru. Tento jev je pozorovatelný i při sinusovém napájení motoru, kdy se vlivem změn magnetického pole při rotaci rotoru indukuje napětí na hřídeli motoru. Toto napětí se snaží uzavřít obvod cestou nejmenšího odporu. Touto cestou je smyčka uzavírající se přes ložiska motoru. Jestliže napětí překročí izolační schopnost maziv v ložisku, dochází k průrazu a poškození ložiska. Zásluhou současné velmi přesné výroby je však tento způsob vzniku hřídelového napětí u současných motorů zanedbatelný.

Obr. 1. Hřídelové napětí vzniklé rozdíly v čase sepnutí výkonových prvků

Dalším důvodem vzniku hřídelového napětí jsou kapacitní efekty mezi statorem a rotorem motoru, kdy napětí na hřídeli postupně roste, až dojde k překročení izolační schopnosti maziva a k průrazu, poklesu napětí a opětovnému nárůstu napětí mezi kostrou motoru a rotorem.

Třetím, a nejvýznamnějším zdrojem hřídelového napětí, je situace, kdy motor není napájen sinusovým napětím, ale napětím z výstupu měniče, přičemž jeho průběh na svorkách motoru je obdélníkový s šířkovou modulací (obr. 1 v 7. díle seriálu). Toto „syntetické“ napětí s proměnnou frekvencí je generováno konečným počtem kroků. Spínací prvky nejsou vždy sepnuté ve všech fázích ve stejném okamžiku. Tím vzniká souhlasné napětí, které kopíruje nestejné okamžiky sepnutí spínacích prvků měniče a jehož frekvence odpovídá nosné frekvenci měniče. Vlivem kapacit mezi rotorem a statorem se toto napětí přenáší na hřídel motoru. Průběh tohoto napětí je patrný z obr. 1. Zhoršení tohoto jevu může nastat v situaci, kdy napětí všech tří fází měniče nejsou symetrická co do velikosti – působením např. poruchy ve spínacích prvcích měniče.

Obr. 2. Cesta proudu vyvolaného hřídelovým napětím

Takto vzniklé napětí se snaží uzavřít obvod přes ložiska na kostru motoru (obr. 2). Vzhledem k velikosti konstrukčních částí motoru je tento proud, označený v obr. 2 jako I₃, poměrně velký a roste s výkonem motoru. Jeho přítomnost může způsobovat poškozování ložisek motoru či hnaného zařízení. Jestliže toto napětí na hřídeli rotoru překročí izolační schopnosti maziva ložisek, mohou vznikat elektrické výboje (jiskření), které vytvářejí důlky a způsobují vybrušování kroužků ložisek motoru, tedy poškození, jež může vést k předčasnému selhání motoru.

Obr. 3. Tavná poškození povrchu ložiska

Obr. 4. Scopemeter značky Fluke

Obr. 5. Speciální sondy

Dalším zde vznikajícím efektem jsou také vysokofrekvenční proudy do uzemnění, na obr. 2 označené I₂. Na motorech napájených střídavým napětím sinusového průběhu se mohou mezi hřídelí, ložiskem a kostrou objevit napětí zhruba 1 až 2 V. Tato napětí nemají dostatečnou velikost na proražení elektrické pevnosti maziva, zatímco u motorů napájených rychle spínanými průběhy řízených pohonů s proměnnými otáčkami může napětí mezi hřídelí, ložiskem a kostrou být ve špičce i 8 až 15 V, někdy i více. Napětí této velikosti již je schopno prorazit izolaci tvořenou tenkým filmem maziva ložiska a následné jiskření může způsobovat tavná poškození, jak je patrné z příkladu na obr. 3. Tato poškození vedou ke zkrácení života ložisek i vlastního pohonu.

Obr. 6. Snímání hřídelového napětí přímo z rotující hřídele

Obr. 7. Průběh parazitního proudu

Z obr. 2 je zřejmé, že tok parazitních proudů hřídelového napětí je závislý na konstrukci motoru i soustrojí. Pro identifikaci přítomnosti těchto parazitních jevů je vhodné měřit hřídelové napětí, které vyvolává ložiskový proud. Vzhledem k tomu, že jde o měření napětí proti zemi, je nutné použít osciloskop se vstupy izolovanými proti zemi. Bez této vlastnosti osciloskopu není možné přítomnost hřídelového napětí zjistit. Takovým osciloskopem je opět některý z již dříve zmiňovaných Scopemetrů řady Fluke 190 (obr. 4). S využitím speciálních sond, které jsou zakončeny jemnými karbonovými vlákny nasazenými na osciloskopické sondy (obr. 5), je možné snímat hřídelové napětí přímo z rotující hřídele (obr. 6). Všechny tři popsané parazitní proudy, jak je naznačeno na obr. 2, se vracejí různými cestami do měniče. Jejich součet I₁ + I₂ + I₃ je označován jako sigma proud a lze jej změřit a zobrazit opět pomocí osciloskopu. Měření je provedeno tak, že citlivý proudový převodník (kleště) připojený ke vstupu osciloskopu je nasazen způsobem, při kterém společně „obejme“ všechny fázové vodiče vycházející z měniče. Vzniklým součtem magnetických polí tvořených proudy tří fází lze získat obraz parazitního proudu (obr. 7). Je důležité provádět toto měření i měření hřídelového napětí osciloskopem, neboť je třeba znát nejen velikost těchto veličin, ale i jejich tvar. Tento článek se zabývá pouze měřením, tedy zjištěním přítomnosti a určením velikosti hřídelového napětí. Jeho potlačení je na jinou diskusi. Nicméně z obr. 2 a cest, kterými protékají parazitní proudy, je patrné, že k potlačení jejich vlivu nepostačí použít jen izolovaná ložiska v jednom místě pohonu tak, jak to doporučují někteří výrobci. Tím je problém posunut o jedno ložisko dále, ale trvá. Další část seriálu se bude zabývat měřením na vlastním motoru vedoucím ke snadnému ověření jeho správné činnosti.

Fotografie