Erhöhen Sie die Lebenserwartung von Motoren mit Frequenzumrichtern mit sauberer Leistung

Vom Motor kommt ständig ein quietschendes und knurrendes Geräusch. Dieses besorgniserregende Rumpelgeräusch nimmt jeden Tag auf mikroskopischer Ebene langsam zu. Dies ist das Symptom einer beginnenden Erosion der Lager. Motorenexperten haben angegeben, dass 50 % der Motorausfälle auf Lagerdefekte zurückzuführen sind.

Die Hauptursachen für Lagerausfälle (80 %) sind mechanischer Natur, darunter:

Diese Probleme können mit der richtigen Pflege und einem effektiven Wartungsplan behoben werden. Es gibt andere Ursachen für Lagerprobleme, wie zum Beispiel Frequenzumrichter (VFDs), induzierte Lagerströme (die Maßnahmen erfordern, um eine vorzeitige Alterung zu vermeiden) und Motorausfall.

Seit ihrer Einführung vor über 40 Jahren hatten VFDs einen dramatischen Einfluss auf die Branche. Durch den Einsatz von Leistungselektronik ermöglichen sie eine präzise Steuerung des Motordrehmoments und der Motorgeschwindigkeit und passen die gelieferte Bewegung genau an den Bedarf an. Benutzer profitieren von Energieeinsparungen und erleben dadurch eine geringere Belastung des Motorgetriebes/Antriebsstrangs.

In der Vergangenheit waren die Vorteile der VFD-Technologie mit Kosten verbunden. VFDs, die nicht dem neuesten Stand der Technik entsprechen, haben Nachteile wie Oberschwingungen, elektromagnetische Störungen (EMI), Delta-Spannung über Delta-Zeit (dv/dt), erfordern den Einsatz sperriger Filter und begrenzen die Kabellängen.

Die in vielen Anwendungen weniger verstandenen Phänomene sind die elektrischen Ströme, die durch die Motorlager fließen und im Allgemeinen als Lagerströme bezeichnet werden. Lagerströme sind die Hauptursache für Lochfraß, Riffelung und Vereisung der Kugellager und Lagerlaufbahnen.

Elektromotorlager sind für 100.000 Betriebsstunden ausgelegt. Das entspricht mehr als 11 Jahren kontinuierlicher täglicher Nutzung. Wenn Lager ausfallen (50 % der Motorausfälle), sind nicht nur die Reparaturkosten die Folge.

Die erste Folge sind ungeplante Wartungsarbeiten und die Kosten für Produktionsausfälle. Es besteht auch die Gefahr einer Beschädigung mechanischer Lasten und an der Motorwelle befestigter Kupplungen. Dies kann als direkte Folge eines Lagerausfalls oder während der nach dem Ausfall durchgeführten reaktiven Wartung auftreten.

In Bezug auf reaktive Wartung haben mehrere Studien gezeigt, dass 28 % der Arbeitnehmer bei reaktiver Wartung häufiger einen Arbeitsunfall erleiden als bei proaktiver Wartung.

Die mit ungeplanter, reaktiver Wartung einhergehenden Produktionsausfälle haben negative Folgen wie Produktionsausfälle, Terminüberschreitungen, Umsatzeinbußen, erhöhte Personalkosten zum Ausgleich von Produktionsausfällen und die Kosten für die Reparaturen selbst.

Unter Gleichtaktspannung versteht man die Spannung zwischen dem Sternpunkt des Motors und der Erdung des Systems. Die Spannung vom Neutralleiter zur Erde (Gleichtaktspannung) kann als Phase-Erde-Spannung als gemittelte Summe der drei Spannungen berechnet werden.

Bei einem Dreiphasenmotor, der mit einem dreiphasigen Spannungssignal betrieben wird, haben diese drei Spannungssignale bei gut ausgeglichenem System theoretisch die gleiche Amplitude mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad. In diesem Szenario muss ein symmetrischer Wechselstrommotor von einer symmetrischen dreiphasigen Wechselstromquelle angetrieben werden und die Gleichtaktspannung beträgt Null.

Wenn ein Motor von einem gewöhnlichen VFD angetrieben wird, erzeugt das schnelle Schalten der Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) drei hochfrequente Pulsweitenmodulationssignale (PWM). Da sie unsymmetrisch sind, sind sie die Quelle einer Spannungsdifferenz ungleich Null (Gleichtaktspannung) zwischen dem Sternpunkt des Motors und der Erdung des Systems.

Die Struktur des Wechselstrommotors in Kombination mit diesem hochfrequenten PWM-Signal macht die Streukapazitäten des Motors (auch als parasitäre Kapazitäten bekannt) nicht vernachlässigbar.

Der Streukapazitätskreis ist die Quelle einer Wellenspannung, wenn der Motor dreht und die Gleichtaktspannung ungleich Null ist. Die hohe Frequenz der PWM kann dazu führen, dass diese Wellenspannung Funken und Lichtbögen im Lagerschmiermittel erzeugt, was zu Lochfraß und Riffelung an den Lagerlaufbahnen führt.

Bei niedriger Motordrehzahl stehen der Innenring und der Außenring der Lager in physischem Kontakt mit den Kugellagern. In diesem Fall ist die parasitäre Kapazität des Lagers nicht vorhanden und es liegt keine Wellenspannung an.

Es gibt verschiedene Arten von Strömen, die die Motorlager schädigen oder sogar zu Störungen im Motor führen können.

Kapazitive Lagerströme

Da die Gleichtaktspannung vom hochfrequenten PWM-Signal stammt, ist sie auch eine Quelle schneller Spannungstransienten (hohes dV/dt). Dieses hohe dV/dt erzeugt über die Streukapazität Stromimpulse zwischen den Rotor- und Statorwicklungen. Ein Teil dieses Stroms fließt zwischen dem Innenring und dem Außenring der Lager und verursacht Hitze im Schmiermittel.

Lagerströme für die elektrische Entladungsbearbeitung (EDM).

Gleichtaktspannung erzeugt eine elektrische Ladung, die in der parasitären Kapazität zwischen Rotor und Stator gespeichert wird. Wenn diese Ladung hoch wird, durchbricht sie die dielektrische Isolierung und wird durch die Isolierung des Lagers entladen, wodurch sogenannte EDM-Lagerströme entstehen. Diese kapazitiven Entladungsströme können zu Reibverschleiß am Lager und an den Laufbahnen führen und Temperaturen erzeugen, die hoch genug sind, um den Lagerstahl zu schmelzen und Lochfraß zu verursachen.

Wellenströme

Wenn das Motorgehäuse schlecht geerdet ist und der Motor an eine mechanische Last mit ordnungsgemäßer Erdung (niedrige Impedanz) angeschlossen ist, fließt der Gleichtaktstrom durch die Welle und gelangt über die niedrigere Impedanz zur Erdung. Ströme, die durch den Schacht fließen, werden Schachtströme genannt. Durch die Lager fließende Wellenströme verändern die chemischen Eigenschaften des Schmieröls und wirken sich auf die Welle durch den mechanischen Verschleiß aus, der durch die Ansammlung von Metallabrieb entsteht.

Lagerstromminderung

Um zur Reduzierung des Lagerstroms beizutragen, müssen bewährte Installationsregeln angewendet werden.

Eine typische Maßnahme zur Vermeidung von Lagerströmen und den dadurch verursachten Schäden besteht darin, den Strompfad zu unterbrechen oder zu blockieren.

Zwischen dem VFD und dem Motor ist eine Gleichtaktdrossel installiert, um Spitzenströme aufgrund der oben beschriebenen Phänomene auf Werte zu reduzieren, die für den Motor ungefährlich sind.

Verbessern Sie die Erdung vom Motor zum Antrieb und vom Motor zur mechanischen Last durch die korrekte Verwendung von Erdungsbändern.

Verwenden Sie eine isolierte Kupplung zwischen der Motorwelle und ihrer mechanischen Last.

Fügen Sie einen Wellenerdungsring auf der Antriebsseite des Motors und ein isoliertes Lager auf der Nichtantriebsseite hinzu.

Diese Abhilfemaßnahmen beseitigen jedoch nicht die Gleichtaktspannung, sondern verringern lediglich deren Auswirkungen. Abhilfemaßnahmen müssen Teil des vorbeugenden Wartungsplans sein, um ihre Wirksamkeit im Laufe der Zeit sicherzustellen.

Sauberer VFD

Durch die Implementierung der neuesten Generation elektronischer Leistungskomponenten (Siliziumkarbid-Transistoren [SiC]), mit innovativen und patentierten Algorithmen und optimierten integrierten Filtern versorgen Clean-Power-VFDs Wechselstrommotoren mit einer sauberen und reinen Sinuswelle.

Wenn eine saubere Sinuswellenspannung an einen Motor angelegt wird, ist die Gleichtaktspannung praktisch Null. Zu keinem Zeitpunkt im Zyklus wird eine Wellenspannung erzeugt und es fließt kein Gleichtaktstrom. Daher liegt die Ursache des Lagerstroms bei Verwendung eines sauberen Frequenzumrichters nicht vor, und eine vorzeitige Alterung des Motors stellt kein Problem dar. Bei Motoren mit Sinuswellenantrieb treten jedoch immer potenzielle Lager- und Wellenströme auf, da die elektrische Konstruktion des Motors keine Symmetrie aufweist.

Lager- und Wellenströme können jederzeit durch leitfähige Materialien wie Motorwellen, Rahmen, Lagerringe und Lagerkugeln fließen. Sie werden oft als zirkulierende Strömungen bezeichnet. Einige Motorenhersteller konstruieren Motoren mit isoliertem Lager. Diese Konstruktionen dienen dazu, den geschlossenen Pfad der zirkulierenden Ströme durch die Lager zum geerdeten Motorgehäuse zu unterbrechen.

Um die häufigste Ursache für Motorausfälle zu verhindern, müssen die Lager ordnungsgemäß gewartet und Probleme aufgrund der Gleichtaktspannung vermieden werden. Eine Isolierung der Lager mit Keramik oder anderen nichtleitenden Materialien und der Einbau von Wellenerdungsringen kann hilfreich sein. Dabei handelt es sich jedoch lediglich um Notlösungen, die nicht die eigentliche Ursache des Problems beheben.

Verweise

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Dean Payn – für BDS-Lager – Was Lagerausfälle verursacht und welche vorbeugenden Maßnahmen Sie kennen müssen.bdsbearing.com/blog/bearing-failures

Ciprian Radu – für Bearing News – Die häufigsten Ursachen für Lagerausfälle und die Bedeutung der Lagerschmierung.bearing-news.com/the-most-common-causes-of- Bearing-failure-and-the-importance-of- Bearing -Schmierung/

Rockwell Automation – Installationsüberlegungen für IGBT-AC-Antriebe.literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/drives-wp019_-en-p.pdf

Rockwell Automation – White Paper auf Maintenance.org – Stromlösungen für wellen- und lagergetriebene Induktionsmotoren mit Inverterantrieb.

Damien Herwegh ist Angebotsmanager für SmartD Technologies und verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Automatisierungsbranche mit Schwerpunkt auf Marketing für das Benutzererfahrungsverständnis. Weitere Informationen finden Sie unter smartd.tech.