Prądy łożyskowe w silnikach zasilanych z przemiennika częstotliwości — dlaczego łożysko silnika może ulec przedwczesnej awarii bez przyczyny mechanicznej

Poradnik o uziemieniu przemiennika częstotliwości i EMC opisuje ogólne środki uziemienia i ekranowania wokół przemiennika częstotliwości. Ten artykuł opisuje konkretny, często pomijany skutek tej samej techniki przełączania: elektryczne prądy łożyskowe, które mogą uszkodzić łożysko samego napędzanego silnika, niezależnie od jakiejkolwiek przyczyny mechanicznej.

Zjawisko: napięcie między wałem a obudową

Przemiennik częstotliwości przełącza napięcie wyjściowe z wysoką częstotliwością przełączania (typowo kilka kHz) zgodnie z zasadą PWM (modulacja szerokości impulsu). Te szybkie zbocza przełączające niosą ze sobą napięcie trybu wspólnego (common-mode voltage), które poprzez pasożytnicze pojemności między stojanem, wirnikiem a wałem silnika buduje — zwykle niewielkie, ale wysokoczęstotliwościowe — napięcie między wałem a obudową silnika.

Dlaczego prowadzi to do przepływu prądu przez łożysko

Smar w łożysku silnika zachowuje się elektrycznie jak cienki, izolujący film między elementami tocznymi (kulkami lub wałeczkami) a bieżnią łożyska. Dopóki napięcie wału pozostaje poniżej wytrzymałości dielektrycznej tego filmu smarnego, prąd nie płynie. Gdy jednak narastające napięcie wału lokalnie przekroczy tę wytrzymałość, film w tym miejscu ulega przebiciu i przez łożysko przepływa krótkotrwały prąd wyładowczy — podobnie jak miniaturowe wyładowanie iskrowe. Te powtarzane wyładowania z czasem powodują drobne wżery na powierzchniach bieżni — wzór zużycia znany jako fluting (żłobkowanie), widoczny jako szereg równoległych rowków.

Dlaczego powoduje to przedwczesne zużycie łożyska bez oczywistej przyczyny mechanicznej

Ponieważ prądy łożyskowe są zjawiskiem elektrycznym, a nie mechanicznym, wynikające z nich uszkodzenia występują bez przeciążenia, niewystarczającego smarowania czy błędu wyosiowania — klasycznych przyczyn, które zazwyczaj bada się w pierwszej kolejności przy awariach łożysk. Silnik, który wykazuje niewyjaśnioną, przedwczesną awarię łożyska stosunkowo krótko po uruchomieniu przemiennika częstotliwości, podczas gdy obciążenie mechaniczne i smarowanie są w porządku, jest wskazówką, by rozważyć prądy łożyskowe jako przyczynę.

Środki zaradcze według IEC TS 60034-25

IEC TS 60034-25 (wytyczne dotyczące projektowania i osiągów silników prądu przemiennego przeznaczonych specjalnie do zasilania z przemiennika) wymienia m.in. następujące typowe środki zaradcze:

• Elektrycznie izolowane łożyska po stronie nienapędowej (NDE) silnika — często stosowane od pewnej wielkości mechanicznej wzwyż (w praktyce zazwyczaj od wielkości mechanicznej ok. 280 wzwyż), tak aby przerwać obwód trybu wspólnego przez łożysko.
• Szczotka uziemiająca wał (shaft grounding ring/brush), która w sposób ciągły łączy wał z obudową silnika drogą o niskiej impedancji, niezależną od łożyska, tak aby narastające napięcie wału było odprowadzane, zanim zdoła przebić film smarny łożyska.

Uwaga: dokładna wielkość mechaniczna, od której stosuje się dany środek, oraz wybór między łożyskami izolowanymi, szczotką uziemiającą lub kombinacją obu zależy od mocy silnika, częstotliwości przełączania przemiennika oraz długości kabla między przemiennikiem a silnikiem; przy konkretnym projekcie należy sięgnąć do pełnego tekstu IEC TS 60034-25 oraz danych producenta silnika i przemiennika.

Praktyczne znaczenie

Przy łączeniu istniejącego silnika z nowo zainstalowanym przemiennikiem częstotliwości — lub przy doborze nowego napędu o zmiennej prędkości — warto z góry sprawdzić, czy silnik jest wyposażony w łożysko izolowane lub szczotkę uziemiającą wał, zwłaszcza w przypadku większych silników oraz przy stosunkowo długim kablu silnikowym (zob. też poradnik o długości kabla silnikowego i odbiciach). Przy niewyjaśnionej, przedwczesnej awarii łożyska w silniku zasilanym z przemiennika częstotliwości pomiar prądu łożyskowego (za pomocą oscyloskopu i sondy napięcia wału) jest ukierunkowanym krokiem diagnostycznym, zanim zbada się inne, mniej prawdopodobne przyczyny.

Częste błędy

1. Przypisywanie przedwczesnej awarii łożyska w silniku zasilanym z przemiennika wyłącznie smarowaniu lub błędowi wyosiowania, bez rozważenia prądów łożyskowych jako możliwej przyczyny.
2. Montowanie szczotki uziemiającej bez okresowego sprawdzania lub czyszczenia — szczotka jest elementem zużywającym się, który po zużyciu lub zanieczyszczeniu stopniowo traci swoją funkcję niskiej impedancji.
3. Wymiana izolowanego łożyska po niewłaściwej stronie na łożysko standardowe podczas konserwacji, bez świadomości, że to właśnie ta izolacja przerywała obwód trybu wspólnego.
4. Zakładanie, że prądy łożyskowe dotyczą wyłącznie bardzo dużych silników — choć ryzyko rośnie wraz z mocą i wielkością mechaniczną, zjawisko może wystąpić również w mniejszych silnikach o zmiennej prędkości, zależnie od ustawień przemiennika i długości kabla.

Powiązane

• Uziemienie przemiennika częstotliwości i EMC
• Długość kabla silnikowego przemiennika, odbicia i filtr sinusoidalny
• Kabel silnikowy przemiennika — budowa symetryczna
• Pomiar rezystancji izolacji przy przemienniku częstotliwości — odłączanie