Токи подшипников в двигателях с частотным приводом — почему подшипник двигателя может выйти из строя преждевременно без механической причины

Руководство о заземлении частотного преобразователя и ЭМС рассматривает общие меры заземления и экранирования вокруг частотного преобразователя. Эта статья рассматривает конкретное, часто упускаемое из виду следствие той же техники коммутации: электрические токи подшипников, способные повредить подшипник самого приводимого двигателя независимо от какой-либо механической причины.

Явление: напряжение между валом и корпусом

Частотный преобразователь коммутирует выходное напряжение с высокой частотой переключения (обычно несколько кГц) по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Эти быстрые фронты переключения несут с собой синфазное напряжение (common-mode voltage), которое через паразитные ёмкости между статором, ротором и валом двигателя формирует — обычно небольшое, но высокочастотное — напряжение между валом и корпусом двигателя.

Почему это приводит к протеканию тока через подшипник

Смазка в подшипнике двигателя ведёт себя электрически как тонкая, изолирующая плёнка между телами качения (шариками или роликами) и дорожкой качения подшипника. Пока напряжение вала остаётся ниже электрической прочности этой плёнки смазки, ток не протекает. Однако как только накопленное напряжение вала локально превышает эту прочность, плёнка в этом месте пробивается, и через подшипник проходит кратковременный разрядный ток — подобно миниатюрному искровому разряду. Такие повторяющиеся разряды со временем вызывают мелкие точечные повреждения на поверхностях дорожек качения — вид износа, известный как fluting (рифление), видимый как ряд параллельных бороздок.

Почему это вызывает преждевременный износ подшипника без очевидной механической причины

Поскольку токи подшипников — это электрическое, а не механическое явление, возникающее повреждение происходит без перегрузки, недостаточной смазки или ошибки центровки — классических причин, которые обычно исследуют в первую очередь при отказах подшипников. Двигатель, у которого необъяснимо преждевременно выходит из строя подшипник относительно вскоре после ввода в эксплуатацию частотного преобразователя, при том что механическая нагрузка и смазка в порядке, — это признак того, что стоит рассмотреть токи подшипников как причину.

Меры противодействия по IEC TS 60034-25

IEC TS 60034-25 (руководство по проектированию и рабочим характеристикам двигателей переменного тока, специально предназначенных для питания от преобразователя) называет, среди прочего, следующие типичные меры противодействия:

• Электрически изолированные подшипники со стороны, противоположной приводу (NDE), двигателя — часто применяются начиная с определённого типоразмера (на практике обычно примерно с типоразмера 280 и выше), чтобы разорвать синфазную цепь через подшипник.
• Заземляющая щётка вала (shaft grounding ring/brush), которая непрерывно соединяет вал с корпусом двигателя по пути с низким импедансом, не зависящему от подшипника, чтобы накопленное напряжение вала отводилось прежде, чем оно сможет пробить плёнку смазки подшипника.

Примечание: точный порог типоразмера и выбор между изолированными подшипниками, заземляющей щёткой или их сочетанием зависит от мощности двигателя, частоты переключения преобразователя и длины кабеля между преобразователем и двигателем; для конкретного проекта следует обращаться к полному тексту IEC TS 60034-25 и к спецификациям производителя двигателя и преобразователя.

Практическая значимость

При сочетании существующего двигателя с вновь установленным частотным преобразователем — или при выборе нового привода с регулируемой скоростью — целесообразно заранее проверить, оснащён ли двигатель изолированным подшипником или заземляющей щёткой вала, особенно для более крупных двигателей и при относительно длинном моторном кабеле (см. также руководство о длине моторного кабеля и отражениях). При необъяснимом, преждевременном отказе подшипника у двигателя с регулируемой скоростью измерение тока подшипника (с помощью осциллографа и датчика напряжения вала) — целенаправленный диагностический шаг, прежде чем исследовать другие, менее вероятные причины.

Частые ошибки

1. Списывать преждевременный отказ подшипника у двигателя с регулируемой скоростью исключительно на смазку или ошибку центровки, не рассматривая токи подшипников как возможную причину.
2. Устанавливать заземляющую щётку без периодической проверки или чистки — щётка является изнашивающейся деталью, которая при износе или загрязнении постепенно теряет свою функцию низкого импеданса.
3. Заменять изолированный подшипник не с той стороны на стандартный подшипник при обслуживании, не осознавая, что именно эта изоляция разрывала синфазную цепь.
4. Полагать, что токи подшипников касаются только очень крупных двигателей — хотя риск растёт с мощностью и типоразмером, явление может возникать и у меньших двигателей с регулируемой скоростью, в зависимости от настроек преобразователя и длины кабеля.

Связанные материалы

• Заземление частотного преобразователя и ЭМС
• Длина моторного кабеля преобразователя, отражения и синусный фильтр
• Моторный кабель преобразователя — симметричная конструкция
• Измерение сопротивления изоляции у частотного преобразователя — отключение