Струми підшипників у двигунах із частотним приводом — чому підшипник двигуна може вийти з ладу передчасно без механічної причини

Посібник про заземлення частотного перетворювача та ЕМС розглядає загальні заходи заземлення та екранування навколо частотного перетворювача. Ця стаття розглядає конкретний, часто упускаваний наслідок тієї самої техніки комутації: електричні струми підшипників, здатні пошкодити підшипник самого приводжуваного двигуна незалежно від будь-якої механічної причини.

Явище: напруга між валом і корпусом

Частотний перетворювач комутує вихідну напругу з високою частотою перемикання (зазвичай кілька кГц) за принципом ШІМ (широтно-імпульсна модуляція). Ці швидкі фронти перемикання несуть із собою синфазну напругу (common-mode voltage), яка через паразитні ємності між статором, ротором і валом двигуна формує — зазвичай невелику, але високочастотну — напругу між валом і корпусом двигуна.

Чому це призводить до протікання струму через підшипник

Мастило в підшипнику двигуна поводиться електрично як тонка, ізолювальна плівка між тілами кочення (кульками чи роликами) та доріжкою кочення підшипника. Поки напруга вала залишається нижче електричної міцності цієї плівки мастила, струм не протікає. Однак щойно накопичена напруга вала локально перевищує цю міцність, плівка в цьому місці пробивається, і через підшипник проходить короткочасний розрядний струм — подібно до мініатюрного іскрового розряду. Такі повторювані розряди з часом спричиняють дрібні точкові пошкодження на поверхнях доріжок кочення — вид зношування, відомий як fluting (рифлення), видимий як низка паралельних борозенок.

Чому це спричиняє передчасне зношення підшипника без очевидної механічної причини

Оскільки струми підшипників — це електричне, а не механічне явище, що виникає пошкодження відбувається без перевантаження, недостатнього мастила чи помилки центрування — класичних причин, які зазвичай досліджують у першу чергу при відмовах підшипників. Двигун, у якого незрозуміло передчасно виходить з ладу підшипник відносно скоро після введення в експлуатацію частотного перетворювача, тоді як механічне навантаження та мастило в порядку, — це ознака того, що варто розглянути струми підшипників як причину.

Заходи протидії за IEC TS 60034-25

IEC TS 60034-25 (настанова щодо проєктування та робочих характеристик двигунів змінного струму, спеціально призначених для живлення від перетворювача) називає, серед іншого, такі типові заходи протидії:

• Електрично ізольовані підшипники з боку, протилежного приводу (NDE), двигуна — часто застосовуються починаючи з певного типорозміру (на практиці зазвичай приблизно з типорозміру 280 і вище), щоб розірвати синфазне коло через підшипник.
• Заземлювальна щітка вала (shaft grounding ring/brush), яка безперервно з'єднує вал із корпусом двигуна шляхом із низьким імпедансом, що не залежить від підшипника, щоб накопичена напруга вала відводилася перш, ніж вона зможе пробити плівку мастила підшипника.

Примітка: точний поріг типорозміру та вибір між ізольованими підшипниками, заземлювальною щіткою чи їх поєднанням залежить від потужності двигуна, частоти перемикання перетворювача та довжини кабелю між перетворювачем і двигуном; для конкретного проєкту слід звертатися до повного тексту IEC TS 60034-25 та специфікацій виробника двигуна й перетворювача.

Практична значущість

При поєднанні наявного двигуна з новоустановленим частотним перетворювачем — або при виборі нового приводу зі змінною швидкістю — доцільно заздалегідь перевірити, чи оснащений двигун ізольованим підшипником або заземлювальною щіткою вала, особливо для більших двигунів і за відносно довгого моторного кабелю (див. також посібник про довжину моторного кабелю та відбиття). За незрозумілої, передчасної відмови підшипника у двигуна зі змінною швидкістю вимірювання струму підшипника (за допомогою осцилографа та датчика напруги вала) є цілеспрямованим діагностичним кроком перед дослідженням інших, менш імовірних причин.

Часті помилки

1. Списувати передчасну відмову підшипника у двигуна зі змінною швидкістю виключно на мастило чи помилку центрування, не розглядаючи струми підшипників як можливу причину.
2. Встановлювати заземлювальну щітку без періодичної перевірки чи чищення — щітка є деталлю, що зношується, і при зношенні чи забрудненні поступово втрачає свою функцію низького імпедансу.
3. Заміняти ізольований підшипник не з того боку на стандартний підшипник під час обслуговування, не усвідомлюючи, що саме ця ізоляція розривала синфазне коло.
4. Вважати, що струми підшипників стосуються лише дуже великих двигунів — хоча ризик зростає з потужністю та типорозміром, явище може виникати й у менших двигунах зі змінною швидкістю, залежно від налаштувань перетворювача та довжини кабелю.

Пов'язані матеріали

• Заземлення частотного перетворювача та ЕМС
• Довжина моторного кабелю перетворювача, відбиття та синусний фільтр
• Моторний кабель перетворювача — симетрична конструкція
• Вимірювання опору ізоляції у частотного перетворювача — відключення