Silniki elektryczne odgrywają kluczową rolę w naszym codziennym życiu – tam, gdzie mieszkamy, pracujemy i bawimy się.Mówiąc najprościej, sprawiają, że prawie wszystko, co się rusza, porusza się.Prawie 70 procent energii elektrycznej zużywanej przez przemysł zużywają systemy silników elektrycznych.1

Około 75 procent pracujących silników przemysłowych jest wykorzystywanych do napędzania pomp, wentylatorów i sprężarek, czyli kategorii maszyn, która jest bardzo podatna na znaczną poprawę wydajności2.Aplikacje te często działają ze stałą prędkością przez cały czas, nawet gdy nie są potrzebne.Ta ciągła praca powoduje marnowanie energii i niepotrzebną emisję CO2, ale kontrolując prędkość silnika, możemy zmniejszyć zużycie energii, oszczędzać energię i zmniejszać wpływ na środowisko.

Jednym ze sposobów kontrolowania prędkości silnika jest zastosowanie napędu o zmiennej prędkości (VSD), urządzenia, które reguluje prędkość obrotową silnika elektrycznego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia dostarczanego do silnika.Kontrolując prędkość silnika, napęd może zmniejszyć zużycie energii (na przykład zmniejszenie prędkości obrotowej sprzętu o 20% może zmniejszyć zapotrzebowanie na moc wejściową o około 50%3) i zapewnić znaczną poprawę kontroli procesu oraz znaczne oszczędności kosztów eksploatacji w całym okresie eksploatacji MoA użytecznych jako VSD są do oszczędzania energii w wielu zastosowaniach, mogą powodować przedwczesną awarię silnika, jeśli nie są odpowiednio uziemione.Chociaż istnieje wiele różnych przyczyn awarii silników elektrycznych, najczęstszym problemem podczas korzystania z napędu jest awaria łożyska spowodowana napięciem trybu wspólnego.

Uszkodzenia spowodowane przez napięcie w trybie wspólnym

W trójfazowym systemie prądu przemiennego napięcie wspólne można zdefiniować jako nierównowagę występującą między trzema fazami wytworzoną przez moc przemiennika o modulowanej szerokości impulsu lub różnicę napięć między uziemieniem źródła zasilania a punktem neutralnym trójfazowego obciążenie fazowe.To zmienne napięcie wspólne indukuje elektrostatycznie napięcie na wale silnika, a to napięcie na wale może rozładowywać się przez uzwojenia lub łożyska.Nowoczesne projekty inżynieryjne, izolacja faz i drut odporny na skoki falownika mogą pomóc w ochronie uzwojeń;jednak, gdy wirnik widzi narastanie skoków napięcia, prąd szuka ścieżki o najmniejszej rezystancji do ziemi.W przypadku silnika elektrycznego ścieżka ta przebiega bezpośrednio przez łożyska.

Ponieważ łożyska silnika wykorzystują smar do smarowania, olej w smarze tworzy film, który działa jak dielektryk, co oznacza, że ​​może przenosić siły elektryczne bez przewodzenia.Jednak z czasem ten dielektryk się psuje.Bez właściwości izolacyjnych smaru, napięcie na wale będzie rozładowywane przez łożyska, a następnie przez obudowę silnika, aby uzyskać uziemienie elektryczne.Ten ruch prądu elektrycznego powoduje wyładowanie łukowe w łożyskach, powszechnie określane jako obróbka elektroerozyjne (EDM).Ponieważ ten ciągły łuk występuje z czasem, powierzchnie bieżni łożyska stają się kruche, a wewnątrz łożyska mogą odłamać się drobne kawałki metalu.W końcu uszkodzony materiał przedostaje się pomiędzy kulkami łożyska i bieżniami, powodując efekt szlifowania, który może powodować powstawanie wżerów o wielkości mikrona, zwane oszronieniem, lub wypukłości w bieżni łożyska, zwane rowkami.

Niektóre silniki mogą nadal działać, gdy uszkodzenia stają się coraz większe, bez żadnych zauważalnych problemów.Pierwszą oznaką uszkodzenia łożyska jest zwykle słyszalny hałas, spowodowany przemieszczaniem się kulek łożyska przez obszary z wżerami i oszronieniem.Ale zanim ten hałas się pojawi, uszkodzenia są zwykle na tyle duże, że nieuchronnie grozi awaria.

Ugruntowany w zapobieganiu

W zastosowaniach przemysłowych te trudności z łożyskami zwykle nie występują w przypadku silników o zmiennej prędkości, ale w niektórych instalacjach, takich jak budynki komercyjne i obsługa bagażu na lotniskach, solidne uziemienie nie zawsze jest dostępne.W takich przypadkach należy zastosować inną metodę, aby skierować ten prąd z dala od łożysk.Najczęstszym rozwiązaniem jest dodanie urządzenia uziemiającego wał na jednym końcu wału silnika, zwłaszcza w zastosowaniach, w których napięcie trybu wspólnego może być bardziej powszechne.Uziemienie wału jest zasadniczo środkiem do połączenia obracającego się wirnika silnika z uziemieniem poprzez ramę silnika.Dodanie urządzenia uziemiającego wał do silnika przed instalacją (lub zakup silnika z jednym fabrycznie zainstalowanym) może być niewielką ceną w porównaniu z ceną kosztów konserwacji związanych z wymianą łożyska, nie wspominając o wysokich kosztach przestój w obiekcie.

Obecnie w przemyśle istnieje kilka powszechnych typów urządzeń do uziemiania wałów, takich jak szczotki węglowe, szczotki z włókna pierścieniowego i izolatory łożysk uziemiających, a także dostępne są inne metody ochrony łożysk.

Szczotki węglowe są używane od ponad 100 lat i są podobne do szczotek węglowych stosowanych w komutatorach silników prądu stałego.Szczotki uziemiające zapewniają połączenie elektryczne między wirującymi i stacjonarnymi częściami obwodu elektrycznego silnika i przenoszą prąd z wirnika do uziemienia, dzięki czemu ładunek nie gromadzi się na wirniku do punktu, w którym rozładowuje się przez łożyska.Szczotki uziemiające oferują praktyczny i ekonomiczny sposób na zapewnienie ścieżki o niskiej impedancji do uziemienia, szczególnie w przypadku silników o większych obudowach;jednak nie są one pozbawione wad.Podobnie jak w przypadku silników prądu stałego, szczotki ulegają zużyciu z powodu mechanicznego kontaktu z wałem i niezależnie od konstrukcji uchwytu szczotki, zespół musi być okresowo sprawdzany, aby zapewnić prawidłowy kontakt między szczotkami a wałem.

Pierścienie uziemiające wał działają jak szczotka węglowa, ale zawierają wiele pasm włókien przewodzących prąd elektryczny ułożonych wewnątrz pierścienia wokół wału.Zewnętrzna część pierścienia, która jest zwykle montowana do płyty końcowej silnika, pozostaje nieruchoma, podczas gdy szczotki poruszają się po powierzchni wału silnika, kierując prąd przez szczotki i bezpiecznie do ziemi.Pierścienie uziemiające wał można zamontować wewnątrz silnika, co pozwala na ich stosowanie w silnikach pracujących w warunkach zmywania i brudnych.Żadna metoda uziemienia wału nie jest jednak idealna, a pierścienie uziemiające zamontowane zewnętrznie mają tendencję do gromadzenia zanieczyszczeń na włosie, co może zmniejszać ich skuteczność.

Uziemiające izolatory łożysk łączą dwie technologie: dwuczęściową, bezdotykową osłonę izolacyjną, która wykorzystuje konstrukcję labiryntową, aby zapobiec wnikaniu zanieczyszczeń oraz metalowy wirnik i izolowany przewodzący pierścień żarnikowy, aby kierować prądy wału z dala od łożysk.Ponieważ urządzenia te zapobiegają również utracie smaru i zanieczyszczeniu, zastępują one standardowe uszczelnienia łożysk i tradycyjne izolatory łożysk.

Innym sposobem zapobiegania przepływowi prądu przez łożyska jest wytwarzanie łożysk z materiału nieprzewodzącego.W łożyskach ceramicznych kulki z powłoką ceramiczną chronią łożyska, zapobiegając przepływowi prądu z wału przez łożyska do silnika.Ponieważ przez łożyska silnika nie przepływa żaden prąd elektryczny, prawdopodobieństwo zużycia wywołanego prądem jest niewielkie;jednak prąd będzie szukał ścieżki do ziemi, co oznacza, że ​​przejdzie przez podłączony sprzęt.Ponieważ łożyska ceramiczne nie usuwają prądu z wirnika, dla silników z łożyskami ceramicznymi zalecane są tylko określone zastosowania z napędem bezpośrednim.Inne wady to koszt tego typu łożysk silnika oraz fakt, że łożyska są zwykle dostępne tylko do rozmiaru 6311.

W silnikach o mocy większej niż 100 koni mechanicznych generalnie zaleca się zainstalowanie izolowanego łożyska na przeciwległym końcu silnika, na którym zainstalowano urządzenie uziemiające wał, niezależnie od rodzaju zastosowanego uziemienia wału.

Trzy wskazówki dotyczące instalacji napędu o zmiennej prędkości

Trzy kwestie, które inżynier utrzymania ruchu powinien wziąć pod uwagę, próbując zredukować napięcie w trybie wspólnym w aplikacjach o zmiennej prędkości, to:

1. Upewnij się, że silnik (i układ silnika) są prawidłowo uziemione.
2. Określ właściwy balans częstotliwości nośnej, który zminimalizuje poziom szumów oraz asymetrię napięcia.
3. Jeśli uważa się, że konieczne jest uziemienie wału, należy wybrać takie, które najlepiej sprawdza się w danym zastosowaniu.

Gdy obecny jest prąd łożyskowy, nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania.Współpraca klienta i dostawcy silników i napędów w celu określenia najbardziej odpowiedniego rozwiązania dla konkretnego zastosowania ma kluczowe znaczenie.