около Адам Уиллверт, менеджер по разработке электростатических технологий, Механик Фоллс, штат Мэн

В связи с ростом цен на электроэнергию для управления движением и скоростью устанавливается все больше частотно-регулируемых приводов (ЧРП). Они высокоэффективны, но токи, которые они создают на валах двигателей, могут вывести из строя подшипники, что значительно сокращает срок службы двигателя и снижает надежность системы. Для снижения этих токов и реализации всего потенциала ЧРП необходим экономичный метод заземления вала.

Определите потенциальные проблемы
В типичном ЧРП тиристор или диод преобразует переменный ток на входе в постоянный (dc). Фильтр сглаживает форму волны тока, а инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) преобразует ее в переменный ток переменного тока на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Типичная частота переключения на выходе составляет от 2 до 12 кГц. ЧРП могут напрямую управлять одним или несколькими двигателями при работе с постоянным крутящим моментом, чтобы гарантировать, что они не потребляют больше мощности, чем необходимо. С помощью обратной связи с энкодером ЧРП может также регулировать скорость вращения двигателя, модулируя напряжение и частоту двигателя в соответствии с запрограммированными параметрами.

Сигнал ЧРП содержит высокочастотные компоненты, которые емкостно соединены с валом двигателя и разряжаются через подшипники. Они не являются синусоидальными и содержат высокочастотные токи и напряжения, называемые гармониками. И даже если двигатель предназначен для инверторов, он подвержен выходу из строя подшипников из-за токов, вызванных ЧРП.

Без какого-либо смягчения эти токи на валу или вихревые токи передаются на землю через подшипники, вызывая образование ямок, оплавленных кратеров и “рифлений”. Это приводит к чрезмерному шуму в подшипниках, преждевременному выходу подшипника из строя и последующему отказу двигателя.

Индуцированные токи на валу проявляются в виде синфазных напряжений при измерении с помощью датчика осциллографа, касающегося вала.

Двигатели никогда не будут полностью совместимы с приводящими их в действие ЧРП, если не будут существенно снижены или устранены токи на валу. Очевидно, что значительная экономия средств, обеспечиваемая ЧРП во многих областях применения, будет утрачена, если двигатель выйдет из строя из-за неисправности подшипников. И есть немало свидетельств того, что повреждение подшипников, вызванное ЧРП, является серьезной и растущей проблемой. Рассмотрим это:

• Срок службы большинства подшипников двигателя составляет 100 000 часов, однако двигатели, управляемые с помощью ЧРП, могут выйти из строя в течение одного месяца (720 часов).
• Недавно подрядчик по системам вентиляции и кондиционирования сообщил, что все двигатели осевых вентиляторов мощностью от 30 до 60 л.с., которые он установил в крупном строительном проекте, с приводом от VFD вышли из строя в течение года (два — в течение 6 месяцев). Затраты на ремонт составили более 110 000 долларов.
• Несколько опрошенных крупных целлюлозно-бумажных компаний отметили, что двигатели переменного тока с частотно-регулируемым приводом, используемые на их заводах, обычно выходят из строя из-за повреждения подшипников в течение шести месяцев.
• Крупнейший производитель двигателей в Соединенных Штатах назвал устранение неисправностей двигателей, связанных с приводом, своей главной инженерной задачей.

Различные другие негативные последствия также могут проявляться, если приводной двигатель не рассчитан на работу с ЧРП или если двигатель или ЧРП не рассчитаны должным образом на применение или нагрузку. Например, когда требуется поддерживать постоянный крутящий момент, двигатель, как правило, теряет некоторую эффективность и нагревается на более низких оборотах, но еще больше нагревается при управлении с помощью ЧРП. Если такой двигатель должен работать на частоте вращения менее 30% от максимальной, ему может потребоваться дополнительное охлаждение или тепловая защита. Аналогичным образом, способность двигателя с частотно-регулируемым приводом генерировать крутящий момент при более низких оборотах снижается быстрее, чем у двигателя, использующего чистую синусоидальную мощность. Для нагрузок с постоянным крутящим моментом ЧРП должен быть рассчитан на 60 с при 150% нагрузки. Номинальный ток ЧРП также ограничивает скорость ускорения нагрузки.

При наблюдении под сканирующим электронным микроскопом новая стенка кольца подшипника выглядит как относительно гладкая поверхность. Однако в двигателях с частотно-регулируемым приводом в местах соприкосновения шарикоподшипников со стенкой со временем образуются дорожки. При отсутствии электрического разряда на стенке не остается ничего, кроме механического износа. Без надлежащего заземления электрические разряды, вызванные ЧРП, могут быстро повредить направляющую стенку.


Из-за частых разрядов в кольце подшипника образуются ямки, которые обычно называют «обледенением». Практически во время каждого цикла ЧРП индуцированные токи передаются от вала двигателя к раме через подшипники и приводят к образованию небольших оплавленных кратеров в шарикоподшипниках и стенке кольца подшипника. Повреждение в конечном итоге приводит к появлению шума в подшипниках, но к тому времени, когда такой шум становится заметен, выход подшипника из строя часто становится неизбежным.

Количество образующихся бороздок зависит от частоты вращения привода. Это приводит к образованию ямок, которые концентрируются вдоль стенки кольца подшипника и образуют выступы, напоминающие стиральную доску. Образование бороздок может вызвать чрезмерный шум и вибрацию. В системе ОВКВ шум может усиливаться и передаваться по всему зданию через воздуховоды.

Еще одно эмпирическое правило заключается в том, что длина кабеля, соединяющего ЧРП с двигателем, не должна превышать 50 футов, иначе на клеммах двигателя могут встретиться два разных типа волн и фактически удвоить напряжение на двигателе. Если требуется кабель большей длины, жесткий трубопровод и дополнительная линейная фильтрация могут защитить двигатель и другое чувствительное оборудование, находящееся поблизости, от гармоник и радиочастотных помех (RFI). Независимо от длины, кабель между ЧРП и двигателем или двигателями, которыми он управляет, может быть заключен в гофрированную алюминиевую оболочку или в другой тип заземленного низкоомного экранирования.

Повреждение подшипника
Каждый двигатель переменного тока с ЧРП создает паразитную емкость между статором и ротором. Прежде чем разбирать двигатель, проверьте, не повреждены ли подшипники от наведенных токов на валу, измерив вибрацию и напряжение. Для проведения испытаний и анализа результатов требуется специальное оборудование и опытный персонал. И то, и другое лучше всего использовать для установления предварительной базовой линии, чтобы впоследствии можно было отслеживать тенденции.

Когда вибрационные испытания подтверждают повреждение подшипника, выявляя особые энергетические всплески в диапазоне от 2 до 4 кГц, повреждение обычно достигает стадии “рифления”. Высокая несущая частота означает высокую скорость разряда, поэтому приобретите ЧРП, который позволяет точно настраивать несущую частоту с шагом не более 1 кГц. Как правило, частота должна быть как можно ниже и не превышать 6 кГц.

Аналогичным образом, основным преимуществом испытаний напряжением может быть облегчение, которое они дают, когда результаты не указывают на повреждение подшипника. Если измерение базового напряжения проводится сразу после установки ЧРП, последующие испытания могут обеспечить раннее предупреждение о повреждении токовых цепей, но существует множество переменных факторов. Прогнозирование повреждения подшипника не является точной наукой.

Видно, что напряжение, измеряемое с помощью датчика-осциллографа, многократно возрастает на роторе до определенного порогового значения, а затем разряжается короткими импульсами по пути наименьшего сопротивления, который часто проходит через подшипники двигателя к раме (земле). Серьезные повреждения подшипников, вероятно, более вероятны в системах, работающих с высокими несущими частотами, постоянной скоростью вращения или недостаточным заземлением.

Без каких-либо мер по снижению напряжения на валу, вызванных ЧРП (показано на верхнем экране осциллографа), могут возникнуть значительные повреждения подшипников двигателя. На экране внизу показано, насколько эффективно AEGIS SGR™ снижает эти токи и наносимый ими ущерб, безопасно направляя их на землю. Его запатентованная технология переноса электронов™ использует принципы ионизации для повышения скорости переноса электронов и обеспечения чрезвычайно эффективного разряда высокочастотных токов вала.

Уменьшение повреждений подшипников
Повреждение подшипников электродвигателя переменного тока электрическим током часто начинается при запуске, со временем становится все более серьезным, и в конечном итоге подшипники выходят из строя. Чтобы предотвратить это, необходимо отвести индуцированный ток от подшипников с помощью изоляции, экранирования или заземления. Эти методы различаются по стоимости и эффективности.

Изоляция подшипников двигателя — это частичное решение, которое чаще всего переводит проблему в другое русло. Ток с вала, заблокированный изоляцией, ищет другой путь к заземлению. Подключенное оборудование, такое как насос, часто обеспечивает этот путь и часто приводит к повреждению подшипников само по себе. Кроме того, изоляция является относительно дорогостоящей и подвержена загрязнению. Что еще хуже, некоторые виды изоляции могут быть совершенно неэффективными: при определенных обстоятельствах изолирующий слой оказывает емкостное воздействие на высокочастотные токи, индуцируемые ЧРП, и пропускает их на подшипники, которые он должен был защищать.

В дополнение к изоляции, рассмотрите следующие возможные решения:
• Экран Фарадея может быть изготовлен из заземленного проводящего материала, такого как медная фольга или краска, между статором и ротором. Это может блокировать большую часть вредных токов, которые проходят через воздушный зазор двигателя, но часто это дорого и сложно реализовать, а подключенное оборудование все равно может быть уязвимо для отклоняющихся токов.

Это
AEGIS SGR с переходной пластиной NEMA. Электростатическая технология
гарантирует, что любой новый двигатель (мощностью до 100 л.с./75 кВт), на котором установлен SGR
правильно установленный прибор не выйдет из строя из-за повреждения электрических канавок.
подшипники.

• Непроводящие керамические шарикоподшипники отводят токи от подшипников главного двигателя, но также создают опасность повреждения подключенного оборудования. Керамические подшипники могут быть дорогостоящими и, как правило, требуют изменения размеров, чтобы выдерживать механические статические и динамические нагрузки.
• Токопроводящая смазка в подшипниках может отводить токи из-за низкого сопротивления. Однако на практике токопроводящие частицы в смазке увеличивают механический износ.
• Металлические заземляющие щетки соприкасаются с валом двигателя, обеспечивая альтернативные пути заземления, но они изнашиваются, подвержены коррозии и требуют регулярного технического обслуживания.
• Альтернативные пути разряда на землю предпочтительнее изоляции, поскольку они нейтрализуют ток на валу. Эти методы отличаются высокой стоимостью и иногда могут применяться только выборочно, в зависимости от размера двигателя или области применения. Идеальное решение обеспечило бы эффективный, недорогой путь от вала к раме с очень низким сопротивлением и могло бы широко применяться во всех двигателях с ЧРП/переменным током. Это обеспечивает максимальную степень защиты подшипников и максимальную окупаемость инвестиций.

При установке одиночного SGR на небольшой двигатель предпочтительным местом является приводной конец двигателя. AEGIS SGR выпускается в двух вариантах исполнения — со сплошным кольцом для большинства двигателей с рамами NEMA и IEC и с разъемным кольцом, которое позволяет устанавливать его в полевых условиях вокруг валов большего размера без необходимости демонтажа навесного оборудования. Монтажный адаптер, входящий в комплект поставки каждой модели SGR NEMA или IEC, облегчает установку устройства на двигатели с буртиками вала, строповками, крышками подшипников или торцевыми выступами. В критических ситуациях, когда требуются двигатели с двумя керамическими подшипниками, следует использовать по крайней мере один SGR, чтобы гарантировать, что напряжение на валу не будет передаваться по линии на подключенное оборудование, такое как редукторы, насосы, энкодеры, опорные подшипники или размыкающие двигатели.

Для большинства более крупных двигателей наилучшую защиту подшипников можно обеспечить, установив SGR на приводном конце вала и изоляцию на не приводном конце.

Все вышеперечисленные подходы в какой-то степени работают, но наиболее эффективным решением является защитное кольцо подшипника AEGIS SGR от электростатической технологии, разработанное из специальных проводящих микроволокон. Кольцо перенаправляет токи на валу и обеспечивает надежный канал с очень низким сопротивлением от вала к раме, который полностью обходит подшипники двигателя.

AEGIS SGR может быть адаптирован к любому двигателю NEMA или IEC, независимо от размера вала, мощности двигателя или области применения. Они используются в электрогенераторах, газовых турбинах, тяговых двигателях переменного тока и выключателях, двигателях для чистых помещений, системах кондиционирования воздуха и других промышленных и коммерческих установках.

Для двигателей, оснащенных ЧРП мощностью менее 100 л.с. (75 кВт) и диаметром вала менее 2 дюймов (50 мм), обычно достаточно одного SGR на приводном конце вала двигателя для отвода тока с вала. Большие двигатели переменного тока (100 л.с./75 кВт и более) и даже большие двигатели постоянного тока, особенно с диаметром вала более 2 дюймов, чаще подвержены высокочастотным циркулирующим токам и разрядам, которые могут повредить подшипники. Двигатели с роликоподшипниками также более уязвимы к воздействию циркулирующих токов, поскольку они имеют большую площадь поверхности и слой смазки на них обычно тоньше. Преимущество таких двигателей в том, что они оснащены системой SGR на приводной стороне и изоляцией на стороне, не являющейся приводной, для прерывания прохождения циркулирующего тока. Это также может сработать в тех случаях, когда установка SGR на стороне, не относящейся к приводу, была бы непрактичной из-за наличия датчиков, вентиляторов или других функций.

Для некоторых более крупных двигателей рекомендуется использовать два SGR.

SGR также является распространенным решением для двигателей мощностью более 500 л.с. (375 кВт), и большинство производителей уже используют этот подход. Однако, если изоляция на приводном конце не встроена в двигатель или ее нелегко установить, рекомендуется использовать два SGR — один на приводном конце (DE) и один на неприводном конце (NDE).

Крупный план SGR, установленного с монтажной пластиной и стойками-ограничителями (распорками).

После установки SGR не требует технического обслуживания. В отличие от обычных щеток для заземления вала, ее токопроводящие микроволокна работают практически без трения и износа. Они не подвержены воздействию грязи, жира или других загрязнений и служат в течение всего срока службы двигателя, независимо от частоты вращения. Результаты испытаний показали, что износ поверхности составляет менее 0,001 дюйма за 10 000 часов непрерывной работы, а через 25 миллионов часов волокна не рвутся.
изменение направления движения.

Электростатическая технология
www.est-static.com

::Мир дизайна::