Электродвигатели играют жизненно важную роль в нашей повседневной жизни, где мы живем, работаем и отдыхаем.Проще говоря, они заставляют двигаться практически все, что движется.Почти 70 процентов электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется системами электродвигателей.1

Примерно 75% промышленных двигателей, находящихся в эксплуатации, используются для приведения в действие насосов, вентиляторов и компрессоров, т.е. категории оборудования, для которого очень важно существенное повышение эффективности2.Эти приложения часто работают с постоянной скоростью все время, даже когда они не нужны.Эта постоянная работа тратит энергию и приводит к ненужным выбросам CO2, но, контролируя скорость двигателя, мы можем снизить энергопотребление, экономя энергию и уменьшая воздействие на окружающую среду.

Одним из способов управления скоростью двигателя является использование привода с регулируемой скоростью (VSD), устройства, которое регулирует скорость вращения электродвигателя путем изменения частоты и напряжения, подаваемого на двигатель.Управляя скоростью двигателя, привод может снизить энергопотребление (например, снижение скорости вращающегося оборудования на 20 процентов может снизить требования к входной мощности примерно на 50 процентов3) и обеспечить значительное улучшение управления технологическим процессом и значительную экономию эксплуатационных расходов в течение всего срока службы. Поскольку преобразователи частоты используются для экономии энергии во многих приложениях, они могут вызвать преждевременный отказ двигателя, если они не заземлены должным образом.Хотя существует множество различных причин отказов электродвигателей, наиболее распространенной проблемой при использовании привода является отказ подшипников, вызванный синфазным напряжением.

Повреждения, вызванные синфазным напряжением

В трехфазной системе переменного тока синфазное напряжение может быть определено как дисбаланс между тремя фазами, создаваемый широтно-импульсной модуляцией мощности привода, или разность напряжений между землей источника питания и нейтральной точкой трехфазной сети. фазная нагрузка.Это флуктуирующее синфазное напряжение электростатически индуцирует напряжение на валу двигателя, и это напряжение на валу может разряжаться через обмотки или подшипники.Современные инженерные решения, фазовая изоляция и устойчивый к шипам провод инвертора помогают защитить обмотки;однако, когда на роторе наблюдаются скачки напряжения, ток ищет путь наименьшего сопротивления к земле.В случае электродвигателя этот путь проходит непосредственно через подшипники.

Поскольку в подшипниках двигателя для смазки используется смазка, масло в смазке образует пленку, которая действует как диэлектрик, что означает, что оно может передавать электрические силы без проводимости.Однако со временем этот диэлектрик разрушается.Без изоляционных свойств смазки напряжение на валу будет проходить через подшипники, а затем через корпус двигателя для обеспечения электрического заземления.Это движение электрического тока вызывает искрение в подшипниках, обычно называемое электроэрозионной обработкой (EDM).Поскольку это постоянное искрение происходит с течением времени, участки поверхности в кольце подшипника становятся хрупкими, и внутри подшипника могут отколоться крошечные кусочки металла.В конце концов, поврежденный материал проникает между шариками и дорожками качения подшипника, вызывая эффект шлифования, который может привести к точечной коррозии микронного размера, называемой инеем, или выступам, похожим на стиральную доску, на дорожке качения подшипника, называемой рифлением.

Некоторые двигатели могут продолжать работать без каких-либо заметных проблем по мере того, как повреждения становятся все более серьезными.Первым признаком повреждения подшипника обычно является слышимый шум из-за того, что шарики подшипника перемещаются по ямчатым и покрытым инеем участкам.Но к тому времени, когда возникает этот шум, ущерб обычно становится достаточно значительным, чтобы отказ был неизбежен.

Основано на предотвращении

Промышленные приложения обычно не испытывают этих проблем с подшипниками на двигателях с регулируемой скоростью, но в некоторых установках, таких как коммерческие здания и обработка багажа в аэропортах, надежное заземление не всегда доступно.В этих случаях необходимо использовать другой метод, чтобы отвести этот ток от подшипников.Наиболее распространенным решением является добавление устройства заземления вала на один конец вала двигателя, особенно в приложениях, где синфазное напряжение может быть более распространенным.Заземление вала, по сути, является средством соединения вращающегося ротора двигателя с заземлением через раму двигателя.Добавление устройства заземления вала к двигателю перед установкой (или покупка двигателя с предустановленным устройством) может быть небольшой ценой по сравнению с ценой затрат на техническое обслуживание, связанное с заменой подшипников, не говоря уже о высоких затратах на время простоя на объекте.

В настоящее время в отрасли используется несколько распространенных типов устройств заземления вала, таких как угольные щетки, кольцевые волоконные щетки и заземляющие изоляторы подшипников, а также доступны другие методы защиты подшипников.

Угольные щетки используются уже более 100 лет и аналогичны угольным щеткам, используемым в коллекторах двигателей постоянного тока.Заземляющие щетки обеспечивают электрическое соединение между вращающейся и неподвижной частями электрической цепи двигателя и отводят ток от ротора к земле, чтобы заряд не накапливался на роторе до точки, где он разряжается через подшипники.Заземляющие щетки предлагают практичное и экономичное средство для обеспечения пути к земле с низким импедансом, особенно для более крупных рамных двигателей;однако они не лишены недостатков.Как и в двигателях постоянного тока, щетки подвержены износу из-за механического контакта с валом, и, независимо от конструкции щеткодержателя, узел необходимо периодически проверять, чтобы обеспечить надлежащий контакт между щетками и валом.

Кольца заземления вала работают как угольная щетка, но они содержат несколько нитей электропроводящих волокон, расположенных внутри кольца вокруг вала.Наружная часть кольца, которое обычно крепится к торцевой пластине двигателя, остается неподвижной, в то время как щетки перемещаются по поверхности вала двигателя, направляя ток через щетки и безопасно заземляя.Кольца заземления вала могут быть установлены внутри двигателя, что позволяет использовать их в промывочных и грязных двигателях.Однако нет идеальных методов заземления вала, и заземляющие кольца, установленные снаружи, имеют тенденцию собирать загрязнения на своих щетинках, что может снизить их эффективность.

Изоляторы заземляющих подшипников сочетают в себе две технологии: бесконтактный изолирующий экран, состоящий из двух частей, в котором используется лабиринтная конструкция для предотвращения проникновения загрязняющих веществ, а также металлический ротор и изолированное токопроводящее кольцо накаливания для отвода токов вала от подшипников.Поскольку эти устройства также предотвращают потерю смазки и загрязнение, они заменяют стандартные уплотнения подшипников и традиционные изоляторы подшипников.

Другой способ предотвратить протекание тока через подшипники состоит в том, чтобы изготовить подшипники из непроводящего материала.В керамических подшипниках шарики с керамическим покрытием защищают подшипники, предотвращая протекание тока вала через подшипники к двигателю.Поскольку через подшипники двигателя не протекает электрический ток, вероятность износа, вызванного током, мала;однако ток будет искать путь к земле, что означает, что он пройдет через подключенное оборудование.Поскольку керамические подшипники не снимают ток с ротора, для двигателей с керамическими подшипниками рекомендуются только специальные приложения с прямым приводом.Другими недостатками являются стоимость подшипников такого типа и тот факт, что подшипники обычно доступны только до размера 6311.

На двигателях мощностью более 100 л.с. обычно рекомендуется устанавливать изолированный подшипник на противоположном конце двигателя, на котором установлено устройство заземления вала, независимо от того, какой тип заземления вала используется.

Три совета по установке преобразователя частоты

Три соображения для инженера по техническому обслуживанию при попытке уменьшить синфазное напряжение в приложениях с переменной скоростью:

1. Убедитесь, что двигатель (и система двигателя) правильно заземлены.
2. Определите правильный баланс несущей частоты, который сведет к минимуму уровень шума, а также дисбаланс напряжения.
3. Если устройство заземления шахты считается необходимым, выберите то, которое лучше всего подходит для данной области применения.

При наличии подшипникового тока универсального решения не существует.Крайне важно, чтобы заказчик и поставщик двигателей и приводов работали вместе, чтобы определить наиболее подходящее решение для конкретного применения.