Elmotorer spelar en viktig roll i vår vardag – där vi bor, arbetar och leker.Enkelt uttryckt, de gör nästan allt som rör sig, rör sig.Nästan 70 procent av den el som konsumeras av industrin används av elmotorsystem.1

Ungefär 75 procent av industrimotorerna i drift används för att driva pumpar, fläktar och kompressorer, en kategori av maskiner som är mycket känslig för stora effektivitetsförbättringar2.Dessa applikationer arbetar ofta med konstant hastighet, hela tiden, även när de inte behövs.Denna konstanta drift slösar energi och producerar onödiga CO2-utsläpp, men genom att kontrollera en motors hastighet kan vi minska strömförbrukningen, spara energi och minska miljöpåverkan.

Ett sätt att styra en motors hastighet är genom att använda en variabel hastighetsdrivning (VSD), en enhet som reglerar en elektrisk motors rotationshastighet genom att variera frekvensen och spänningen som tillförs motorn.Genom att kontrollera en motors varvtal kan en frekvensomriktare minska strömförbrukningen (till exempel kan en minskning av roterande utrustningshastighet med 20 procent minska ineffektbehovet med cirka 50 procent3) och ge en avsevärd förbättring av processtyrning och betydande besparingar i driftskostnader under hela livslängden av moAs användbara som VSD:er är för att spara energi i många applikationer, kan de orsaka för tidigt motorfel om de inte är ordentligt jordade.Även om det finns många olika orsaker till fel på elmotorn, är det vanligaste problemet vid användning av en frekvensomriktare ett lagerfel som orsakas av spänning i common mode.

Skador orsakade av common mode spänning

I ett trefas växelströmssystem kan common mode-spänning definieras som obalansen mellan de tre faserna som skapas av frekvensomriktarens pulsbreddsmodulerade effekt, eller spänningsskillnaden mellan strömkällans jord och nollpunkten för frekvensomriktaren. fasbelastning.Denna fluktuerande common mode-spänning inducerar elektrostatiskt spänning på motorns axel, och denna axelspänning kan laddas ur genom lindningarna eller genom lagren.Moderna tekniska konstruktioner, fasisolering och spikbeständig tråd kan hjälpa till att skydda lindningarna;men när rotorn ser en uppbyggnad av spänningsspikar, söker strömmen vägen för minsta motstånd mot jord.I fallet med en elmotor går denna väg direkt genom lagren.

Eftersom motorlager använder fett för smörjning, bildar oljan i fettet en film som fungerar som ett dielektrikum, vilket innebär att det kan överföra de elektriska krafterna utan ledning.Med tiden går dock denna dielektrikum sönder.Utan fettets isoleringsegenskaper kommer axelspänningen att laddas ur genom lagren, sedan genom motorns hus, för att uppnå elektrisk jordning.Denna rörelse av elektrisk ström orsakar ljusbågar i lagren, vanligen kallad elektrisk urladdningsbearbetning (EDM).Eftersom denna ständiga ljusbåge uppstår över tiden, blir ytområdena i lagerbanan spröda och små metallbitar kan bryta av inuti lagret.Så småningom arbetar det skadade materialet sin väg mellan lagrets kulor och lagerbanor, vilket orsakar en slipeffekt, som kan ge mikronstor gropbildning, kallad frosting, eller tvättbrädeliknande åsar i lagerbanan, kallad fluting.

Vissa motorer kan fortsätta att gå när skadan blir allt värre, utan några märkbara problem.Det första tecknet på lagerskador är vanligtvis ett hörbart ljud, på grund av att lagerkulorna rör sig över de gropiga och frostade områdena.Men när det här ljudet uppstår har skadorna vanligtvis blivit så stora att ett misslyckande är nära förestående.

Grundad i förebyggande

Industriella applikationer upplever vanligtvis inte dessa bärighetssvårigheter på motorer med variabel hastighet, men i vissa installationer, såsom kommersiella byggnader och flygplatsbagagehantering, är robust jordning inte alltid tillgänglig.I dessa fall måste en annan metod användas för att leda bort denna ström från lagren.Den vanligaste lösningen är att lägga till en axeljordningsanordning i ena änden av motoraxeln, särskilt i applikationer där common mode-spänning kan vara mer utbredd.En axeljord är i huvudsak ett medel för att ansluta motorns roterande rotor till jord via motorns ram.Att lägga till en axeljordningsanordning till motorn före installation (eller att köpa en motor med en förinstallerad) kan vara ett litet pris att betala jämfört med prislappen för underhållskostnader förknippade med lagerbyte, för att inte tala om de höga kostnaderna för driftstopp i en anläggning.

Det finns flera vanliga typer av axeljordningsanordningar i branschen idag, såsom kolborstar, ringformade fiberborstar och jordlagerisolatorer, och andra metoder för att skydda lagren finns också tillgängliga.

Kolborstar har använts i mer än 100 år och liknar kolborstarna som används på DC-motorkommutatorer.Jordborstar tillhandahåller den elektriska anslutningen mellan de roterande och stationära delarna av motorns elektriska krets och tar strömmen från rotorn till jord så att laddningen inte byggs upp på rotorn till den punkt där den laddas ur genom lagren.Jordborstar erbjuder ett praktiskt och ekonomiskt sätt att ge en lågimpedans väg till jord, speciellt för motorer med större ram;de är dock inte utan sina nackdelar.Precis som med likströmsmotorer är borstarna utsatta för slitage på grund av den mekaniska kontakten med axeln, och oavsett borsthållarens utformning måste aggregatet inspekteras regelbundet för att säkerställa korrekt kontakt mellan borstarna och axeln.

Skaftjordande ringar fungerar som en kolborste, men de innehåller flera strängar av elektriskt ledande fibrer arrangerade inuti en ring runt axeln.Utsidan av ringen, som vanligtvis är monterad på motorns ändplatta, förblir stationär, medan borstarna åker på motoraxelns yta och leder strömmen genom borstarna och säkert till jord.Axeljordningsringar kan monteras inuti motorn, vilket gör att de kan användas på spolmotorer och smutsiga motorer.Ingen axeljordningsmetod är dock perfekt, och jordningsringar som är monterade externt tenderar att samla föroreningar på borsten, vilket kan minska deras effektivitet.

Jordlagerisolatorer kombinerar två teknologier: en tvådelad, beröringsfri isoleringsskärm som använder en labyrintdesign för att förhindra inträngning av föroreningar och en metallrotor och en isolerad ledande glödtrådsring för att avleda axelströmmar bort från lagren.Eftersom dessa enheter också förhindrar förlust av smörjmedel och förorening, ersätter de standardlagertätningar och traditionella lagerisolatorer.

Ett annat sätt att förhindra urladdning av ström genom lagren är att tillverka lagren av ett icke-ledande material.I keramiska lager skyddar keramiskt belagda kulor lagren genom att förhindra axelström från att flöda genom lagren till motorn.Eftersom ingen elektrisk ström flyter genom motorlagren, finns det liten risk för ströminducerat slitage;men strömmen kommer att söka en väg till jord, vilket betyder att den kommer att gå genom ansluten utrustning.Eftersom keramiska lager inte tar bort strömmen från rotorn, rekommenderas endast specifika direktdrivna applikationer för motorer med keramiska lager.Andra nackdelar är kostnaden för denna typ av motorlager och det faktum att lagren vanligtvis endast är tillgängliga upp till storlek 6311.

På motorer större än 100 hästkrafter rekommenderas i allmänhet att ett isolerat lager installeras på den motsatta änden av motorn på vilken axeljordningsanordningen är installerad, oavsett vilken typ av axeljordning som används.

Tre installationstips för frekvensomriktare med variabel hastighet

Tre överväganden för underhållsingenjören när han försöker minska common mode-spänningen i applikationer med variabel hastighet är:

1. Se till att motorn (och motorsystemet) är ordentligt jordade.
2. Bestäm rätt bärvågsfrekvensbalans, vilket kommer att minimera brusnivåer och spänningsobalans.
3. Om en axeljordningsanordning anses nödvändig, välj en som fungerar bäst för applikationen.

När en lagerström finns finns det ingen lösning som passar alla.Det är viktigt för kunden och motor- och drivenhetsleverantören att arbeta tillsammans för att hitta den mest lämpliga lösningen för den specifika applikationen.