Електродвигуни відіграють важливу роль у нашому повсякденному житті – там, де ми живемо, працюємо та граємо.Простіше кажучи, вони змушують рухатися майже все, що рухається.Майже 70 відсотків електроенергії, що споживається промисловістю, використовується електродвигунами.1

Приблизно 75 відсотків промислових двигунів, що діють, використовуються для роботи насосів, вентиляторів і компресорів, категорії обладнання, яка дуже сприйнятлива до значного підвищення ефективності2.Ці програми часто працюють з постійною швидкістю весь час, навіть коли вони не потрібні.Ця постійна робота витрачає енергію і створює непотрібні викиди CO2, але, контролюючи швидкість двигуна, ми можемо зменшити споживання електроенергії, заощаджуючи енергію та зменшуючи вплив на навколишнє середовище.

Одним із способів керування швидкістю двигуна є використання приводу зі змінною швидкістю (VSD), пристрою, який регулює швидкість обертання електродвигуна шляхом зміни частоти та напруги, що подаються на двигун.Контролюючи швидкість двигуна, привід може знизити споживання електроенергії (наприклад, зменшення швидкості обертового обладнання на 20 відсотків може зменшити потребу в вхідній потужності приблизно на 50 відсотків3) і забезпечити значне покращення управління процесом і значну економію операцій протягом усього терміну служби. moA, корисні як VSD для економії енергії в багатьох програмах, вони можуть викликати передчасний вихід з ладу двигуна, якщо не заземлені належним чином.Хоча існує багато різних причин несправностей електродвигуна, найпоширенішою проблемою під час використання приводу є несправність підшипників, викликана синфазною напругою.

Пошкодження, викликані синфазною напругою

У трифазній системі змінного струму синфазну напругу можна визначити як дисбаланс між трьома фазами, створений широтно-імпульсною модуляцією потужності приводу, або різницю напруги між землею джерела живлення та нейтральною точкою трьох- фазове навантаження.Це коливання синфазної напруги електростатично індукує напругу на валу двигуна, і ця напруга на валу може розряджатися через обмотки або через підшипники.Сучасні інженерні конструкції, фазова ізоляція та дріт інвертора можуть допомогти захистити обмотки;однак, коли ротор бачить наростання стрибків напруги, струм шукає шлях найменшого опору до землі.У випадку з електродвигуном цей шлях проходить безпосередньо через підшипники.

Оскільки підшипники двигуна використовують мастило для змащення, масло в мастилі утворює плівку, яка діє як діелектрик, що означає, що вона може передавати електричні сили без провідності.Але з часом цей діелектрик виходить з ладу.Без ізоляційних властивостей мастила напруга на валу буде розряджатися через підшипники, а потім через корпус двигуна, щоб досягти електричного заземлення.Цей рух електричного струму викликає дугу в підшипниках, яку зазвичай називають електророзрядною обробкою (EDM).Оскільки ця безперервна дуга виникає з часом, поверхні в комірці підшипника стають крихкими, і крихітні шматочки металу можуть відламатися всередині підшипника.Зрештою, пошкоджений матеріал пробивається між кульками підшипника та комірками, викликаючи ефект шліфування, який може призвести до мікронних точок, які називаються глазур’ю, або гребінь, подібних до пральної дошки в доріжці кочення підшипника, які називаються рифленням.

Деякі двигуни можуть продовжувати працювати, оскільки пошкодження стає все гіршим, без будь-яких помітних проблем.Першою ознакою пошкодження підшипника, як правило, є чутний шум, викликаний кульками підшипників, які переміщуються по ямкових і замерзлих ділянках.Але до того моменту, коли виникає цей шум, пошкодження зазвичай стають настільки значними, що збій неминучий.

Заснований на профілактиці

Промислове застосування зазвичай не стикається з цими труднощами з підшипниками на двигунах із змінною швидкістю, але в деяких установках, таких як комерційні будівлі та обслуговування багажу в аеропортах, надійне заземлення не завжди доступне.У цих випадках необхідно використовувати інший метод, щоб відвести цей струм від підшипників.Найпоширенішим рішенням є додавання пристрою заземлення валу на один кінець валу двигуна, особливо в програмах, де напруга синфазного режиму може бути більш поширеною.Заземлення валу по суті є засобом для з’єднання обертового ротора двигуна із заземленням через раму двигуна.Додавання пристрою заземлення валу до двигуна перед його встановленням (або придбання двигуна з попередньо встановленим двигуном) може бути невеликою ціною в порівнянні з ціною витрат на технічне обслуговування, пов’язаних із заміною підшипників, не кажучи вже про високі витрати на простою на об'єкті.

Сьогодні в промисловості є кілька поширених типів пристроїв заземлення валів, таких як вугільні щітки, кільцеві волокнисті щітки та ізолятори заземлення підшипників, а також доступні інші методи захисту підшипників.

Вугільні щітки використовуються вже більше 100 років і подібні до вугільних щіток, які використовуються на комутаторах двигунів постійного струму.Щітки заземлення забезпечують електричний зв’язок між обертовою та нерухомою частинами електричного кола двигуна і відводять струм від ротора до землі, щоб заряд не накопичувався на роторе до точки, де він розряджався через підшипники.Щітки заземлення пропонують практичні та економічні засоби для забезпечення шляху до землі з низьким опором, особливо для двигунів з більшою рамою;однак вони не позбавлені недоліків.Як і в двигунах постійного струму, щітки піддаються зносу через механічний контакт з валом, і, незалежно від конструкції щіткотримача, вузол необхідно періодично перевіряти, щоб забезпечити належний контакт між щітками та валом.

Кільця заземлення валу працюють як вугільна щітка, але вони містять кілька ниток електропровідних волокон, розташованих всередині кільця навколо вала.Зовнішня частина кільця, яка зазвичай кріпиться до кінцевої пластини двигуна, залишається нерухомою, в той час як щітки їздять по поверхні валу двигуна, направляючи струм через щітки і безпечно на землю.Кільця заземлення валу можуть бути встановлені всередині двигуна, що дозволяє використовувати їх на промивних і брудних двигунах.Однак жоден метод заземлення шахти не є ідеальним, а заземлюючі кільця, встановлені зовні, мають тенденцію накопичувати забруднення на своїх щетинах, що може знизити їх ефективність.

Ізолятори підшипників заземлення поєднують дві технології: двокомпонентний безконтактний ізоляційний щиток, який використовує лабіринтову конструкцію для запобігання проникненню забруднень, а також металевий ротор та ізольоване кільце провідної нитки для відведення струмів валу від підшипників.Оскільки ці пристрої також запобігають втраті та забрудненню мастила, вони замінюють стандартні ущільнення підшипників і традиційні ізолятори підшипників.

Інший спосіб запобігти розряду струму через підшипники - це виготовлення підшипників з непровідного матеріалу.У керамічних підшипниках кульки з керамічним покриттям захищають підшипники, запобігаючи протікання струму валу через підшипники до двигуна.Оскільки через підшипники двигуна не проходить електричний струм, ймовірність зносу, викликаного струмом, мала;проте струм буде шукати шлях до землі, що означає, що він буде проходити через підключене обладнання.Оскільки керамічні підшипники не видаляють струм з ротора, для двигунів з керамічними підшипниками рекомендуються лише конкретні застосування з прямим приводом.Іншими недоліками є вартість підшипників двигуна цього типу та той факт, що підшипники зазвичай доступні лише до розміру 6311.

На двигунах потужністю понад 100 кінських сил зазвичай рекомендується встановлювати ізольований підшипник на протилежному кінці двигуна, на якому встановлено пристрій заземлення валу, незалежно від того, який тип заземлення валу використовується.

Три поради щодо встановлення приводу зі змінною швидкістю

Три міркування для інженера з технічного обслуговування, коли намагаються зменшити синфазну напругу в програмах зі змінною швидкістю:

1. Переконайтеся, що двигун (і система двигуна) належним чином заземлені.
2. Визначте правильний баланс несучої частоти, який мінімізує рівень шуму, а також дисбаланс напруги.
3. Якщо пристрій заземлення валу вважається необхідним, виберіть той, який найкраще підходить для застосування.

При наявності струму підшипника не існує єдиного рішення для всіх.Замовнику та постачальнику двигуна та приводу важливо працювати разом, щоб визначити найбільш відповідне рішення для конкретного застосування.