Ograniczenie prądów łożyskowych
Artur Polak, Jacek Przybyłka
Streszczenie: Pasożytnicze zjawiska występowania prądów i napięć wałowych w maszynach elektrycznych często powodują uszkodzenia elementów układu napędowego, takich jak: sprzęgła, łożyska i wały. W artykule przedstawiono nowatorską metodę eliminacji prądów i napięć wałowych. Opisano zastosowane rozwiązania, które pozwoliły na zbudowanie modelowego silnika napędu wentylatora.
Abstract: The parasitic phenomenom of occurrence of shaft currents and shaft voltages in electrical machines often causes damages of drive system components such as: couplings, bearings and shafts. The article presents an innovative method of eliminating shaft currents and shaft voltages in electric machines. The article describes the applied , which allowed the construction of the motor and successful implementation of the fan in the drive.
Statystyki wykazują, że znaczący odsetek uszkodzeń łożysk ma swoją genezę w skutkach przepływu prądów przez wał i łożyska maszyny elektrycznej jak również przez łożyska i elementy urządzeń sprzęgniętych z zasilaną maszyną np. przekładnie.
Wyróżniamy zasadnicze przyczyny generowania wymienionych zjawisk:
- asymetria napięcia zasilania,
- niesinusoidalny kształt napięcia zasilania,
- asymetria obwodu magnetycznego.
Znaczna część tych zjawisk podczas zasilania napięciem sinusoidalnym nie występuje lub występuje tylko w stanach przejściowych np. podczas rozruchu, hamowania.
Prądy wałowe w literaturze przedmiotu zaliczane są do tzw. zjawisk pasożytniczych skrajnie niepożądanych.
We wszystkich wirujących maszynach elektrycznych, bez względu na ich moc, liczbę par biegunów i sposób zasilania występują problemy związane ze skutkami prądu przepływającego przez wał maszyny i w konsekwencji łożyska.
Stosowanie łożysk izolowanych w praktyce udowodniło znaczącą ochronę silnika przed destrukcyjnym odziaływaniem tych zjawisk na stan techniczny silników. Nasuwa się jednak pytanie: którędy zamyka się obwód? Czy chroniąc silnik nie narażamy napędzanych urządzeń? Metody izolowania węzłów łożyskowych z wykorzystaniem łożysk izolowanych lub izolowanie gniazd łożyskowych są stosowane powszechnie. W DFME DAMEL prowadzi się prace, których celem jest minimalizowanie konsekwencji przepływu prądów łożyskowych m.in. poprzez ułatwienie przepływu wspomnianego prądu bez uszczerbku na kondycji technicznej łożysk. Przykładem prowadzonych takich prac jest zastosowanie smarów elektroprzewodzących. Rozwiązanie takie może okazać się korzystniejsze od wykorzystania łożysk izolowanych lub ceramicznych. W zależności od przeznaczenia i reżimu pracy łożyska, można zastosować smary ze specjalnymi dodatkami stałymi, które pozwalają na upływ prądu, jednocześnie nie przyczyniając się do zużycia ciernego. Wymiana pracującego smaru poprzez cykliczne dosmarowania węzłów łożyskowych jest znacznie szybsza i mniej skomplikowana niż alternatywne metody, takie jak pierścienie ślizgowe i szczotki zwierające wał z obudową.
Rys. 1. Całkowicie uszkodzone łożysko – konsekwencja płynących prądów łożyskowych.
Rys.2 Efekt przepływu prądu pojemnościowego a) szkic zastosowanego w układzie mechanicznym sprzęgła, b) ślady elektrokorozji na półsprzęgle i nadpalenia na przekładce izolacyjnej, c) ślady elektrokorozji na tulei pośredniczącej
Zastosowanie smarów przewodzących może sprawdzić się w przypadku silników zasilanych z układów przekształtnikowych, gdzie za generowanie prądów pojemnościowych zaliczanych z uwagi na drogę przepływu, do prądów wałowych przede wszystkim odpowiadają krótkie czasy narastania impulsów napięcia narastania (wywołane kluczowaniem zaworów energoelektronicznych).
W takim przypadku zastosowana izolacja dielektryczna nie zapobiegła skutkom przepływu prądu.
Dział Rozwoju DFME DAMEL przygotowuje do wdrożenia inną metodą ochrony łożysk, opartą na idei tłumienia prądów wałowych w maszynach elektrycznych. Proponowana metoda wykorzystuje dodatkowe uzwojenie tłumiące strumień okrężny generowany w rdzeniu silnika.
Wymieniony sposób ograniczenia prądu łożyskowego został opisany w patencie nr Pat.229377 pt.: „Uzwojenie dodatkowe w maszynie elektrycznej”.
Rys. 3a Obwód elektromagnetyczny maszyny indukcyjnej, ΦG – strumień główny, ΦOS – strumień okrężny w jarzmie stojana, ΦOW – strumień okrężny w jarzmie wirnika
Rys. 3b Rdzeń stojana (1) z toroidalnym uzwojeniem dodatkowym (2)
Jednym z obiektów przeznaczonych do prób i eksperymentów związanych z ujarzmieniem zjawisk związanych z przepływem prądów łożyskowych (wałowych) są silniki najnowszej generacji, silniki typu S1 710Y-8 o mocy 1800 kW. Opracowana rodzinę silników przeznaczona jest do napędu wentylatorów o dużej i zmiennej wydajności.
Rys. 2. Silnik S1 710Y-8 przeznaczony do zabudowy w wentylatorze lutniowym
Prace konstrukcyjne zostały przeprowadzone z uwzględnieniem potrzeby współczesnego rynku dużych napędów oraz kosztu wytworzenia silnika.
Silnik został zaprojektowany pod kątem zabudowy w lutni i napędu wentylatora o dużej średnicy oraz zmiennej wydajności. Zmiana wydajności realizowana może być poprzez zmianę geometrii łopat lub regulację prędkości poprzez zasilanie z przemiennika częstotliwości.
W silniku modelowym zastosowano układ łożysk po stronie napędowej, gdzie zastosowano łożysko kulkowe i łożysko walcowe, a po stronie przeciwnapędowej zastosowano łożysko walcowe izolowane. Taka konstrukcja ułatwia modelowanie różnych stanów pracy węzła łożyskowego. Wynikiem prowadzonych prac jest optymalizacja konstrukcji węzłów maszyn elektrycznych z łożyskami tocznymi pod względem eksploatacyjnym i kosztów wytworzenia maszyny. Badania są na etapie testów laboratoryjnych przed próbami eksploatacyjnymi na silnikach zainstalowanych w przemyśle.
Literatura:
M.Jakubiec, A. Polak „Dodatkowe zjawiska pasożytnicze występujące w silnikach indukcyjnych zasilanych napięciem odkształconym”, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 61, str. 207-213, 2000.
P. Zientek, R. Niestrój „Napięcia wałowe w silnikach indukcyjnych dużej mocy”, Elektryka nr 214, str. 91-107, 2010.
P. Zientek „Prądy łożyskowe i prąd uziomu w układach napędowych zasilanych z falowników PWM", Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 74, str. 69-74, 2006.
Pat.229377 pt.: „Uzwojenie dodatkowe w maszynie elektrycznej”.
Kulesz B., Berhausen S., Jarek T. Prądy łożyskowe i napięcia wałowe w maszynach elektrycznych – przyczyny i sposoby przeciwdziałania Przegląd Elektrotechniczny 2021, Nr 6, Tom 1.
Artur Polak
apolak@damel.com.pl
Jacek Przybyłka
jprzybylka@damel.com.pl
Dział Rozwoju, DFME „DAMEL” S.A.
41-300, Dąbrowa Górnicza,
Al. J. Piłsudskiego 2
