Prądy łożyskowe - jak powstają i jak im zapobiec?
| TechnikaŁożyska to ważne komponenty silników. Jeśli są zużyte lub uszkodzone, negatywnie wpływają na pracę napędu, ostatecznie prowadząc do jego awarii. Jednym z powodów pogarszania się ich stanu są prądy łożyskowe. W artykule przybliżamy tytułowe zjawisko, przedstawiając jego przyczyny, skutki oraz sposoby ograniczania.
Prądy łożyskowe nie są nowym problemem. Już w latach trzydziestych zeszłego wieku pojawiały się doniesienia o awariach silników elektrycznych spowodowanych łożyskami uszkodzonymi przez prądy tego typu. Płyną one, kiedy napięcia indukowane na wale silnika są odprowadzane do ziemi przez łożyska. To wywołuje ich erozję. Uszkodzenia powstałe w ten sposób mogą mieć różną postać, ale ich skumulowanym skutkiem jest szybsze zużycie łożysk, powodujące dodatkowo hałas i wibracje. Ostatecznie prowadzi to do przedwczesnej awarii. Dochodzi do niej czasem zaledwie w kilka miesięcy po zainstalowaniu silnika, podczas gdy zakładany czas eksploatacji łożysk liczony jest w latach.
Jak powstają prądy łożyskowe?
Aby móc zapobiec tytułowym prądom, kluczowe jest zrozumienie mechanizmu ich powstawania. Napięcie indukowane na wale może mieć kilka przyczyn. Przede wszystkim jest skutkiem asymetrii w budowie silnika, na przykład mimośrodowości stojana albo wirnika. Powoduje ona asymetrię strumienia magnetycznego, a dodatkowe pola magnetyczne indukują napięcie na wale.
Problem prądów łożyskowych jest także dokuczliwy w napędach z przemiennikami częstotliwości. Przyczyną są napięcia i prądy wspólne, których źródłem są falowniki sterowane sygnałem PWM. Precyzując, suma przebiegów napięć w trójfazowym układzie zasilania silnika przez napęd tego typu nie w każdym punkcie wynosi zero, inaczej niż w typowym trójfazowym układzie zasilania z sieci energetycznej, w przypadku której suma trzech faz jest zawsze równa zeru i składowa wspólna nie występuje.
Ma to swoje negatywne konsekwencje, ponieważ ilekroć w obwodzie zasilanym przez przemiennik częstotliwości suma ta ulega zmianie, do ziemi popłynie prąd proporcjonalny do tej zmiany. W ten sposób tworzą się pętle prądowe.
Sprzężenia pojemnościowe i ścieżki prądowe
Prądy wspólne indukowane przez napięcia wspólne rozchodzą się przez pojemności pasożytnicze, które występują pomiędzy podzespołami silnika. Zaznaczono je na rysunku 1. Są to sprzężenia pojemnościowe między uzwojeniami stojana a wirnikiem (Csr), uzwojeniami stojana a ramą (Csf) oraz wirnikiem a ramą (Crf).
Na rysunku 2 przedstawiono cztery potencjalne ścieżki przepływu prądów wspólnych. Na czerwono zaznaczony został prąd płynący ze stojana do wirnika ze ścieżką powrotną przez łożyska silnika do uziemienia napędu. Na zielono również zaznaczono ścieżkę prądu ze stojana do wirnika, w tym przypadku jednak płynie on przez przewodzące sprzęgło, łożysko oraz uziemienie obciążenia do uziemienia napędu.
Na żółto wyróżniono prąd od uzwojenie stojana do ramy/wału. Płynie on przez izolację uzwojenia stojana i dalej przez ramę silnika, łożysko, wał, sprzęgło przewodzące, łożysko i uziemienie obciążenia do uziemienia napędu. Preferowaną ścieżką przepływu prądu, która nie spowoduje uszkodzenia łożysk, jest z kolei ta przez uzwojenia stojana do uziemienia. Na rysunku 2 zaznaczono ją na niebiesko.
Mechanizm niszczenia. jak zapobiegać?
Smar zabezpieczający łożyska ma właściwości izolujące. Ponieważ jednak napięcie wspólne zmienia się bardzo szybko, dzięki dużej prędkości przełączania tranzystorów IGBT w falowniku, może ono łatwo przekroczyć napięcie przebicia smaru, przy którym traci on właściwości izolujące. Wówczas, na skutek przepływu impulsu prądu, zachodzi korozja cierna elementów tocznych i bieżni, a towarzysząca przebiciu smaru wysoka temperatura, jeżeli przekroczy temperaturę topnienia materiału łożyska, powoduje stopienie elementów tocznych i bieżni i tworzenie się wżerów. Z czasem uszkodzenia te pogłębiają się. W większości przypadków pierwszą oznaką problemów z łożyskiem jest wzrost hałasu i wibracji.
W efekcie prądy łożyskowe nieuchronnie doprowadzą do przedwczesnej awarii. Dlatego podejmuje się działania, by je ograniczać. Nie ma jednego sposobu, który by ten problem rozwiązać w każdym przypadku. Zamiast tego należy stosować podejście optymalne w danej sytuacji.
Jednym z nich jest zamontowanie izolowanych elektrycznie łożysk zarówno po stronie obciążenia, jak i po nienapędzanej stronie silnika. Kluczowe jest to, żeby oba łożyska były izolowane. W przeciwnym razie niepożądany efekt prądowy skumuluje się w nieizolowanym łożysku i dwa razy szybciej ulegnie ono uszkodzeniu. Należy się przy tym upewnić, że izolacja łożyska ma wystarczającą impedancję przy wysokich częstotliwościach – ze względu na ten warunek warto jest rozważyć montaż łożysk hybrydowych.
Jeżeli jednak oba łożyska są izolowane i występuje sprzężenie przewodzące między silnikiem a uziemionym urządzeniem, na przykład przekładnią, wówczas prąd łożyskowy może powodować problemy w innych częściach systemu. Wówczas zalecane są dwa rozwiązania: zainstalowanie sprzęgła izolującego między wałem silnika a napędzanym obciążeniem lub zamontowanie szczotki uziemiającej wał silnika.
W przypadku silników o większej mocy warto rozważyć doinstalowanie filtru prądów wspólnych. Ograniczając te ostatnie, zmniejszają one ryzyko wystąpienia prądów łożyskowych. Filtr tego typu może być wbudowany w napęd albo w kabel między przemiennikiem częstotliwości a silnikiem. Kluczowe znaczenie ma też poprawne uziemienie napędu.
Monika Jaworowska
