Sprawność i straty w silnikach z komutacją elektroniczną

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI
Napięcia wałowe i prądy łożyskowe
w silnikach indukcyjnych
dr inż. Piotr Zientek
GENEZA BADAŃ
a)
b)
Uszkodzenia bieżni łożysk:
a) nieregularne wżery na bieżni zewnętrznej pierścienia
wewnętrznego,
b) wżery liniowe na bieżni pierścienia łożyska walcowego.
GENEZA BADAŃ (cd.)
a)
b)
Uszkodzone łożysko:
a) wałeczkowe,
b) kulkowe.
GENEZA BADAŃ (cd.)
a)
b)
Zatarcie pakietu blach:
a) stojana,
b) wirnika, spowodowane uszkodzeniem łożyska.
NAPIĘCIA WAŁOWE I PRĄDY ŁOŻYSKOWE W SILNIKACH
INDUKCYJNYCH DUŻEJ MOCY ZASILANYCH NAPIĘCIEM SIECIOWYM
Przyczyny powstawania prądów łożyskowych
UWAŁ > 0,2 V (rms) - powstawanie prądów łożyskowych
OBIEKTY BADAŃ
- SILNIKI INDUKCYJNE MAŁEJ MOCY Sf 132 S-4
Pn = 5,5 kW
Un = 380 V
SZUe 44b
SZJe 24a
Pn = 4 kW
Pn = 1,5 kW
Un = 220/380 V
Un = 220/380 V
OBIEKTY BADAŃ
- SILNIKI INDUKCYJNE DUŻEJ MOCY SEE 315ML2
Pn = 200 kW
Un = 400 V
dSKgw 500Y-4
dSKgw 315L-4
Pn = 500 kW
Pn = 300 kW
Un = 3300 V
Un = 1000 V
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE BADANYCH
SILNIKÓW DUŻEJ MOCY
 Drążony przelotowy wał wirnika.
 Zastosowanie łożyska izolowanego
od strony przeciwnapędowej silnika.
 Wyposażenie w system chłodzenia
wodą.
dSKgw 315L-4
Pn = 300 kW
Un = 1000 V
SPOSÓB POMIARU PRĄDU ŁOŻYSKOWEGO
4 mm2
TCP312
(30 A)
TCP404XL
(400 A)
WPŁYW TEMPERATURY ŁOŻYSK NA WARTOŚĆ
NAPIĘĆ WAŁOWYCH I PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH
T = 18 oC
T = 73 oC
a)
b)
Zygzakowate wżery:
a) na powierzchni wewnętrznej
pierścienia zewnętrznego,
b) na kulce łożyska.
Powiększony wżer
na kulce łożyska
ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH
SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI
Prążki i drobne wżery na pierścieniu i na wałeczkach
USZKODZENIE BIEŻNI ŁOŻYSKA PO 40 ROZRUCHACH
BEZ OBCIĄŻENIA SILNIKA O MOCY 300 kW
Małe wżery na powierzchni wewnętrznej
pierścienia zewnętrznego łożyska kulkowego
ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH
SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI
Widoczne kratery na powierzchni wewnętrznej
pierścienia wewnętrznego
ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH
SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI
Uszkodzenie czopa wału spowodowane
przepływem prądu przez łożysko
ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH
SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI
a)
b)
Bieżnia wewnętrzna pierścienia zewnętrznego łożyska walcowego:
a) w górnej części pierścienia, b) w dolnej części pierścienia
ANALIZA USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH
SPOWODOWANYCH PRĄDAMI ŁOŻYSKOWYMI
0
10
20
30 mm
Podziałka milimetrowa
Prążki na pierścieniu wewnętrznym łożyska walcowego
(o średnicy 160 mm) na tle podziałki milimetrowej
Przepływ prądu w układzie napędowym po zastosowaniu
izolowanego łożyska w silniku po stronie napędowej
uWAŁ
USZKODZENIE POWIERZCHNI SPRZĘGŁA
Widoczne wżery i duże kratery na powierzchni sprzęgła
PRĄDY ŁOŻYSKOWE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH
ZASILANYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI
uU [V]
400
200
0
-200
uV [V]
-400
400
200
0
-200
uW [V]
-400
400
200
0
-200
uN [V]
-400
400
Rozłożone pojemności wewnętrzne
(naturalne) w silniku indukcyjnym
200
0
-200
-400
0
0.1
0.2
0.3
t [ms]
0.4
0.5
Powstawanie napięcia
niezrównoważenia
0.6
Csf – pojemność pomiędzy uzwojeniem
stojana a kadłubem
Csr – pojemność pomiędzy uzwojeniem
stojana a wirnikiem
Cg – pojemność szczeliny powietrznej
Cb – pojemność łożyska
PRZYCZYNY POWSTAWANIA NAPIĘCIA WAŁOWEGO
400
uN [V]
200
0
-200
-400
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t [ms]
Pojemności wewnętrzne w silniku indukcyjnym
Csr
uW AŁ (t ) 
u N (t )
Csr  (Cb1  Cb 2 )  Cg
uWAŁ [V]
20
10
0
-10
-20
Pojemności wewnętrzne występujące w silniku
zmierzone mostkiem transformatorowym typu:
BM484 dla silnika o mocy Pn=5.5 kW wynoszą:
Csf  3,55 nF, Csr  0 ,05 nF, C g = 1,41 nF
0
t [ms]
Napięcie w punkcie neutralnym uzwojenia
stojana, oraz napięcie wałowe
6
iCM [A]
4
ZALEŻNOŚĆ
PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH OD WARTOŚCI
2
0
NAPIĘCIA PRZEBICIA FILMU OLEJOWEGO
-2
-4
a)
200
uN [V]
-6
100
2
ib [A]
1.6
0
0.6
0
0.2
0
10
15
ub [V]
20
25
30
Zależność amplitudy wyładowczych prądów
łożyskowych od wartości napięcia przebicia
filmu olejowego w silniku indukcyjnym typu
SZJe 24a o mocy 5 kW
-0.2
-0.4
-0.6
6
4
2
a) Napięcie niezrównoważenia
0
30
b) Prąd łożyskowy
[V]
ub [V]
5
20
c) Napięcie łożyskowe
ał-pop
ib [A]
0
EDM
0.4
c)
0.8
0.4
-100
b)
1.2
10
-2
-4
0
0.04
0.08
0.12
t [ms]
0.16
0.2
uN [V]
200
0
-200
-400
-600
ub [V]
20
0
-20
-40
-60
ib1 [A]
1
0
-1
EDM
-2
-3
0.4
Układ pomiarowy do kontroli rozpływu
prądów łożyskowych w silniku indukcyjnym
ib2 [A]
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
Wyniki pomiarów laboratoryjnych
0.8
iPE [A]
0.4
0
-0.4
-0.8
-1.2
iCM [A]
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
0
5
10
15
20
t [s]
25
30
35
40
uN – napięcie niezrównoważenia
ub – napięcie łożyskowe
ib1, ib2 – prąd łożyskowy w silniku indukcyjnym
w łożysku nr. 1 i nr. 2
iCM – prąd w przewodzie uziomowym silnika
iPE – prąd w przewodzie ochronnym łączącym
falownik z silnikiem
WPŁYW TEMPERATURY WĘZŁÓW ŁOŻYSKOWYCH
NA WARTOŚĆ NAPIĘCIA ŁOŻYSKOWEGO
20
30
t = 31 C
10
t = 37 oC
20
ub [V]
ub [V]
o
0
10
0
-10
-10
-20
-20
8
20
t = 41 C
t = 47 oC
10
ub [V]
ub [V]
o
0
4
0
-10
-4
-20
-8
2
2
t = 51 C
ub [V]
1
0
0
-1
-2
-2
2
2
t = 60 oC
1
0
t = 53 oC
1
-1
ub [V]
ub [V]
ub [V]
o
t = 65 oC
1
0
-1
-1
-2
-2
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
t [ms]
1
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
t [ms]
1
Przebieg napięcia łożyskowego dla różnej temperatury łożysk
USZKODZENIA ŁOŻYSK TOCZNYCH W SILNIKACH
ZASILANYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI
a)
c)
b)
Widoczne liczne małe wżery:
a) na powierzchni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego
b) na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego
c) na powierzchni wałeczka
USZKODZENIA ŁOŻYSK TOCZNYCH W SILNIKACH
ZASILANYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI
a)
b)
Widoczne liczne małe wżery:
a) na powierzchni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego
b) na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego
łożyska kulkowego
METODY ELIMINACJI PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH
Zasilanie napięciem sieciowym:
1. Stosowanie takich konstrukcji silników, w których
występuje mała wartość napięcia wałowego.
2. Przerwanie obwodu, w którym płynie prąd łożyskowy,
poprzez stosowanie łożysk izolowanych, ceramicznych,
hybrydowych lub izolowanie komór łożyskowych.
Zasilanie z przemienników częstotliwości:
1. Stosowanie takich algorytmów sterowania zaworami
falownika, które dają zerową wartość napięcia w punkcie
neutralnym uzwojenia stojana.
2. Wyeliminowanie napięcia łożyskowego poprzez zwarcie
wału do kadłuba za pomocą szczotek metalo-grafitowych,
lub specjalnych pierścieni AEGIS SGR.
3. Przerwanie obwody, w którym płynie prąd łożyskowy.
Dziękuję za uwagę