NAPIĘCIA WAŁOWE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH DUśEJ

ELEKTRYKA
Zeszyt 2 (214)
2010
Rok LVI
Piotr ZIENTEK, Roman NIESTRÓJ
Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach
NAPIĘCIA WAŁOWE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH DUśEJ
MOCY
Streszczenie. Artykuł zawiera analizę uszkodzeń łoŜysk w silnikach indukcyjnych
duŜej mocy. Przedstawiono róŜne rodzaje uszkodzeń łoŜysk w badanych silnikach oraz
przyczyny powstawania napięć wałowych i prądów łoŜyskowych. W rozdziale 5
przedstawiono wpływ asymetrii napięcia zasilania na wartość napięć wałowych.
W artykule zaprezentowano wyniki wielu badań laboratoryjnych oraz wnioski
wypracowane w czasie badań.
Słowa kluczowe: prądy łoŜyskowe, napięcia wałowe, silniki indukcyjne
SHAFT VOLTAGES IN HIGH POWER INDUCTION MOTORS
Summary. The paper presents results of investigations aimed at bearing faults
detection in high power induction motors. Different kinds of bearing damages arising in
the considered motors are shown. The causes of occurring the shaft voltages and bearing
currents are given as well. In Section 5 there is presented influence of the supply voltage
unbalance on the shaft voltage values. The conclusions drawn from the laboratory tests
are presented in Section 7.
Keywords: bearing currents, shaft voltages, induction motors
1. WSTĘP
Do napędu organów urabiających górniczych kombajnów ścianowych są stosowane
silniki indukcyjne trójfazowe o mocach znamionowych od 200 kW do 600 kW. W zakresie
mocy znamionowych od 200 kW do 300 kW silniki są wykonywane na napięcie znamionowe
1000 V, w zakresie mocy od 300 kW do 350 kW na napięcie znamionowe 1000 V i 3300 V,
natomiast powyŜej mocy znamionowej 350 kW silniki są wykonywane wyłącznie na napięcie
znamionowe 3300 V.
Przedmiotowe silniki są przystosowane do eksploatacji w przestrzeniach zagroŜonych
metanem oraz wybuchem pyłu węglowego. Mają one budowę ognioszczelną z osłoną
przeciwwybuchową (cecha EExdI, grupa wybuchowości I, kategoria M2). Silniki te mają
92
P. Zientek, R. Niestrój
wirniki krótko zwarte pręgowane, przy czym w zakresie mocy znamionowej od 200 kW do
300 kW są stosowane wirniki dwuklatkowe, a w zakresie mocy znamionowej od 300 kW do
600 kW stosuje się wirniki głębokoŜłobkowe. Przedmiotowe silniki są przystosowane do
rozruchu przez bezpośrednie załączenie napięcia zasilania. Niekorzystnym zjawiskiem
występującym w tych silnikach jest stosunkowo wysoki poziom napięć wałowych, które
w pewnych warunkach powodują przepływ prądów łoŜyskowych, powodujących
przyspieszone uszkodzenia łoŜysk tocznych i w dalszej konsekwencji awarię silników.
Napięcia wałowe są szczególnie wysokie w stanach dynamicznych, np. podczas rozruchu
bezpośredniego.
Obserwacja uszkodzonych elementów łoŜysk tocznych wielu silników potwierdza, iŜ
niemal w kaŜdym przypadku są wyraźnie widoczne ślady przepływu prądów łoŜyskowych.
Przyczyny powstawania napięcia wałowego są związane z budową konkretnego silnika,
która wynika z przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego oraz z zastosowanych do jego
wytworzenia procesów technologicznych, wywołujących niejednokrotnie powstanie wielu
asymetrii w obwodach elektromagnetycznych silników.
W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań napięć wałowych silników o róŜnych
mocach znamionowych i róŜnych rozwiązaniach konstrukcyjnych oraz ocenę wpływu
asymetrii napięcia zasilania silników na wartość napięcia wałowego.
2. RODZAJE USZKODZEŃ ŁOśYSK TOCZNYCH
Okres bezawaryjnej pracy nowego lub remontowanego silnika do uszkodzenia węzłów
łoŜyskowych wynosi przeciętnie kilka miesięcy. Charakter uszkodzeń elementów tocznych,
bieŜni łoŜysk i czopów wału omawianych silników wskazuje na uszkodzenia termiczne i mechaniczne oraz na uszkodzenia, będące skutkiem przepływu prądów przez łoŜyska. W celu
określenia rodzaju uszkodzeń wywołanych prądami łoŜyskowymi, przez pewien okres czasu
gromadzono zuŜyte łoŜyska i tworzono dokumentację ich uszkodzeń. ŁoŜyska pochodziły
z silników o mocach powyŜej 200 kW i napięciach znamionowych 1000 V i 3300 V.
W większości z nich charakter uszkodzeń wskazywał na występowanie prądów łoŜyskowych
o dość znacznej wartości (rys. 1, 2) Przeprowadzone badania laboratoryjne [1, 3, 7, 8]
potwierdziły obecność występowania napięć wałowych i prądów łoŜyskowych w przedmiotowych silnikach. Przedstawione na rysunkach 3, 4, 8, 9 uszkodzenia łoŜysk w postaci
regularnych wgnieceń (prąŜków) na bieŜniach pierścieni łoŜysk są wynikiem docisku
toczących się po nich elementów tocznych. Działanie prądów łoŜyskowych znacząco
przyspiesza ich powstawanie, na skutek zmiany struktury materiału pierścieni pod działaniem
prądów łoŜyskowych. MoŜna więc stwierdzić, Ŝe przedstawione na rysunkach od 1 do 9
uszkodzenia łoŜysk zostały spowodowane prądami łoŜyskowymi.
Napięcia wałowe w silnikach…
Rys. 1. Krater na powierzchni zewnętrznej pierścienia zewnętrznego
Fig. 1. The crater on the outer ring outer surface
Rys. 2. Krater i małe wŜery na powierzchni wewnętrznej pierścienia wewnętrznego
Fig. 2. The crater and small pits on the inner ring inner surface
Rys. 3. PrąŜki na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego
Fig. 3. The stripes on the outer ring inner surface
Rys. 4. PrąŜki na powierzchni zewnętrznej pierścienia wewnętrznego
Fig. 4. The stripes on the inner ring outer surface
93
94
P. Zientek, R. Niestrój
Rys. 5. Liczne małe wŜery na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego łoŜyska kulkowego
Fig. 5. Numerous small pits and streaks on the outer ring of the ball bearing inner surface
Rys. 6. Liczne małe wŜery i smugi obwodowe w łoŜysku wałeczkowym na powierzchni wewnętrznej
pierścienia zewnętrznego
Fig. 6. Numerous small pits and streaks on the outer ring inner surface
Rys. 7. Liczne małe wŜery i prąŜki na powierzchni wewnętrznej pierścienia zewnętrznego
Fig. 7. Numerous small pits and stripes on the outer ring inner surface
Napięcia wałowe w silnikach…
95
Rys. 8. Liczne małe wŜery i smugi obwodowe w łoŜysku wałeczkowym na powierzchni wałeczków
Fig. 8. Numerous small pits and streaks on the bearing roller of the roller bearing surface
Rys. 9. Liczne małe wŜery i prąŜki na powierzchni wałeczków
Fig. 9. Numerous small pits and stripe of the roller bearing surface
3. PRZYCZYNY POWSTAWANIA NAPIĘĆ I PRĄDÓW WAŁOWYCH
W silnikach indukcyjnych duŜej mocy, przeznaczonych do rozruchów bezpośrednich,
węzły łoŜyskowe są szczególnie naraŜone na uszkodzenia spowodowane przepływającymi
prądami łoŜyskowymi. Źródłem prądów łoŜyskowych jest indukowana wzdłuŜ wału maszyny
siła elektromotoryczna, zwana napięciem wałowym. Powstaje ona wtedy, gdy istnieje
zmienny strumień magnetyczny, zamykający się w obwodzie wzdłuŜ jarzma rdzenia stojana
i wirnika, obejmując wał maszyny indukcyjnej (rys. 10).
Przyczyn powstawania takiego strumienia naleŜy szukać w budowie samego silnika.
Według informacji zawartych w dostępnych materiałach [2, 44, 6] są to głównie asymetrie
obwodu magnetycznego, wynikające z sumowania się łańcucha tolerancji wszystkich detali
maszyny. Zalicza się do nich nierównomierną szczelinę powietrzną, ekscentryczność wirnika,
segmentowany lub dzielony stojan maszyny oraz anizotropie w obwodzie magnetycznym
maszyny. Prądy łoŜyskowe częściej powstają w większych maszynach o długości kadłuba
przekraczającej 400 mm i małej liczbie par biegunów (większa asymetria pola
96
P. Zientek, R. Niestrój
magnetycznego) niŜ w silnikach małych o duŜej liczbie par biegunów, gdzie łatwiej utrzymać
większą symetrię uzwojeń.
STRUMIEŃ OBEJMUJĄCY
STRUMIEŃWAŁ
KOŁOWY
RDZEŃ STOJANA
RDZEŃ WIRNIKA
PRĄD ŁOśYSKOWY
NAPIĘCIE WAŁOWE
Rys. 10. Powstawanie prądu łoŜyskowego
Fig. 10. Bearing currents forming
4. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Obiektem badań były silniki indukcyjne o mocach od 200 kW do 630 kW i napięciu
znamionowym 1000 V i 3300 V przeznaczone do napędu organów urabiających górniczych
kombajnów ścianowych (rys. 11).
a)
b)
Rys. 11. Stanowisko pomiarowe z silnikiem: a) dSKgw 315L-4, 300 kW, 1000 V, b) dSKgw 500Y4,
500 kW, 3300 V
Fig. 11. Measurement stand with the motor: a) dSKgw 315L-4, 300 kW, 1000 V, b) dSKgw 500Y4,
500 kW, 3300 V
Badane silniki charakteryzują się następującymi cechami:
- wyposaŜenie w system chłodzenia wodą,
- drąŜony przelotowy wał wirnika,
- moŜliwość rozruchu przez bezpośrednie załączenie napięcia zasilania z sieci,
- izolacja łoŜysk silnika.
Napięcia wałowe w silnikach…
97
Do badań laboratoryjnych wykorzystano następujące typy silników:
- 2SGR 315M4 (200 kW, 1000 V),
- dSKgwb 314M4 (200 kW, 1000 V),
- SG7 355L-4 (250 kW, 1000 V),
- dSKgw 315L-4 (300 kW, 1000 V),
- 3SG4W 562L-4 (350 kW, 1000 V),
- 3SG4W 562L-4A (350 kW, 1000 V),
- 2SG3W 760Y-4A (580/630 kW, 3300 V),
- dSKgw 500Y4 (500 kW, 3300 V),
- SG3W 760Y-4 (500 kW, 3300 V),
- 3SG4W 562Y-4A (350 kW, 3300 V).
Pomiary wykonywano podczas rozruchów bezpośrednich i w stanie ustalonym w takich
samych warunkach otoczenia. KaŜdą serię badań wykonywano dla kilku silników z danego
typu w celu potwierdzenia uzyskiwanych wyników pomiaru. Podjęte badania miały na celu
określenie, w jakim stopniu zmiana parametrów zasilania silników oraz jakie parametry
konstrukcyjne mają decydujący wpływ na wartość powstających napięć wałowych.
W celu pomiaru napięcia wałowego silnik wyposaŜono w przewód pomiarowy,
umieszczony w drąŜonym wale, którego końce wyprowadzono na zewnątrz silnika (rys. 12).
STOJAN
OSCYLOSKOP
WIRNIK
CH1
u
CH2
WAŁ
Rys. 12. Schemat układu do pomiaru napięcia wałowego
Fig. 12. Diagram of the shaft voltage measurement schem
Napięcie zmierzone w ten sposób na końcach przewodu jest równe napięciu pomiędzy
końcami wału silnika. Dokładniej ta metoda pomiaru została opisana w literaturze [1].
5. WPŁYW ASYMETRII NAPIĘĆ ZASILANIA NA WARTOŚĆ NAPIĘĆ
WAŁOWYCH
W celu określenia wpływu asymetrii napięć zasilających na wartość napięcia wałowego
przeprowadzono wiele pomiarów w stanie ustalonym oraz podczas rozruchu silnika.
98
P. Zientek, R. Niestrój
Asymetrię napięć uzyskano przez zmianę zaczepów w transformatorze zasilającym. Badania
przeprowadzono dla następujących napięć zasilania:
- symetrycznego,
- z asymetrią 0, +5%, -5%,
- z asymetrią -5%, -5%, +5%,
- 2-fazowego.
Podczas zasilania 2-fazowego rejestracje przeprowadzano tylko w stanie ustalonym.
Sposób pomiaru napięcia wałowego omówiono w rozdziale 4. Wyniki pomiarów
przedstawiono na rysunkach 13 i 14 oraz w tabelach 1 i 2. Z zarejestrowanych przebiegów dla
stanów ustalonych obliczono transformaty Fouriera, a wyniki przedstawiono na rysunku 14.
Z otrzymanego widma harmonicznych wyodrębniono prąŜki o największych amplitudach,
a ich wartości zestawiono w tabeli 2.
Tabela 1
Wartość skuteczna napięcia wałowego
Rodzaj asymetrii napięć zasilania silnika
symetria
0, +5%, -5%
-5%, -5%, +5%
zasil. 2-faz.
0,82
1,16
1,17
1,46
uWAŁ(RMS) V
Tabela 2
Amplitudy harmonicznych napięcia wałowego
Rodzaj asymetrii napięć zasilania
silnika
f
[Hz]
symetria
0
+5%
-5%
-5%
-5%
+5%
zasil.
2-faz.
AuhWAŁ V
50
0,25
0,24
0,24
0,25
150
0,31
0,27
0,27
0,36
250
0,09
0,05
0,05
0,16
800
0,05
0,10
0,10
0,07
900
0,26
0,29
0,27
0,31
1100
0,07
0,06
0,095
0,17
1200
0,10
0,05
0,065
0,12
1300
0,03
0,02
0,12
0,08
Napięcia wałowe w silnikach…
10
0
-5
0
0.4
0.8
0
-5
-10
1.2
t [s]
10
up [V]
5
u [V]
up [V]
5
-10
c)
10
b)
5
0
-5
-10
0
0.4
0.8
1.2
0
0.4
0.8
1.2
t [s]
t [s]
Rys. 13. Przebieg napięcia wałowego podczas rozruchu silnika i w stanie ustalonym dla następujących
napięć zasilania: a) symetrycznego, b) z asymetrią -5%, -5%, +5%, c) z asymetrią 0, +5%,
-5%
Fig. 13. Waveform of shaft voltage during motor start-up and in steady-state for the following supply
voltages: a) symmetric, b) asymmetric -5%, -5%, +5%, c) asymmetric 0, +5%, -5%
[V]
0.4
WAŁ
3
2
1
0
-1
-2
-3
0.8
Ahu
uWAŁ [V]
a)
0.9
1
1.1
0.3
0.2
0.1
0
1.2
0
400
f [Hz]
[V]
0.9
1
1.1
1200
1600
1200
1600
0
1.2
0
400
800
f [Hz]
0.2
WAŁ
[V]
0.3
A hu
uWAŁ [V]
1600
0.1
0.9
1
1.1
0.1
0
1.2
0
400
f [Hz]
800
f [Hz]
WAŁ
[V]
0.4
A hu
3
2
1
0
-1
-2
-3
0.8
1200
0.2
f [Hz]
d)
1600
0.3
c)
3
2
1
0
-1
-2
-3
0.8
1200
WAŁ
3
2
1
0
-1
-2
-3
0.8
800
f [Hz]
Ahu
uWAŁ [V]
b)
uWAŁ [V]
up [V]
a)
99
0.9
1
f [Hz]
1.1
1.2
0.3
0.2
0.1
0
0
400
800
f [Hz]
Rys. 14. Przebieg napięcia wałowego i jego transformata Fouriera dla następujących napięć zasilania:
a) symetrycznego, b) z asymetrią 0, +5%, -5%, c) z asymetrią -5%, -5%, +5%, d) 2-fazowe
Fig. 14. Waveform of shaft voltage and their Fourier transforms for the following supply voltages:
a) symmetric, b) asymmetric 0, +5%, -5%, c) asymmetric -5%, -5%, +5%, d) 2-phase
Dodatkowo, na rysunku 15 a, b przedstawiono przebiegi napięcia i prądu fazowego oraz
ich transformaty Fouriera dla stanu ustalonego przy symetrycznym zasilaniu. Z otrzymanego
widma harmonicznych celowo usunięto prąŜek podstawowej harmonicznej 50 Hz w celu
uwidocznienia prąŜków o mniejszych amplitudach.
100
P. Zientek, R. Niestrój
3
2
R
1200
800
400
0
-400
-800
-1200
Ahu [V]
uR [V]
a)
1
0
0
0.4
0.8
1.2
0
400
t [s]
b)
2000
Ahi [A]
R
iR [A]
0
-1000
-2000
-3000
1200
1600
1200
1600
2
1
0.5
0.4
0.8
1.2
0
400
t [s]
800
f [Hz]
0.3
0.2
Ahu
0
[V]
0.4
5
WAŁ
10
uWAŁ [V]
1600
1.5
0
0
-5
-10
1200
2.5
1000
c)
800
f [Hz]
0
0.4
0.8
t [s]
1.2
0.1
0
0
400
800
f [Hz]
Rys. 15. Przebiegi i ich transformata Fouriera ze stanu ustalonego: a) napięcie fazowe, b) prąd fazowy,
c) napięcie wałowe
Fig. 15. Waveforms and their Fourier transforms from steady state: a) phase voltage, b) phase current,
c) shaft voltage
Analizując obliczone transformaty Fouriera, moŜna stwierdzić, Ŝe największą amplitudę
mają prąŜki o częstotliwościach 50, 150, 250, 900 Hz. Przyczyny ich powstawania omówiono
w dalszej części artykułu.
W przypadku zasilania silnika napięciem asymetrycznym zmiany napięcia wałowego
w stosunku do zasilania znamionowego są niewielkie. DuŜo większe zmiany wartości tego
napięcia występują w przypadku zasilania 2-fazowego.
6. ANALIZA NAPIĘĆ WAŁOWYCH PRZY ZASILANIU SYMETRYCZNYM
Pomiar napięć wałowych przeprowadzono w silnikach indukcyjnych o mocy od 200 kW
do 580 kW i napięciach znamionowych 1000 V i 3300 V. Pomiary przeprowadzono podczas
rozruchu bezpośredniego. Z zarejestrowanych przebiegów napięć wałowych w stanie
ustalonym obliczono transformaty Fouriera, a wyniki przedstawiono na rysunkach 16, 17 i 18.
Pod kaŜdym wykresem zamieszczono typ silnika, jego dane znamionowe, takie jak: moc
znamionowa, napięcie znamionowe oraz dane konstrukcyjne, takie jak: liczbę Ŝłobków
uzwojenia stojana i wirnika. Większość badanych silników miała 48 Ŝłobków w stojanie oraz
38 Ŝłobków w wirniku.
W silnikach indukcyjnych typu 3SG4W 562L-4 oraz 3SG4W 562L-4A zastosowano 34
Ŝłobki w wirniku, co uwidacznia się w przebiegach napięcia wałowego (rys. 17, tab. 3) i ich
transformatach Fouriera. Znacznej redukcji uległy harmoniczne Ŝłobkowe 900 Hz i 1200 Hz
(rys. 17, tab. 4). Badania wykazały, Ŝe silniki te mają mniejszą wartość napięcia wałowego
Napięcia wałowe w silnikach…
101
w stanie ustalonym w porównaniu z badanymi silnikami innego typu, ale podobnej mocy
(tab. 3). Silniki indukcyjne o napięciu znamionowym 3300 V i mocy 500 kW mają
największe wartości napięcia wałowego zarówno podczas rozruchu, jak równieŜ w stanie
ustalonym (rys. 16, tab. 3). Podobne wartości ma takŜe silnik typu dSKgw 315L-4 o napięciu
zasilania 1000 V i mocy 300 kW (rys. 18d, tab. 3).
uWAŁ [V]
0
-4
-8
4
0
-4
3
-12
4
0
1
2
0.8
0.4
1600
400
f [Hz]
0.4
0
2000
3000
[V]
400
4000
5000
800
1200
[V]
0.4
1000
f [Hz]
2000
3000
4000
5000
1200
1600
0.1
0
400
800
f [Hz]
0.4
0.8
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
4
0.2
1600
WAŁ
0.8
3
0
0
1.2
1.2
2
0.3
f [Hz]
0
1000
0.4
1600
Ahu
[V]
WAŁ
0.8
Ahu
[V]
1200
1.6
1.2
1
t [s]
0.8
f [Hz]
2
WAŁ
800
0
0.4
0
0
1.6
-6
3
WAŁ
[V]
1.2
0
1200
2
Ahu
0.4
0
1
WAŁ
0.8
800
0
1.2
Ahu
[V]
WAŁ
1.2
Ahu
[V]
WAŁ
Ahu
1.6
0
-2
t [s]
1.6
0
Ahu
-12
3
2
-4
t [s]
2
400
-4
-8
t [s]
0
0
[V]
2
4
4
WAŁ
1
6
8
-8
0
d)
12
Ahu
uWAŁ [V]
8
4
-12
c)
12
8
uWAŁ [V]
b)
12
uWAŁ [V]
a)
0
0
1000
f [Hz]
2000
3000
4000
5000
0
f [Hz]
1000
2000
3000
4000
5000
f [Hz]
Rys. 16. Przebieg napięcia wałowego oraz jego transformata Fouriera dla stanu ustalonego dla
silników typu: a) 2SG3W 760Y-4A, 580/630 kW, 3300 V, 48/38, b) SG3W 760Y-4,
500 kW, 3300 V, 48/38, c) dSKgw 500Y4, 500 kW, 3300 V, 48/38, d) 3SG4W 562Y-4A,
350 kW, 3300 V, 48/34
Fig. 16. Waveform of shaft voltage and its Fourier transform for steady state for the motors of
following types: a) 2SG3W 760Y-4A, 580/630 kW, 3300 V, 48/38, b) SG3W 760Y-4,
500 kW, 3300 V, 48/38, c) dSKgw 500Y4, 500 kW, 3300 V, 48/38, d) 3SG4W 562Y-4A,
350 kW, 3300 V, 48/34
a)
b)
3
2
2
uWAŁ [V]
uWAŁ [V]
4
0
-2
1
0
-1
-2
-4
-3
0
1
2
3
4
0
1
t [s]
[V]
0.1
1200
1600
0.2
0.1
0
0
400
800
1200
1600
0
400
f [Hz]
800
f [Hz]
0.3
[V]
0.4
0.3
0.2
WAŁ
0.2
Ah u
[V]
4
WAŁ
0.2
0
WAŁ
3
0.3
0.3
Ahu
Ahu
WAŁ
[V]
0.4
Ah u
2
t [s]
0.1
0
0.1
0
0
1000
2000
3000
f [Hz]
4000
5000
0
1000
2000
3000
4000
5000
f [Hz]
Rys. 17. Przebieg napięcia wałowego oraz jego transformata Fouriera dla stanu ustalonego dla
silników typu: a) 3SG4W 562L-4, 300 kW, 1000 V, 48/34, b) 3SG4W 562L-4A, 350 kW,
1000 V, 48/34
Fig. 17. Waveform of shaft voltage and its Fourier transform for steady state for the following motors:
a) 3SG4W 562L-4, 300 kW, 1000 V, 48/34, b) 3SG4W 562L-4A, 350 kW, 1000 V, 48/34
102
P. Zientek, R. Niestrój
a)
b)
4
uWAŁ [V]
uWAŁ [V]
2
5
0
-2
2.5
0
-2.5
-4
-5
0
1
2
3
4
0
1
2
t [s]
[V]
WAŁ
0.3
0.2
0.1
0.1
400
800
1200
1600
0
400
f [Hz]
[V]
WAŁ
0.3
0.2
Ahu
[V]
WAŁ
Ah u
0.4
0.4
0.1
0.3
0.2
0.1
0
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
0
1000
f [Hz]
3000
4000
5000
1.6
2
8
4
uWAŁ [V]
uWAŁ [V]
2000
f [Hz]
d)
8
0
-4
-8
4
0
-4
-8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0
1
0.4
0.8
1.2
t [s]
t [s]
0.8
[V]
0.6
WAŁ
0.4
A hu
WAŁ
[V]
800
f [Hz]
0.5
A hu
1600
0.2
0
0
0.2
0.6
0.4
0.2
0
0
0
400
800
1200
0
1600
400
800
1200
1600
f [Hz]
f [Hz]
0.8
[V]
0.6
WAŁ
0.4
Ah u
WAŁ
[V]
1200
0.3
0
Ah u
4
0.4
0.4
A hu
Ahu
WAŁ
[V]
0.5
c)
3
t [s]
0.2
0.6
0.4
0.2
0
0
0
1000
2000
3000
f [Hz]
4000
5000
0
1000
2000
3000
4000
5000
f [Hz]
Rys. 18. Przebieg napięcia wałowego oraz jego transformata Fouriera w stanie ustalonym dla silników typu: a) 2SGR 315M4, 200 kW, 1000 V, 48/38, b) dSKgwb 314M4, 200 kW, 1000 V,
48/38, c) SG7 355L4, 250 kW, 1000 V, 48/38, d) dSKgw 315L-4, 300 kW, 1000 V, 48/38
Fig. 18. Waveform of shaft voltage and its Fourier transform for steady state for the motors of following types: a) 2SGR 315M4, 200 kW, 1000 V, 48/38, b) dSKgwb 314M4, 200 kW, 1000 V,
48/38, c) SG7 355L4, 250 kW, 1000 V, 48/38, d) dSKgw 315L-4, 300 kW, 1000 V, 48/38
Analizując wyniki uzyskane podczas badań, zauwaŜono równieŜ, Ŝe w silnikach indukcyjnych mających 34 Ŝłobki w wirniku zanika harmoniczna 4800 Hz (rys. 16d, 17).
Napięcia wałowe w silnikach…
103
Pomiary napięć wałowych dla danego typu silników powtórzono co najmniej
czterokrotnie dla róŜnych egzemplarzy silników.
Porównując transformaty napięcia wałowego z transformatami napięcia i prądu
fazowego, moŜna zauwaŜyć, Ŝe pojawiają się w nich prąŜki o znaczących amplitudach i tych
samych częstotliwościach: 50, 150, 250, 900, 1200 Hz.
Tabela 3
Wartość napięcia wałowego (p-p) podczas rozruchu
i w stanie ustalonym
Pn
Un
UWAŁ
rozruch
UWAŁ
st.ustalony
kW
V
V
V
2SGR 315M4
200
1000
6,4
2,02
dSKgwb 314M4
200
1000
8,3
2,27
SG7 355L-4
250
1000
12,9
2,35
dSKgw 315L-4
300
1000
15,3
4,06
3SG4W 562L-4
300
1000
6,10
1,60
3SG4W 562L-4A
350
1000
4,85
1,25
2SG3W 760Y-4A
580/630
3300
19,1
4,64
dSKgw 500Y4
500
3300
18,7
4,46
SG3W 760Y-4
500
3300
18,8
4,64
3SG4W 562Y-4A
350
3300
9,52
1,44
Typ
Podobieństwo uzyskanych widm harmonicznych pozwala stwierdzić, Ŝe harmoniczne
występujące w prądzie fazowym stojana „przenoszą się” do obwodu, w którym indukuje się
siła elektromotoryczna, powodująca przepływ prądu wałowego. Przyczyną powstawania tych
harmonicznych jest interakcja rozkładu czasowo-przestrzennego siły magnetomotorycznej
w szczelinie powietrznej i lokalnych zmian permeancji szczeliny powietrznej, spowodowanych uŜłobkowaniem stojana i wirnika, nasyceniami zębów i fragmentów rdzenia oraz
ekscentrycznością statyczną i dynamiczną wirnika. Harmoniczne siły magnetomotorycznej
oddziałują ze składową stałą i harmonicznymi rozkładu permeancji szczeliny, generując rozkład przestrzenno-czasowy indukcji magnetycznej, która indukuje w prętach wirnika siłę
elektromotoryczną, wymuszającą przepływ prądów w klatce wirnika. W ten sposób powstaje
nowa siła magnetomotoryczna, która oddziałuje ze składową stałą i harmonicznymi rozkładu
permeancji szczeliny, generując nowy zestaw harmonicznych indukcji magnetycznej. Wypadkowy rozkład przestrzenno-czasowy indukcji w szczelinie zawiera w efekcie bardzo wiele
harmonicznych o róŜnych amplitudach i częstotliwościach. Te harmoniczne indukują harmo-
104
P. Zientek, R. Niestrój
niczne siły elektromotorycznej w uzwojeniach stojana, i tym samym wpływają na widmo harmonicznych prądu stojana. Zagadnienie powstawania harmonicznych w prądach stojana
silnika indukcyjnego opisano w literaturze, między innymi w [5], gdzie podano takŜe metodę
wyznaczania częstotliwości tych harmonicznych, równieŜ przy uwzględnieniu zjawiska
aliasingu przestrzennego. W obliczonych transformatach Fouriera występują harmoniczne
Ŝłobkowe o częstotliwościach 900 Hz (związane z liczbą Ŝłobków wirnika) i 1200 Hz (związane z liczbą Ŝłobków stojana). Harmoniczna o częstotliwości 150 Hz powstaje w efekcie
nasycania się zębów stojana i wirnika.
Tabela 4
Amplitudy harmonicznych napięcia wałowego
Typ
50
150
Hz
Hz
250
900
1200
Hz
Hz
Hz
h
uWAŁ
A
V
2SGR 315M4
0,06
0,08
0,23
0,40
0,32
dSKgwb 314M4
0,15
0,25
0,13
0,40
0,32
SG7 355L-4
0,14
0,05
0,35
0,54
0,43
dSKgw 315L-4
0,48
0,66
0,15
0,50
0,23
3SG4W 562L-4
0,09
0,32
0,23
0,03
0,05
3SG4W 562L-4A
0,10
0,29
0,06
0,02
0,02
2SG3W 760Y-4A
0,12
0,25
0,08
0,18
1,60
dSKgw 500Y4
0,29
0,48
0,16
1,18
0,70
SG3W 760Y-4
0,15
0,28
0,13
1,30
0,85
3SG4W 562Y-4A
0,10
0,32
0,12
0,02
0,23
Przedstawione widma harmonicznych prądów i napięć uzyskano za pomocą transformacji
Fouriera wykonanej dla zarejestrowanych fragmentów przebiegów w stanie ustalonym.
W celu uzyskania odpowiedniej rozdzielczości osi częstotliwości transformatę obliczono
z szesnastu tysięcy próbek przebiegu. Aby wyeliminować szumy z wyników końcowych,
zastosowano uśrednianie wielu transformat Fouriera, uzyskanych metodą nakładania okien
czasowych w obrębie zarejestrowanego fragmentu przebiegu. Wszystkie obliczenia
przeprowadzono za pomocą programu opracowanego w środowisku Matlab.
Napięcia wałowe w silnikach…
105
7. WNIOSKI
Podsumowując wyniki przeprowadzonych badań oraz opisane informacje literaturowe
moŜna stwierdzić, Ŝe zaobserwowane i przedstawione w rozdziale 2 uszkodzenia łoŜysk
zostały spowodowane przepływem prądów przez łoŜyska. Źródłem tych prądów jest
indukowana wzdłuŜ wału maszyny siła elektromotoryczna zwana napięciem wałowym.
Wartość napięcia jest szczególnie duŜa w stanach dynamicznych silnika, głównie podczas
rozruchu, po bezpośrednim załączeniu napięcia. Wartości zmierzonych napięć podczas
rozruchu znacznie przekraczają wartości dopuszczalne podawane w literaturze. Po
przekroczeniu napięcia przebicia filmu olejowego prąd łoŜyskowy silnie wzrasta, a okres
pracy łoŜyska bardzo się skraca. Istotne jest więc badanie przebiegów napięć i prądów
wałowych w stanach nieustalonych ze względu na ich wartości wielokrotnie wyŜsze niŜ
w stanach ustalonych.
Podczas badań stwierdzono, Ŝe:
- występujące duŜe wartości prądów łoŜyskowych w początkowej chwili rozruchu silnika,
przy zerowej prędkości obrotowej silnika, powodują powstawanie bardzo nieregularnych
-
-
rozległych wŜerów na bieŜniach pierścieni łoŜysk,
występujące regularne wgniecenia (prąŜki) na bieŜniach pierścieni łoŜysk tocznych są
wynikiem docisku toczących się po nich elementów tocznych, a działanie prądów
łoŜyskowych znacząco przyspiesza ich powstawanie, na skutek zmiany struktury
materiału pierścieni pod działaniem prądów łoŜyskowych,
powstające zygzakowate przypalenia na bieŜniach i elementach tocznych są wynikiem
występujących wyładowań w łoŜysku pomiędzy bieŜnią a elementami tocznymi na skutek
przebicia filmu olejowego.
W przypadku zasilania silnika napięciem niesymetrycznym występują bardzo małe
zmiany napięcia wałowego w stosunku do zasilania znamionowego. Większe zmiany
w napięciu wałowym występują w przypadku zasilania 2-fazowego.
W silnikach indukcyjnych typu 3SG4W 562L-4 oraz 3SG4W 562L-4A, w których
zastosowano 34 Ŝłobki w wirniku, zauwaŜono znaczne zmniejszenie się wartości napięcia
wałowego podczas rozruchu i w stanie ustalonym w porównaniu z badanymi silnikami innego
typu, ale podobnej mocy. Znacznej redukcji uległy harmoniczne Ŝłobkowe 900 i 1200 Hz.
Dodatkowo w silnikach tych zanika harmoniczna 4800 Hz.
Największe wartości napięcia wałowego zarówno podczas rozruchu, jak i w stanie
ustalonym mają silniki indukcyjne o napięciu znamionowym 3300 V i mocy 500 kW oraz
silnik typu dSKgw 315L-4 o napięciu zasilania 1000 V i mocy 300 kW.
106
P. Zientek, R. Niestrój
BIBLIOGRAFIA
1. Drak B., Zientek P., Niestrój R., Kwak J.: Uszkodzenia łoŜysk w silnikach indukcyjnych
uŜytych w organach urabiających kombajnów górniczych. Zeszyty Problemowe-Maszyny
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Elektryczne, nr. 75/2006, s. 137-146.
Donner G., Oakes B.K., Evon S.T.: Motor Primer – Part III. IEEE Trans On Ind. Appl.,
Vol. 39, No. 5, September/October 2003, p. 1467-1474.
Drak B., Zientek P., Niestrój R., Kwak J.: Napięcia i prądy wałowe w silnikach
indukcyjnych duŜej mocy uŜytych w organach urabiających kombajnów górniczych.
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007, s. 55-62.
Gambica/Rema Technical Guide: Motor Shaft Voltages and Bearing Currents under PWM
Inverter Operation. Technical Report No. 2 First Edition, 2002.
Guldemir H., Bradley K.J.: An improved approach to the prediction of line current
spectrum in induction machines. Electrical Engineering 2003, p. 17-23.
Kerszenbaum I.: Shaft currents in electric machines fed by solid-state drives. IEEE
Conference Record of the Industrial and Commercial Power Systems Technical
Conference, 1992. Conference Record, Papers Presented at the 1992 Annual Meeting, 4-7
May 1992, p. 71-79.
Matras A., Rams W.: Damages of Bearings of Induction Motor from its Bearing Currents.
48 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Tech. Universitat Ilmenau, 22-25 Sept.
2003.
Zientek P., Niestrój R., Białoń T.: Napięcia wałowe i prądy łoŜyskowe w silnikach indukcyjnych duŜej mocy - badania laboratoryjne. Kwartalnik "Elektryka" 207, z.3 (203), s. 99112.
Recenzent: Dr hab. inŜ. Sławomir Szymaniec, prof. Pol. Opolskiej
Wpłynęło do Redakcji dnia 15 kwietnia 2010 r.
Abstract
The paper presents results of researches aimed at bearing faults detection in the high
power induction motors. In the chapter 1 is shown a short characteristic of the motors being
the object of researches. Motors used for investigations are intended for drive of the mining
organs of heading machines. In the range of rated powers from 200 kW to 300 kW motors are
made for rated voltages of 1000 V, in the power range from 300 kW to 350 kW for rated
voltages 1000 V and 3300 V, whereas above rated power of 350 kW motors are made only for
rated voltage of 3300 V. In the chapter 2, on the figures from 1 to 9 are shown different kinds
of bearing damages arising in considered motors. Shown bearing damages having the form of
regular dents (strips) on the bearing tracks are caused by the pressure of rolling elements
Napięcia wałowe w silnikach…
107
rolling on them. The action of bearing currents hastens their formation significantly, as a
result of change of structure of ring material caused by bearing currents. In charter 3 are
presented the causes of shaft voltages and bearing currents forming. The figure 10 shows the
graphical presentation of the bearing currents forming issue. In the chapter 4 is presented
description of laboratory stand. The figure 12 presents diagram of measuring system. The
index of the motors being an object of investigations is presented as well. In the chapter 5 is
presented influence of supply voltage unbalance on the value of shaft voltages.
Measurements results are shown in the figures 13 and 14 and in the tables 1 and 2 as well.
Fourier transforms where calculated for recorded steady-state transients and results are shown
in the figure 14. Basing on the Fourier transform analysis, it was found that the peaks
corresponding to frequencies 50, 150, 250 and 900 Hz have the greatest magnitudes. In the
chapter 6 in the figures 16, 17 and 18 are shown transients and Fourier transforms of shaft
voltages for different types of induction motors operating at symmetrical feeding. Comparing
transforms of the shaft voltage with the transforms of phase current and voltage, it was found
that occurred in them the peaks of significant magnitudes and the same frequencies: 50, 150,
250, 900, 1200 Hz. Conclusions drawn from laboratory researches are presented in chapter 7.