Stroomdoorgang in kogellagers
Het verschijnsel heeft te maken met asymmetrie in het magnetisch veld in de elektromotor.
In theorie is in een elektrische 3 fase machine het magnetisch veld symmetrisch maar in de praktijk is dat niet zo. Door fabricage procedures of beperkingen of door bewuste keuzes van de ontwerper kan er asymmetrie in het magnetische circuit ontstaan.
Door deze asymmetrie wordt er op de uiteinden van de rotor een wisselspanning geïnduceerd. Vrijwel elke elektrische machine heeft een asspanning (variërend van 10 mV – 1 V).
Deze asspanning is doorgaans geen enkel probleem voor de goede werking van een elektrische machine.
Indien een asstroom ongeveer 100 mA of meer is dan is vervroegde lager schade onvermijdelijk.
Een oplossing om ervoor te zorgen dat optredende destructieve asstromen niet door de lagers gaan was deze stroom weg te lijden om de lagers heen d.m.v. het installeren van een aardingsborstels die parallel over het lagers gemonteerd werden (zie figuur 1).
Hierdoor werd de stroom niet gestopt, maar de borstel leidde de stroom van het lager weg. Hoe lager de overgangsweerstand tussen de koolborstel en de motor as, vergeleken met de inwendige weerstand van het lager, des te meer stroom word weggeleid van het lager. De levensduur van de lagers wordt hierdoor aanzienlijk verlengd, maar het probleem is daarmee nog niet opgelost.
Figuur 1: Aardingsborstel
Een bijkomend probleem bij de aardingsborstel is dat als de as vuil, vet of gecorrodeerd is de overgangsweerstand tussen de borstels en de as toeneemt. Hierdoor gaat er weer meer stroom door de lagers heen lopen met ongewenste inwendige lager schade tot gevolg.
Om de asstromen aan te tonen en er geen praktische manier bestaat om deze asstromen te meten, meten we in plaats daarvan de hoogte van de asspanning naar aarde (massa).
Een vuistregel van veel fabrikanten was 100 mV voor kogellagers en 200 mV voor glijlagers.
(NEMA MG-1 deel 31.4.4.3 stelt een grens voor van 300 mV, aan de as gemeten van het ene uiteinde tot het andere.)
Een meer recente oplossing om de vaak destructieve asstroom tegen te gaan is het onderbreken van de aanwezige stroomkring net zoals het uitzetten van een lichtschakelaar die stroomkring door een gloeilamp onderbreekt.
Praktisch gezien kon dit toegepast worden door het isoleren van beide lagers (soms ook alleen maar het lager aan de niet-aandrijf-zijde, is kleinste lager, dus goedkoper). Hiervoor wordt er een dunne laag materiaal van de buitenring van het lager verwijderd en hiervoor in de plaats wordt een net zo dikke laag keramisch (isolerend) materiaal aangebracht, zoals weergegeven in figuur 2.
Ook hiermee wordt de levensduur van de lagers weer extra verlengd, maar het probleem is ook hiermee nog niet geheel opgelost.
Figuur 2: Geïsoleerd lager
Aandrijvingen met Frequentie Omvormer (variabele frequentie)
En toen kwam de aandrijving met variabele frequentie voor betere toeren regeling en energie besparing waardoor asstromen een nog groter probleem werden. Tevens bleek dat langere voedingskabels het probleem erger maakten, evenals slechte aardverbindingen. Hogere schakelfrequenties (20 kHz) in de nieuwere F.O.’s veroorzaakten meer lager problemen dan de langzamer schakelende (5 kHz) oudere F.O.’s.
Door de hoge frequentie van asspanningen (2 kHz – 10 kHz) werken hier de smeer- of oliefilm in het lager niet meer als isolerende weerstand maar als geleidende condensator. Er kunnen hoogfrequente as stromen gaan circuleren met lager schade tot gevolg (doorgaans na 1000 – 10.000 draaiuren).
Het toerental speelt hier nog wel een rol. Hoe hoger het toerental des te dikker de smeerfilm in het lager en daardoor des te hoger de capaciteit. Hierdoor kan er een hogere capacitieve oplaadspanning ontstaan en indien ontlading plaats vindt, ontstaat er een grotere beschadiging in het lager.
Werking F.O.
De F.O. werkt door wisselstroom gelijk te richten tot gelijkstroom en de gelijkstroom daarna af te kappen in positieve en negatieve impulsen (blokgolven) teneinde een sinusvormige wisselstroom te simuleren. Variëren van de breedte van deze blokgolven (gelijkstroomimpulsen) simuleert een variabele sinusvormige wisselstroom en verandert de frequentie van de voedingsspanning, waardoor het motortoerental veranderd. Een gevolg van deze omzetting is dat er een common-mode-spanning (lijnspanning) ontstaat in de rotor van de elektromotor. Bij een draaistroommotor die gevoed wordt door een zuivere sinusvorm is de common-modespanning altijd nul. Maar met de F.O. bestaat dat evenwicht niet langer. Asstromen als gevolg door common-mode-spanningen werden niet alleen een probleem bij grote motoren maar nu zelfs voor motoren die veel kleiner waren dan waarbij voorheen de problemen niet voorkwamen.
Bijkomende problemen
Aangezien de stroom door de lagers niet alleen een circulerende gelijkstroom is maar door de aanwezige spiekspanningen is er ook een wisselstroom component aanwezig. Het isoleren van één of twee lagers is dus geen remedie meer om het probleem van een circulerende stroom tegen te gaan. Als beide lagers worden geïsoleerd, werkt de isolatie als een condensator. Er kan daardoor een gelijkspanning opgebouwd worden, mogelijk tot gevaarlijke hoogten, totdat de ‘condensator’ zich via de isolatie ontlaadt. Daar komt bij dat deze capacitieve koppeling voor de wisselstroom component juist een ideale geleider is en wisselspanning wordt zonder probleem doorgelaten (zie figuur 3).
Hoe hoger de schakelfrequentie van de F.O.-aandrijving des te waarschijnlijker zal er schade aan lagers ontstaan door asstromen. Gemeenschappelijke aarding van de motor en de F.O. is cruciaal. Zelfs als een motor en de F.O. elk volgens elektrotechnische normen afzonderlijk worden geaard dan is het toch mogelijk dat er een potentiaal verschil van ca. 30 Volt gemeten kan worden tussen de twee verbindingen met aarde. De oplossing is het gebruik van een EMC voedingskabel. Hierbij ontstaat er een gemeenschappelijke aarde van de motor naar de F.O. Gebruikt voor de aarding van de motor en F.O. afzonderlijk geslagen (platte) aardingskabel; het huideffect is hier een factor (hoogfrequente stroom verplaatst zich over het oppervlak van de geleider). Geslagen kabel heeft meer oppervlaktegebied dan een massieve geleider.
Figuur 3: Condensator werking van smeerfilm
Conclusie
Het is duidelijk dat er twee mechanismen zijn die lagers d.m.v. asspanningen kunnen beschadigen: de circulerende stroom die kan worden onderbroken door een lager te isoleren, en capacitieve koppeling waarbij isolatie van beide lagers een rol speelt in combinatie met het gebruik van een aardingsborstel. Tevens is het belangrijk voor een gemeenschappelijke aarde te zorgen tussen de motor en de F.O.
Er bestaat geen ideale combinatie van elektromotor-merk en F.O.-merk voor minimale schade aan de lagers door stroomdoorgang. Omdat er een grote spreiding is aan isolatie systemen kan het gebeuren dat bij het ene motor-merk wel vervroegde lager schade optreedt en bij een andere identieke motor van een ander merk niet, of veel later schade optreedt. Pas in ieder geval altijd minimaal een sinus filter toe.
Het toepassen van geïsoleerde lager met eventueel een aardingsborstel is niet meer dan symptoom bestrijding. De oorzaak van dit alles is de Frequentie Omvormer en daar moet ook als eerste het symptoom bestreden worden.
De oplossing hiervoor is het gebruik van een common mode filter (choke). Dit bestaat uit een ferrietkern (ring) van een hoog magnetisch materiaal waardoor de drie fasen (zonder massa kabel !) worden gevoerd van de voedingskabel tussen de elektromotor en de F.O. (zo dicht mogelijk bij de F.O. monteren !). Indien de 3 fase stromen gelijk zijn (symmetrisch, dus resultante is nul) dan wordt er geen magnetisch veld opgewekt in de ferrietkern. Indien er een verschil is tussen de 3 fase-stromen of als er een lekstroom naar aarde vloeit is er geen symmetrie en wordt er een magnetisch veld in de ferrietkern opgewekt die het verschil tegenwerkt/dempt.
Er worden gelijktijdig ook differential mode filters toegepast (extra filter ring gemonteerd om iedere fasekabel apart) die indien de stroom in een fase kabel te veel varieert dempt.
Figuur 4: Filters Chokes
Naar mate het motor vermogen toeneemt neemt ook de common mode stroom toe en daarmee ook de kans op lager schade. Doorgaans werden common mode- en differential mode filters bij grote vermogens (> 500 kW) standaard toe. Echter door het steeds sneller schakelen van de nieuwste F.O. ’s waardoor ook weer de common mode stroom toeneemt moet wel de kW-grens naar beneden worden bijgesteld (bv. 100 kW). Advies hier is: bezuinig niet op een common mode- en differential mode filters bij F.O. aangestuurd elektromotoren.
Figuur 5: Typen asstromen
Bron vermelding: EASA Currents , ABB motor bearings en UNETO-VNI Technotes.
Voor zover mogelijk is geprobeerd voor de gebruikte onderwerpen en afbeeldingen de betreffende bron te achterhalen.