Jak przewody ekranowane mogą zredukować szkodliwe prądy łożyskowe?
Podczas eksploatacji silników elektrycznych z przetwornicami częstotliwości często występują niepożądane prądy łożyskowe, które mogą znacząco wpłynąć na żywotność łożysk tocznych. Naukowcy z TU Darmstadt zbadali te prądy łożyskowe – i odkryli, że w niektórych przypadkach można je zmniejszyć za pomocą ekranowanych przewodów zasilających silnik.
Prądy łożyskowe to niepożądane prądy, które występują podczas pracy silników elektrycznych. Przepływają przez łożyska wałeczkowe, które łączą ruchomy wirnik ze stałym stojanem silnika. Prądy łożyskowe występują głównie w napędach, w których prędkość jest zmieniana za pomocą przetwornicy częstotliwości i mogą powodować znaczne uszkodzenia łożysk. Szczególnie w przypadkach, w których koncepcja uziemienia jest niewłaściwa, mogą wystąpić prądy łożyskowe o dużej gęstości prądu, które topią, a nawet parują metal w pierścieniu łożyska. Efektem tego są kratery i tzw. żłobienia w łożysku wałeczkowym, które stają się zauważalne wraz ze zwiększonymi wibracjami i jeszcze szybszym zużyciem. W rezultacie łożysko często ulega awarii już po kilku miesiącach od montażu.
Istnieją cztery rodzaje prądów łożyskowych, z których na każdy mają wpływ różne czynniki i mają różny stopień oddziaływania:
- Pojemnościowe prądy łożyskowe są spowodowane zmianą napięcia na łożysku i kompensacją przepływających prądów. Są one zazwyczaj zbyt małe, aby były szkodliwe.
- Prądy rozładowania łożysk (EDM) to impulsowe prądy rozładowania. Mogą wystąpić, jeśli napięcie w łożysku wzrasta w warstwie smarnej, aż do jej elektrycznego pęknięcia.
- Prądy w łożyskach kołowych to prądy kołowe w maszynie elektrycznej. Jest to spowodowane strumieniem pierścienia magnetycznego o wysokiej częstotliwości wokół wału, który indukuje napięcie wzdłuż wału.
- Prądy między wirnikiem a ziemią mogą wystąpić, gdy wirnik napędu elektrycznego jest dodatkowo uziemiony przez przekładnię lub inne urządzenie, a jego impedancja uziemienia jest mniejsza niż stojana. Prąd płynie proporcjonalnie z obudowy silnika przez łożyska do wału i przez uziemienie wirnika.
Jednak poprzez odpowiednie zaprojektowanie łożyska, użycie łożysk hybrydowych lub ceramicznych, a także szczotek, filtrów i pierścieni uziemiających, inżynierowie projektanci mają pewne możliwości zmniejszenia i uniknięcia tych niepożądanych prądów.
Rys. 2: Prądy łożyskowe powodują powstawanie kraterów i tzw. żłobień w łożysku wałeczkowym, które stają się zauważalne wraz ze zwiększonymi wibracjami i jeszcze szybszym zużyciem.
Ekranowanie robi różnicę
Decydującym kryterium jest wybór odpowiedniego przewodu silnikowego – tak wynika z badania Instytutu Konwersji Energii Elektrycznej Politechniki w Darmstadt, przeprowadzonego przy współpracy z HELUKABEL. Naukowcy porównali występujące prądy łożyskowe dla przewodów z ekranowaniem i bez ekranowania w kilku konfiguracjach testowych. W trakcie tego procesu odkryli, że w szczególności prądy między wirnikiem a ziemią można znacznie zmniejszyć, stosując przewody ekranowane.
Przewody ekranowane to prosta i skuteczna metoda ochrony łożysk tocznych przed przedwczesnym zużyciem i awarią. Dodatkowa zaleta: ich ekranowanie zapobiega również niepożądanemu promieniowaniu elektrycznemu na inne urządzenia, a tym samym przyczynia się do kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) całego systemu.
W swoich testach zespół z TU Darmstadt zastosował przewody silnikowe HELUKABEL typu TOPFLEX-EMV-UV-3 PLUS 2YSLCYK-J. Ten podwójnie ekranowany przewód jest przeznaczony do wolnej od zakłóceń pracy przemienników częstotliwości. Ponadto jest odporny na promieniowanie UV i warunki atmosferyczne, dzięki czemu nadaje się do użytku na zewnątrz. HELUKABEL oferuje swoją serię TOPFLEX w wielu wersjach zgodnie z różnymi wymaganiami – i posiada szeroką gamę przewodów serwo dla przemysłu i inżynierii mechanicznej.
Rys. 3: W badaniu naukowcy z TU Darmstadt porównali prądy łożyskowe dla typów kabli z ekranowaniem i bez ekranowania w kilku konfiguracjach testowych.
