Elektromotoren spelen een cruciale rol in ons dagelijks leven - waar we wonen, werken en spelen.Simpel gezegd, ze laten bijna alles wat beweegt, bewegen.Bijna 70 procent van de door de industrie verbruikte elektriciteit wordt gebruikt door elektrische motorsystemen

Ongeveer 75 procent van de industriële motoren die in bedrijf zijn, wordt gebruikt om pompen, ventilatoren en compressoren aan te drijven, een categorie machines die zeer gevoelig is voor grote efficiëntieverbeteringen2.Deze toepassingen werken vaak met constante snelheid, de hele tijd, zelfs als ze niet nodig zijn.Deze constante werking verspilt energie en veroorzaakt onnodige CO2-uitstoot, maar door de snelheid van een motor te regelen, kunnen we het energieverbruik verminderen, energie besparen en de impact op het milieu verminderen.

Een manier om de snelheid van een motor te regelen, is door het gebruik van een aandrijving met variabele snelheid (VSD), een apparaat dat de rotatiesnelheid van een elektromotor regelt door de frequentie en het voltage dat aan de motor wordt geleverd te variëren.Door het toerental van een motor te regelen, kan een omvormer het stroomverbruik verminderen (bijvoorbeeld door de snelheid van de roterende apparatuur met 20 procent te verlagen, kan het benodigde ingangsvermogen met ongeveer 50 procent worden verlaagd3) en een aanzienlijke verbetering van de procesregeling en aanzienlijke besparingen op de bedrijfskosten gedurende de levensduur opleveren van de moZo nuttig als VSD's zijn om energie te besparen in veel toepassingen, kunnen ze voortijdige motorstoringen veroorzaken als ze niet goed geaard zijn.Hoewel er veel verschillende oorzaken zijn voor storingen van elektromotoren, is het meest voorkomende probleem bij het gebruik van een omvormer lagerstoring veroorzaakt door common-mode-spanning.

Schade veroorzaakt door common-mode spanning

In een driefasig wisselstroomsysteem kan common-mode-spanning worden gedefinieerd als de onbalans die aanwezig is tussen de drie fasen die wordt gecreëerd door het pulsbreedte-gemoduleerde vermogen van de omvormer, of het spanningsverschil tussen de aarde van de voedingsbron en het neutrale punt van de drie- fase belasting.Deze fluctuerende common-mode-spanning induceert elektrostatisch spanning op de motoras, en deze asspanning kan zich ontladen door de wikkelingen of door de lagers.Moderne technische ontwerpen, fase-isolatie en spike-resistente draad van de omvormer kunnen de wikkelingen helpen beschermen;wanneer de rotor echter een opeenhoping van spanningspieken ziet, zoekt de stroom de weg van de minste weerstand naar aarde.Bij een elektromotor loopt dit pad direct door de lagers.

Omdat motorlagers vet gebruiken voor smering, vormt de olie in het vet een film die werkt als een diëlektricum, wat betekent dat het de elektrische krachten kan overbrengen zonder geleiding.Na verloop van tijd breekt dit diëlektricum echter af.Zonder de isolerende eigenschappen van het vet, zal de asspanning ontladen door de lagers en vervolgens door de motorbehuizing om elektrische aarding te bereiken.Deze beweging van elektrische stroom veroorzaakt boogvorming in de lagers, gewoonlijk aangeduid als elektrische ontladingsbewerking (EDM).Aangezien deze voortdurende boogvorming in de loop van de tijd optreedt, worden de oppervlakken in de lagerring broos en kunnen kleine stukjes metaal in het lager afbreken.Uiteindelijk baant het beschadigde materiaal zich een weg tussen de kogels en loopringen van het lager, waardoor een slijpend effect ontstaat, wat kan leiden tot putjes ter grootte van een micron, frosting genaamd, of wasbordachtige ribbels in de lagerloopbaan, die fluting worden genoemd.

Sommige motoren kunnen blijven draaien naarmate de schade steeds erger wordt, zonder merkbare problemen.Het eerste teken van lagerschade is meestal een hoorbaar geluid, doordat de lagerkogels over putjes en berijpte delen bewegen.Maar tegen de tijd dat dit geluid optreedt, is de schade meestal zo groot geworden dat een storing dreigt.

Gebaseerd op preventie

Industriële toepassingen ondervinden deze lagerproblemen doorgaans niet bij motoren met variabele snelheid, maar in sommige installaties, zoals commerciële gebouwen en bagageafhandeling op luchthavens, is een robuuste aarding niet altijd beschikbaar.In deze gevallen moet een andere methode worden gebruikt om deze stroom weg te leiden van de lagers.De meest gebruikelijke oplossing is om een ​​asaardingsapparaat aan één uiteinde van de motoras toe te voegen, vooral in toepassingen waar common-mode-spanning vaker voorkomt.Een asaarde is in wezen een middel om de draaiende rotor van de motor via het frame van de motor met de aarde te verbinden.Het toevoegen van een asaardingsapparaat aan de motor voorafgaand aan installatie (of het kopen van een motor met een vooraf geïnstalleerde motor) kan een kleine prijs zijn in vergelijking met het prijskaartje van onderhoudskosten die gepaard gaan met het vervangen van lagers, om nog maar te zwijgen van de hoge kosten van stilstand in een faciliteit.

Er zijn tegenwoordig verschillende veelvoorkomende soorten asaardingsapparaten in de industrie, zoals koolborstels, ringvormige vezelborstels en aardingslagerisolatoren, en er zijn ook andere methoden beschikbaar om de lagers te beschermen.

Koolborstels worden al meer dan 100 jaar gebruikt en zijn vergelijkbaar met de koolborstels die worden gebruikt op DC-motorcommutators.Aardingsborstels zorgen voor de elektrische verbinding tussen de roterende en stationaire delen van het elektrische circuit van de motor en nemen de stroom van de rotor naar aarde, zodat de lading zich niet op de rotor ophoopt tot het punt waar deze via de lagers wordt ontladen.Aardingsborstels bieden een praktisch en economisch middel om een ​​pad met lage impedantie naar aarde te bieden, vooral voor motoren met een groter frame;ze zijn echter niet zonder hun nadelen.Net als bij gelijkstroommotoren zijn de borstels onderhevig aan slijtage vanwege het mechanische contact met de as, en ongeacht het ontwerp van de borstelhouder, moet het geheel periodiek worden geïnspecteerd om een ​​goed contact tussen de borstels en de as te verzekeren.

Asaardingsringen werken als een koolborstel, maar ze bevatten meerdere strengen elektrisch geleidende vezels die in een ring rond de as zijn gerangschikt.De buitenkant van de ring, die meestal op de eindplaat van de motor is gemonteerd, blijft stationair, terwijl de borstels op het oppervlak van de motoras rijden, waardoor de stroom door de borstels en veilig naar de grond wordt geleid.As-aardingsringen kunnen in de motor worden gemonteerd, zodat ze kunnen worden gebruikt op washdown- en vuile-duty-motoren.Geen enkele asaardingsmethode is echter perfect, en extern gemonteerde aardingsringen hebben de neiging om verontreinigingen op hun borstelharen te verzamelen, wat hun effectiviteit kan verminderen.

Geaarde lagerisolatoren combineren twee technologieën: een tweedelig, contactloos isolatiescherm dat een labyrintontwerp gebruikt om het binnendringen van verontreinigingen te voorkomen en een metalen rotor en geïsoleerde geleidende filamentring om asstromen weg te leiden van de lagers.Omdat deze apparaten ook smeermiddelverlies en vervuiling voorkomen, vervangen ze standaard lagerafdichtingen en traditionele lagerisolatoren.

Een andere manier om stroomafvoer door de lagers te voorkomen, is door de lagers te vervaardigen uit een niet-geleidend materiaal.In keramische lagers beschermen keramisch gecoate kogels de lagers door te voorkomen dat asstroom door de lagers naar de motor vloeit.Omdat er geen elektrische stroom door de motorlagers vloeit, is er weinig kans op stroomgeïnduceerde slijtage;de stroom zal echter een pad naar aarde zoeken, wat betekent dat het door aangesloten apparatuur zal gaan.Aangezien keramische lagers de stroom van de rotor niet verwijderen, worden alleen specifieke direct-drive toepassingen aanbevolen voor motoren met keramische lagers.Andere nadelen zijn de kosten voor dit type motorlager en het feit dat de lagers meestal alleen verkrijgbaar zijn tot maat 6311.

Bij motoren met een vermogen van meer dan 100 pk wordt over het algemeen aanbevolen om een ​​geïsoleerd lager te installeren aan het andere uiteinde van de motor waarop de asaardingsinrichting is geïnstalleerd, ongeacht welke soort asaarding wordt gebruikt.

Drie installatietips voor aandrijvingen met variabele snelheid

Drie overwegingen voor de onderhoudsmonteur bij het verminderen van de common-mode-spanning in toepassingen met variabele snelheid zijn:

1. Zorg ervoor dat de motor (en het motorsysteem) goed geaard is.
2. Bepaal de juiste draaggolffrequentiebalans, die zowel het ruisniveau als de spanningsonbalans minimaliseert.
3. Als een asaardingsapparaat nodig wordt geacht, kies er dan een die het beste werkt voor de toepassing.

Wanneer een lagerstroom aanwezig is, is er geen one-size-fits-all oplossing.Het is essentieel dat de klant en de leverancier van motoren en aandrijvingen samenwerken om de meest geschikte oplossing voor de specifieke toepassing te vinden.