Schade door lagerstromen.zx ronde 12 maart 2017 Dit verhaaltje gaat over lagerschade van elektromotoren als gevolg van ontladingen die plaats vinden tussen de as van en het statorhuis van een asynchrone draaistroommotor. De asynchrone draaistroommotor ook wel kooianker of kortsluitankermotor genoemd is opgebouwd uit een stilstaande stator met veldwikkelingen en een draaiende rotor met kortgesloten geleiders. De drie wikkelingen van de stator worden aangesloten op drie sinusvormige wisselspanningen van 50Hz met een onderling faseverschil van 120. Hierdoor ontstaat er een magnetisch veld dat met de frequentie van deze wisselspanning ronddraait, het draaiveld. Het toerental van dit draaiveld is gelijk aan: Ns ( toerental) = f (freq) x 60 sec / p ( aantal poolparen ) De rotor met kortgesloten geleiders is in de stator geplaatst en wordt meegetrokken door het magnetische veld (draaiveld). Als de as van deze rotor zonder wrijving kan ronddraaien zal de rotor met het zelfde toerental ronddraaien als het draaiveld. Wanneer de as van de motor belast wordt, gaat de rotor langzamer draaien. Hierdoor ziet de kortgesloten geleider van de rotor een wisselend magnetisch veld. Door het wisselend magnetisch veld zal er in deze geleider een stroom gaan lopen. Deze stroom veroorzaakt een kracht waar door een koppel ontstaat op de as van de motor. Het verschil tussen het rotortoerental en het draaiveld toerental heet de slip. Hoe groter de belasting is (mechanisch koppel), hoe groter de slip en daardoor ook hoe groter de rotorstromen. De draaisnelheid rotor verschilt met draaiveld vandaar de term asynchrone draaistroommotor De draairichting van de rotor is eenvoudig om te keren door 2 fase aders van de aansluiting om te wisselen. 1
Aanloopstroom draaistroommotoren Tijdens het inschakelen van een asynchrone draaistroom motor ontstaat een aanloopstroom. Deze wordt veroorzaakt omdat de rotor nog op gang moet komen terwijl het draaiveld er al is. De fasestroom kan wel tot 7 x de nominale stroom oplopen. Daarom worden motoren boven de 3 kw voorz voorzien ien van een zogenaamde ster /driehoek schakelaar. ( 230 V / 400V ) Tegenwoordig worden ook softstarters toegepast die de aanloopstromen laag houden van 1,5 tot 2 maal de nominale stroom. Variabel iabel Toerental draaistroommotoren Zoals gezegd hebben asynchrone draaistroommotoren een vast toerental afhankelijk van de frequentie en het polenpaar. Een wisselend toerental is verkrijgen door bv. mechanische oplossingen als poelieschijven met snaren, tandwiel overbrengingen enz. Maar tegenwoordig is dit een stuk eenvoudiger te bereiken d.m.v. frequentieregelaars. Hiermee is het toerental van relatieve goedkope asynchrone draaistroom te regelen. 2
Lagerschade De toepassing van frequentieregelaars heeft ook een nadelig effect en dat zijn de zogenaamde common mode stromen welke verantwoordelijk zijn voor de ontladingen over de as en het statorhuis en hierdoor schade aan de lagers veroorzaken. Moderne IGBT technologie in frequentieregelaars laat de vermogenelektronica supersnel schakelen. Dit biedt grote voordelen met betrekking tot rendement en bouwgrootte van de frequentieregelaar. Bij netvoeding wordt een elektromotor gevoed uit een symmetrisch, sinusvormig driefasen net. Een frequentieregelaar echter schakelt voortdurend en zeer snel een gelijkspanning tussen de drie fasewikkelingen. Dit heeft tot gevolg dat over de as-einden van de motor een elektrische wisselspanning wordt geïnduceerd. Dit is voor het goed functioneren van de motor geen probleem. Maar er kan een elektrische stroom van hoge frequentie gaan circuleren in het circuit motor-as.. -> lager aandrijfzijde -> motorframe -> lager nietaandrijfzijde -> terug naar as, met lagerschade als gevolg. Of er doorslag plaats vindt hangt af van de oliefilm in het wentel- of glijlager welke de as van het motor huis isoleert. Vaak wordt een extra geïsoleerde lager toegepast aan de niet-aandrijfzijde. Maar zelfs een geïsoleerde lager blijkt niet altijd te isoleren, het gaat dan om hoogfrequent stroompieken waarvoor de isolatie als geleidende condensator werkt. Waarom zorgen frequentieomvormers voor storingsproblemen? Hiervoor moet eigenlijk niet verder gekeken worden dan de stroomwet van Kirchhoff. Deze wet stelt dat de som van de stromen in een knooppunt nul moet zijn. Vrij vertaalt alle stroom die uit een bron vertrekt, zal ook terugkeren. 3
Bij een symmetrische driefasige netspanning is de spanning van het sterpunt altijd nul. De som van de drie spanningen is op elk moment nul. Bij een driefasige PWM-spanning van een frequentieregelaar is de common mode spanning niet nul. Dit wil zeggen dat er een potentiaalverschil aanwezig is tussen het sterpunt en de referentie. Als hier een impedantie tussen bestaat, zal er een common mode stroom vloeien. 4
Lagerstromen in elektromotoren Uit de bijdrage van Frank ON4BIF kunnen we opmaken dat in de as van een elektromotor altijd een stroom wordt opgewekt en dat er dus een zekere potentiaal verschil is tussen de motor as en het statorhuis. Dus onafhankelijk of er nu wel of niet een frequentieomvormer wordt gebruikt. De schade aan de lagers wordt hierdoor niet veroorzaakt maar wel door de hoge steile spanningspulsen die doorslaan in het lager tussen de as van motor en het statorhuis. De common mode stroom met hoge steile spanningspulsen ( Dv/Dt ) over het lager ontstaan ten gevolge van een slechte aarding. Ook speelt de schakelfrequentie en werkfrequentie van de frequentieomvormer hier een rol in. 5
6