Prądy łożyskowe w silnikach elektrycznych – przyczyny, objawy i sposoby zapobiegania

Silniki elektryczne zasilane z przemienników częstotliwości są dziś standardem w nowoczesnych zakładach przemysłowych. Falowniki pozwalają precyzyjnie regulować prędkość obrotową, ograniczać zużycie energii i dostosowywać pracę napędu do aktualnego obciążenia. Zastosowanie falownika może jednak powodować zjawiska, które przy tradycyjnym zasilaniu sieciowym występowały znacznie rzadziej.

Jednym z nich są prądy łożyskowe w silniku, określane również jako prądy wałowe. Powtarzające się przepływy prądu przez elementy łożyska mogą prowadzić do uszkodzenia bieżni, pogorszenia właściwości środka smarnego, wzrostu drgań i przedwczesnej awarii całego silnika.

Problem jest szczególnie istotny w napędach pracujących z falownikami PWM, w układach z długimi przewodami silnikowymi oraz w instalacjach, w których uziemienie i ekranowanie wykonano nieprawidłowo. Skuteczne zapobieganie prądom łożyskowym wymaga więc spojrzenia na cały układ: falownik, przewody, silnik, uziemienie, łożyska oraz napędzaną maszynę.

Czym są prądy łożyskowe?

Prądy łożyskowe to niepożądane prądy elektryczne przepływające przez łożyska silnika. Ich droga może przebiegać między wałem a obudową silnika, przez bieżnie łożyska, elementy toczne i warstwę środka smarnego.

W prawidłowych warunkach film smarny oddzielający elementy łożyska działa jak cienka warstwa izolacyjna. Jeżeli jednak napięcie pomiędzy wałem a obudową osiągnie odpowiednio wysoki poziom, może dojść do przebicia filmu smarnego. Następuje wtedy krótkotrwałe wyładowanie elektryczne.

Pojedyncze wyładowanie może być bardzo krótkie, ale w silniku sterowanym falownikiem zjawisko może powtarzać się wielokrotnie. Kolejne impulsy powodują miejscowe topienie i usuwanie materiału z powierzchni bieżni oraz elementów tocznych. Z czasem prowadzi to do powstania charakterystycznych uszkodzeń i utraty prawidłowych parametrów pracy łożyska.

Nowoczesne przemienniki częstotliwości generują impulsy napięciowe o bardzo krótkich czasach narastania i wykorzystują wysokie częstotliwości przełączania. Według materiałów technicznych ABB takie warunki mogą wywoływać impulsy prądowe przepływające przez łożyska, których wielokrotne wyładowania stopniowo niszczą powierzchnie bieżni.

Czym różnią się prądy łożyskowe od prądów wałowych?

Pojęcia „prądy łożyskowe” i „prądy wałowe” są często stosowane zamiennie, ale nie oznaczają dokładnie tego samego.

Prądy wałowe w silniku są związane z występowaniem napięcia na wale oraz przepływem prądu przez wał, elementy silnika i pozostałe części układu napędowego. Łożysko może stać się jednym z odcinków drogi przepływu tego prądu.

Prąd łożyskowy jest więc skutkiem przepływu prądu przez konkretne łożysko. W praktyce diagnostycznej ważne jest ustalenie nie tylko tego, czy na wale występuje napięcie, lecz również którędy prąd zamyka swój obwód.

Droga przepływu może obejmować między innymi:

• wał silnika,
• łożysko od strony napędowej,
• łożysko od strony przeciwnapędowej,
• obudowę silnika,
• sprzęgło,
• przekładnię,
• pompę, wentylator lub inną napędzaną maszynę,
• przewody ochronne i połączenia wyrównawcze.

Samo zmierzenie napięcia wału nie zawsze wystarcza zatem do wskazania źródła problemu.

Dlaczego prądy łożyskowe występują szczególnie w silnikach zasilanych z falownika?

Falownik nie podaje na silnik idealnego napięcia sinusoidalnego. Napięcie wyjściowe jest tworzone przez szybkie przełączanie elementów półprzewodnikowych, najczęściej z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsu PWM.

W efekcie na wyjściu falownika występują impulsy o stromych zboczach napięcia. Parametr opisujący szybkość zmiany napięcia określa się jako du/dt lub dV/dt.

Im szybsze narastanie napięcia, tym większe mogą być prądy pojemnościowe przepływające przez pojemności pasożytnicze układu. W silniku takie pojemności występują między innymi pomiędzy:

• uzwojeniem stojana a obudową,
• uzwojeniem a wirnikiem,
• wirnikiem a wałem,
• wałem a obudową przez łożyska.

Wysokoczęstotliwościowe składowe napięcia mogą powodować pojawienie się potencjału na wale. Jeżeli napięcie przebije warstwę smaru w łożysku, następuje wyładowanie i przepływ prądu przez elementy toczne.

Ryzyko zwiększają między innymi:

• wysoka częstotliwość przełączania falownika,
• krótkie czasy narastania impulsów,
• długie przewody pomiędzy falownikiem a silnikiem,
• nieprawidłowy dobór kabla silnikowego,
• brak ciągłości ekranu,
• nieprawidłowe uziemienie silnika i falownika,
• duża moc silnika,
• niewłaściwie wykonane połączenia wyrównawcze,
• brak elementów ograniczających napięcia i prądy wysokiej częstotliwości.

Nie oznacza to, że każdy silnik zasilany z falownika ulegnie uszkodzeniu. Ryzyko zależy od konstrukcji silnika, falownika, instalacji kablowej, parametrów sterowania oraz sposobu połączenia całego układu.

Jakie rodzaje prądów łożyskowych mogą występować?

W układach napędowych można spotkać kilka mechanizmów prowadzących do przepływu prądu przez łożyska.

Prądy pojemnościowe i wyładowcze

Napięcie gromadzące się na wale może wzrastać do momentu przebicia filmu smarnego. Następuje wtedy impulsowe wyładowanie przez łożysko, porównywane do mikroskopijnego wyładowania elektroerozyjnego.

Ten rodzaj uszkodzeń często określa się jako EDM, czyli Electrical Discharge Machining.

Prądy cyrkulacyjne

W większych silnikach asymetria strumienia magnetycznego może powodować powstanie napięcia pomiędzy końcami wału. Prąd może wtedy przepływać przez jedno łożysko, wał, drugie łożysko i obudowę silnika.

W takich przypadkach zabezpieczenie tylko jednego punktu układu może być niewystarczające.

Prądy wynikające z niewłaściwej drogi powrotnej

Prądy wysokiej częstotliwości powinny wracać do falownika możliwie krótką drogą o niskiej impedancji. Jeżeli ekran kabla, uziemienie lub połączenia wyrównawcze są wykonane niewłaściwie, część prądu może szukać alternatywnej drogi przez wał, łożyska, sprzęgło albo napędzaną maszynę.

Dlatego problemu nie powinno się rozpatrywać wyłącznie jako usterki samego silnika.

Uszkodzenia łożysk przez falownik – najczęstsze objawy

Początkowy etap uszkodzenia elektrycznego łożyska może nie dawać jednoznacznych objawów. Silnik może nadal pracować, a wzrost hałasu lub drgań bywa niewielki.

W miarę postępu degradacji mogą pojawić się:

• zwiększony hałas łożysk,
• charakterystyczne buczenie, szum lub metaliczny dźwięk,
• wzrost poziomu drgań,
• podwyższona temperatura obudowy łożyska,
• pogorszenie płynności ruchu wału,
• częste awarie łożysk mimo prawidłowego montażu,
• skrócenie czasu pracy nowo zamontowanych łożysk,
• ciemnienie lub degradacja środka smarnego,
• obecność drobnych cząstek metalu w smarze,
• uszkodzenia sprzęgła lub elementów napędzanej maszyny,
• niespodziewane zatrzymania linii technologicznej.

Szczególnie niepokojąca jest sytuacja, w której po wymianie łożysk problem powraca po krótkim czasie. Może to oznaczać, że usunięto skutek, ale nie zlikwidowano źródła prądów łożyskowych.

Charakterystyczne ślady na bieżniach łożysk

Uszkodzenia elektryczne mogą pozostawiać na bieżniach łożysk ślady różniące się od typowych uszkodzeń wynikających z przeciążenia, niewłaściwego smarowania, zabrudzenia lub błędnego montażu.

Mikrowżery

Pojedyncze wyładowania elektryczne powodują miejscowe nadtopienia powierzchni. Po ostygnięciu pozostają bardzo małe kratery, określane jako mikrowżery.

Początkowo mogą być trudne do zauważenia bez odpowiedniego powiększenia.

Matowienie powierzchni

Duża liczba mikrowyładowań może prowadzić do równomiernego zmatowienia bieżni. Powierzchnia traci pierwotną gładkość i zaczyna przypominać powierzchnię poddaną delikatnej obróbce elektroerozyjnej.

Rowkowanie i efekt tarki

Jednym z najbardziej charakterystycznych objawów są regularne poprzeczne rowki na bieżni, nazywane flutingiem. Mogą przypominać tarkę, fale lub równoległe prążki.

Rowkowanie nie zawsze powstaje bezpośrednio po pierwszych wyładowaniach. Rozwija się w czasie na skutek współdziałania uszkodzeń elektrycznych, drgań oraz ruchu elementów tocznych.

Przebarwienia i uszkodzenie smaru

Wyładowaniom może towarzyszyć lokalny wzrost temperatury. Powoduje on degradację środka smarnego, zmianę jego koloru, utlenianie oraz pogorszenie właściwości smarnych.

SKF wskazuje, że erozja elektryczna jest typowym rodzajem uszkodzenia w silnikach narażonych na prądy błądzące, szczególnie gdy silnik jest sterowany przemiennikiem częstotliwości i nie zapewniono właściwej drogi uziemienia wału.

Czy sama wymiana łożyska rozwiązuje problem?

Najczęściej nie.

Wymiana uszkodzonego łożyska przywróci silnik do pracy, ale jeżeli źródło napięcia wałowego i droga przepływu prądu pozostaną bez zmian, nowe łożysko również może zostać uszkodzone.

Przed wymianą lub podczas remontu należy ustalić:

• czy silnik jest zasilany z falownika,
• jak wykonano uziemienie falownika i silnika,
• jaki kabel zastosowano,
• czy ekran kabla jest zakończony obwodowo,
• jaka jest długość przewodu silnikowego,
• jaka częstotliwość przełączania została ustawiona,
• czy zastosowano filtr wyjściowy,
• czy silnik posiada łożysko izolowane,
• czy wał ma kontrolowane połączenie z potencjałem obudowy,
• czy prąd nie przepływa przez napędzaną maszynę.

Dopiero na tej podstawie można dobrać skuteczny sposób zabezpieczenia.

Wpływ uziemienia na prądy łożyskowe

Prawidłowe uziemienie jest jednym z podstawowych elementów ochrony, ale samo poprowadzenie przewodu ochronnego PE nie zawsze zapewnia odpowiednie warunki dla prądów wysokiej częstotliwości.

Przy wysokich częstotliwościach znaczenie ma nie tylko rezystancja przewodu, lecz także jego impedancja. Długi i cienki przewód może dobrze spełniać funkcję ochronną przy częstotliwości sieciowej, a jednocześnie stanowić niekorzystną drogę dla impulsów generowanych przez falownik.

W praktyce należy zadbać o:

• możliwie krótkie połączenia uziemiające,
• odpowiedni przekrój przewodów i taśm uziemiających,
• dużą powierzchnię styku,
• usunięcie farby i zanieczyszczeń w miejscach połączeń,
• połączenie obudowy silnika z układem wyrównania potencjałów,
• prawidłowe uziemienie falownika,
• połączenie konstrukcji napędzanej maszyny z tym samym systemem uziemienia,
• ograniczenie różnic potencjałów pomiędzy silnikiem a urządzeniem napędzanym.

ABB podkreśla, że prawidłowe zasady uziemienia i prowadzenia przewodów w układach z napędami regulowanymi są niezbędne zarówno dla ograniczania zakłóceń, jak i ochrony łożysk silnika.

Ekranowanie przewodów silnikowych

W instalacjach z falownikami zaleca się stosowanie odpowiednich, ekranowanych kabli silnikowych. Ekran powinien zapewniać drogę powrotną dla prądów wysokiej częstotliwości.

Bardzo ważny jest sposób zakończenia ekranu. Długi przewód wyprowadzony z oplotu i podłączony punktowo do zacisku może mieć zbyt wysoką impedancję dla składowych wysokoczęstotliwościowych.

Lepszym rozwiązaniem jest obwodowe połączenie ekranu na możliwie dużej powierzchni, często określane jako zakończenie 360 stopni.

Należy również unikać:

• nieciągłości ekranu,
• nieekranowanych odcinków kabla przy falowniku i silniku,
• przypadkowych połączeń ekranu z konstrukcją,
• prowadzenia przewodów silnikowych razem z przewodami sygnałowymi,
• niezgodnych z dokumentacją połączeń ekranów i przewodów ochronnych.

Błędy ekranowania mogą powodować nie tylko prądy łożyskowe, lecz także zakłócenia czujników, komunikacji przemysłowej, enkoderów oraz układów sterowania.

Częstotliwość przełączania falownika a uszkodzenia łożysk

Wyższa częstotliwość przełączania może poprawiać kulturę pracy silnika i ograniczać słyszalny hałas. Jednocześnie zwiększa liczbę impulsów napięciowych generowanych w jednostce czasu.

Nie oznacza to, że obniżenie częstotliwości przełączania zawsze rozwiąże problem. Może jednak ograniczyć liczbę potencjalnych wyładowań i zmniejszyć obciążenie układu izolacyjnego.

Zmiana częstotliwości przełączania powinna uwzględniać:

• zalecenia producenta falownika,
• parametry silnika,
• długość przewodu silnikowego,
• częstotliwość wyjściową,
• obciążenie napędu,
• wymagania dotyczące hałasu,
• temperaturę falownika i silnika,
• zastosowane filtry wyjściowe.

Nie należy zmieniać tego parametru wyłącznie metodą prób i błędów. Najpierw warto przeprowadzić pomiary i ocenić cały układ napędowy.

Pierścienie uziemiające wał

Pierścień uziemiający wał tworzy kontrolowaną, niskoimpedancyjną drogę przepływu prądu pomiędzy wałem a obudową silnika. Dzięki temu ładunek elektryczny może zostać odprowadzony bez przepływu przez łożysko.

Element stykający się z wałem może mieć postać:

• włókien przewodzących,
• szczotki,
• pierścienia ze specjalnym materiałem kontaktowym,
• układu szczotkowo-pierścieniowego.

Skuteczność rozwiązania zależy od prawidłowego montażu. Powierzchnia wału musi być odpowiednio przygotowana i czysta. Należy także zapewnić dobre połączenie pierścienia z obudową silnika.

Pierścień uziemiający wał stosuje się szczególnie wtedy, gdy:

• na wale występują wyładowania pojemnościowe,
• silnik pracuje z falownikiem,
• stwierdzono powtarzające się uszkodzenia łożysk,
• prąd przepływa przez sprzęgło lub napędzaną maszynę,
• konieczne jest wykonanie modernizacji bez wymiany całego silnika.

W silnikach większej mocy sam pierścień może nie rozwiązać problemu prądów cyrkulacyjnych. W takich przypadkach często łączy się uziemienie wału z izolacją jednego z łożysk. Producenci silników przeznaczonych do współpracy z falownikami stosują takie rozwiązania fabrycznie. Nidec wskazuje, że pierścień uziemiający kieruje prąd do ziemi z pominięciem łożysk, a w większych silnikach dodatkową ochronę może zapewniać izolowane łożysko po przeciwnej stronie.

Izolowane łożyska silnika

Izolowane łożyska silnika mają warstwę elektroizolacyjną, która utrudnia przepływ prądu między pierścieniem łożyska a oprawą lub wałem.

Warstwa izolacyjna może być naniesiona na:

• pierścień zewnętrzny,
• pierścień wewnętrzny,
• powierzchnie osadzenia łożyska.

Zastosowanie izolowanego łożyska może przerwać obwód prądów cyrkulacyjnych. Zwykle izoluje się określoną stronę silnika zgodnie z konstrukcją napędu i zaleceniami producenta.

Nie należy jednak bez analizy izolować obu łożysk i zakładać, że problem został rozwiązany. Prąd może znaleźć inną drogę, na przykład przez sprzęgło, enkoder, przekładnię lub napędzaną maszynę.

Izolacja powinna być częścią zaprojektowanej strategii ochrony całego układu.

Łożyska hybrydowe

Łożyska hybrydowe mają stalowe pierścienie oraz ceramiczne elementy toczne, najczęściej wykonane z azotku krzemu.

Ceramika ma znacznie mniejszą przewodność elektryczną niż stal, dlatego elementy toczne przerywają drogę przepływu prądu przez łożysko. SKF wskazuje, że ceramiczne elementy toczne w łożyskach hybrydowych zapewniają izolację elektryczną i chronią powierzchnie przed erozją elektryczną.

Łożyska hybrydowe mogą być dobrym rozwiązaniem w napędach:

• narażonych na częste wyładowania elektryczne,
• pracujących z dużą prędkością,
• wymagających wysokiej niezawodności,
• trudno dostępnych serwisowo,
• generujących wysokie koszty przestojów.

Są droższe od standardowych łożysk, dlatego ich zastosowanie powinno wynikać z oceny technicznej i ekonomicznej.

Filtr du/dt a prądy łożyskowe

Filtr du/dt montuje się na wyjściu falownika, pomiędzy przemiennikiem a silnikiem. Jego zadaniem jest ograniczenie szybkości narastania napięcia oraz, zależnie od konstrukcji, zmniejszenie wartości szczytowych impulsów docierających do zacisków silnika.

Ograniczenie du/dt może:

• zmniejszyć obciążenie izolacji uzwojeń,
• ograniczyć przepięcia na zaciskach silnika,
• poprawić warunki pracy przy długich przewodach,
• zmniejszyć niektóre składowe prądów wysokiej częstotliwości,
• ograniczyć ryzyko powstawania napięć wałowych.

Nie należy jednak przyjmować, że każdy filtr du/dt całkowicie eliminuje prądy łożyskowe. Jego działanie zależy od konstrukcji filtra, częstotliwości przełączania, długości kabla, parametrów falownika i silnika oraz mechanizmu powstawania prądu.

Filtr du/dt może być jednym z elementów rozwiązania, ale często musi współpracować z prawidłowym ekranowaniem, uziemieniem, pierścieniem uziemiającym lub łożyskiem izolowanym. Dokumentacja techniczna napędów wskazuje, że filtry dV/dt ograniczają stromość impulsów i mogą zmniejszać prądy wałowe, lecz wymagają prawidłowego doboru do falownika i silnika.

Filtry sinusoidalne

Filtr sinusoidalny jest bardziej rozbudowanym filtrem wyjściowym. Jego zadaniem jest przekształcenie impulsowego napięcia PWM w przebieg zbliżony do sinusoidalnego.

Może on wyraźnie ograniczyć:

• stromość napięcia,
• wysokoczęstotliwościowe składowe prądu,
• przepięcia na zaciskach silnika,
• hałas elektromagnetyczny silnika,
• obciążenie izolacji uzwojeń,
• część zjawisk sprzyjających powstawaniu napięć wałowych.

Filtry sinusoidalne stosuje się między innymi:

• przy bardzo długich kablach silnikowych,
• przy zasilaniu starszych silników z falownika,
• w napędach wymagających niskiego poziomu zakłóceń,
• w instalacjach z powtarzającymi się awariami,
• tam, gdzie sam filtr du/dt jest niewystarczający.

Dobór filtra musi uwzględniać moc i prąd silnika, napięcie, częstotliwość wyjściową, częstotliwość przełączania, długość kabla oraz sposób sterowania. Nie każdy filtr może współpracować z każdym falownikiem.

Czy filtr du/dt i filtr sinusoidalny rozwiązują ten sam problem?

Nie.

Filtr du/dt przede wszystkim ogranicza stromość zboczy napięcia i wartości szczytowe impulsów. Na wyjściu nadal występuje przebieg impulsowy.

Filtr sinusoidalny znacznie silniej wygładza napięcie i prąd, tworząc przebieg bardziej zbliżony do sinusoidy. Jest jednak większy, droższy i może wprowadzać dodatkowe straty.

Wybór powinien wynikać z pomiarów i warunków instalacji. W niektórych układach wystarczy poprawa ekranowania i zastosowanie pierścienia uziemiającego. W innych konieczna będzie instalacja filtra wyjściowego, wymiana łożyska lub kompleksowa modernizacja napędu.

Pomiary napięcia wałowego

Pomiar napięcia wałowego wykonuje się pomiędzy obracającym się wałem a obudową silnika.

Do pomiaru potrzebne są między innymi:

• oscyloskop o odpowiednim paśmie,
• sonda pomiarowa dostosowana do szybkich impulsów,
• końcówka zapewniająca stabilny kontakt z obracającym się wałem,
• właściwie wykonane połączenie odniesienia z obudową silnika,
• odpowiednie środki bezpieczeństwa.

Zwykły miernik uniwersalny może nie zarejestrować krótkich impulsów i wyładowań. Może pokazać niską wartość skuteczną, mimo że w układzie występują szkodliwe impulsy o bardzo krótkim czasie trwania.

Podczas pomiaru analizuje się:

• maksymalne napięcie wałowe,
• kształt przebiegu,
• częstotliwość impulsów,
• występowanie gwałtownych rozładowań,
• zależność od prędkości silnika,
• zależność od częstotliwości przełączania,
• wpływ obciążenia,
• zmiany po zastosowaniu pierścienia lub filtra.

SKF oferuje również przyrządy przeznaczone do wykrywania wyładowań elektrycznych w łożyskach silników sterowanych przemiennikami częstotliwości.

Diagnostyka drganiowa

Uszkodzenia elektryczne bieżni wpływają na drgania generowane przez łożysko. Diagnostyka drganiowa może pomóc wykryć postępujące uszkodzenie bez demontażu silnika.

Analizie poddaje się między innymi:

• poziom drgań ogólnych,
• widmo częstotliwościowe,
• obwiednię przyspieszeń,
• częstotliwości charakterystyczne dla uszkodzeń bieżni,
• zmiany parametrów w czasie.

Największą wartość daje diagnostyka trendowa. Jednorazowy pomiar informuje o stanie w danym momencie, natomiast regularne pomiary pokazują tempo rozwoju uszkodzenia.

Samo widmo drgań może jednak nie wystarczyć do ustalenia przyczyny. Podobne objawy mogą wynikać z niewyważenia, niewspółosiowości, luzów, błędnego smarowania lub przeciążenia.

Dlatego diagnostykę drganiową warto łączyć z pomiarem napięcia wału, analizą instalacji oraz oględzinami zdemontowanego łożyska.

Co należy sprawdzić podczas diagnostyki układu?

Kompleksowa diagnostyka powinna objąć nie tylko silnik, ale cały tor napędowy.

Falownik

Należy sprawdzić:

• typ przemiennika,
• konfigurację sterowania,
• częstotliwość przełączania,
• częstotliwość wyjściową,
• historię alarmów,
• obecność filtrów wyjściowych,
• zgodność parametrów z silnikiem.

Przewód silnikowy

Weryfikacji wymagają:

• typ kabla,
• długość przewodu,
• przekrój żył,
• obecność i jakość ekranu,
• sposób zakończenia ekranu,
• trasa prowadzenia przewodu,
• połączenia pośrednie i puszki.

Silnik

Należy ocenić:

• typ i moc silnika,
• przystosowanie do zasilania falownikowego,
• rodzaj łożysk,
• obecność izolacji łożyskowej,
• obecność pierścienia uziemiającego,
• stan połączeń ochronnych,
• temperaturę i drgania,
• historię wymian łożysk.

Maszyna napędzana

Sprawdza się między innymi:

• rodzaj sprzęgła,
• przewodność połączenia wałów,
• uziemienie konstrukcji,
• łożyska maszyny napędzanej,
• różnice potencjałów,
• możliwość przepływu prądu przez przekładnię, pompę lub wentylator.

Jak zapobiegać prądom łożyskowym?

Nie istnieje jedno uniwersalne rozwiązanie odpowiednie dla każdego napędu. Największą skuteczność zapewnia połączenie kilku właściwie dobranych działań.

Do podstawowych metod należą:

1. Prawidłowe uziemienie falownika, silnika i maszyny napędzanej.
2. Wykonanie połączeń wyrównawczych o niskiej impedancji.
3. Zastosowanie odpowiedniego, ekranowanego kabla silnikowego.
4. Obwodowe zakończenie ekranu przy falowniku i silniku.
5. Ograniczenie długości przewodu silnikowego, jeżeli jest to możliwe.
6. Prawidłowe ustawienie częstotliwości przełączania.
7. Zastosowanie pierścienia uziemiającego wał.
8. Zastosowanie izolowanego łożyska po odpowiedniej stronie silnika.
9. Zastosowanie łożysk hybrydowych.
10. Montaż filtra du/dt.
11. Montaż filtra sinusoidalnego.
12. Regularne pomiary napięcia wałowego i drgań.
13. Kontrola stanu smaru i zdemontowanych łożysk.
14. Dobór silnika przeznaczonego do pracy z falownikiem.

W większych i bardziej odpowiedzialnych napędach często stosuje się jednocześnie uziemienie wału oraz izolację łożyska po przeciwnej stronie. Taki układ zapewnia kontrolowaną drogę odprowadzania ładunku i ogranicza możliwość zamknięcia obwodu przez oba łożyska.

Kiedy potrzebna jest modernizacja układu napędowego?

Modernizację warto rozważyć, gdy:

• łożyska ulegają powtarzającym się awariom,
• na bieżniach występują mikrowżery lub rowkowanie,
• silnik został podłączony do falownika, choć wcześniej pracował bezpośrednio z sieci,
• zastosowano bardzo długi przewód silnikowy,
• silnik nie jest przystosowany do zasilania falownikowego,
• zwiększono częstotliwość przełączania,
• wymieniono falownik na nowszy model z szybszymi elementami półprzewodnikowymi,
• maszyna została rozbudowana lub zmieniono sposób uziemienia,
• pomiary wykazują obecność impulsów napięcia wałowego,
• prąd przepływa przez sprzęgło albo łożyska urządzenia napędzanego,
• koszty awarii i przestojów są wysokie.

Modernizacja może obejmować zarówno niewielkie zmiany, jak i kompleksową przebudowę układu.

W zależności od wyników diagnostyki wykonuje się między innymi:

• poprawę połączeń uziemiających,
• wymianę kabla silnikowego,
• poprawę zakończenia ekranów,
• montaż pierścienia uziemiającego wał,
• wymianę jednego z łożysk na izolowane,
• montaż łożysk hybrydowych,
• instalację filtra du/dt,
• instalację filtra sinusoidalnego,
• zmianę parametrów falownika,
• wymianę silnika na wersję przeznaczoną do pracy z przemiennikiem częstotliwości.

Dlaczego rozwiązanie powinno być dobierane indywidualnie?

Dwa napędy o tej samej mocy mogą wymagać zupełnie innych zabezpieczeń. Znaczenie ma nie tylko model silnika i falownika, ale także długość przewodów, konstrukcja maszyny, rodzaj sprzęgła, jakość uziemienia, częstotliwość przełączania i warunki eksploatacji.

Przykładowo montaż pierścienia uziemiającego może skutecznie ograniczyć wyładowania pojemnościowe, ale nie musi usunąć prądów cyrkulacyjnych występujących w dużym silniku. Z kolei wymiana łożyska na izolowane może przenieść drogę przepływu prądu do łożyska pompy lub przekładni.

Z tego względu działania naprawcze powinny być poprzedzone:

• analizą dokumentacji,
• oględzinami instalacji,
• pomiarami elektrycznymi,
• diagnostyką drganiową,
• oceną uszkodzonych łożysk,
• sprawdzeniem parametrów falownika.

Prądy łożyskowe – problem, którego nie warto ignorować

Prądy łożyskowe w silniku mogą przez długi czas rozwijać się bez wyraźnych objawów. Gdy pojawi się głośna praca, wysoki poziom drgań lub wzrost temperatury, bieżnie łożysk mogą być już poważnie uszkodzone.

Sama wymiana łożysk zwykle nie wystarcza. Konieczne jest ustalenie, skąd bierze się napięcie wałowe, którędy przepływa prąd oraz dlaczego jego droga prowadzi przez łożyska.

Skuteczne zapobieganie prądom łożyskowym może wymagać poprawy uziemienia i ekranowania, zastosowania pierścieni uziemiających wał, montażu łożysk izolowanych lub hybrydowych, a także użycia filtrów du/dt albo filtrów sinusoidalnych.

Wczesna diagnostyka i prawidłowo wykonana modernizacja pozwalają ograniczyć ryzyko kolejnych uszkodzeń, wydłużyć okres eksploatacji silnika oraz zmniejszyć koszty nieplanowanych przestojów.

Diagnostyka i zapobieganie prądom łożyskowym

W przypadku powtarzających się awarii łożysk, eksploatacji silników zasilanych z falowników lub planowanej modernizacji napędu warto przeprowadzić kompleksową ocenę instalacji.

Zakres prac może obejmować:

• analizę sposobu zasilania silnika,
• ocenę uziemienia i połączeń wyrównawczych,
• kontrolę ekranowania przewodów,
• pomiary napięcia wałowego,
• diagnostykę drganiową,
• dobór pierścieni uziemiających,
• dobór łożysk izolowanych lub hybrydowych,
• dobór filtrów du/dt i sinusoidalnych,
• modernizację układu napędowego,
• kontrolę efektów po wykonaniu zmian.

Prawidłowo dobrane rozwiązanie powinno chronić nie tylko łożyska silnika, ale również sprzęgło, przekładnię oraz łożyska napędzanej maszyny.

Najczęściej zadawane pytania

Co to są prądy łożyskowe?

Prądy łożyskowe to niepożądane prądy elektryczne przepływające przez elementy łożyska silnika. Mogą powodować mikrowyładowania, uszkodzenia bieżni, degradację smaru oraz przedwczesną awarię łożyska.

Dlaczego falownik uszkadza łożyska?

Falownik generuje szybko narastające impulsy napięcia i składowe wysokiej częstotliwości. Mogą one powodować powstawanie napięcia na wale silnika. Po przebiciu filmu smarnego prąd przepływa przez łożysko i uszkadza jego powierzchnię.

Jak wyglądają uszkodzenia łożysk spowodowane prądem?

Najczęściej występują mikrowżery, zmatowienie bieżni oraz regularne rowki przypominające tarkę. Możliwe są również przebarwienia i degradacja środka smarnego.

Czy pierścień uziemiający wał chroni łożyska?

Pierścień tworzy kontrolowaną drogę odprowadzania prądu z wału do obudowy. Może skutecznie ograniczyć wyładowania przez łożyska, ale musi być prawidłowo zamontowany i dobrany do rodzaju prądów występujących w napędzie.

Czy izolowane łożysko wystarczy?

Zależy to od konstrukcji układu. Izolowane łożysko może przerwać obwód prądów cyrkulacyjnych, ale niewłaściwie zastosowane może spowodować przepływ prądu przez inną część maszyny.

Czy filtr du/dt zapobiega prądom łożyskowym?

Filtr du/dt ogranicza szybkość narastania napięcia i może zmniejszyć część zjawisk odpowiedzialnych za powstawanie prądów łożyskowych. Nie zawsze eliminuje jednak wszystkie mechanizmy przepływu prądu.

Czym różni się filtr du/dt od filtra sinusoidalnego?

Filtr du/dt ogranicza stromość impulsów napięcia, natomiast filtr sinusoidalny znacznie silniej wygładza przebieg wyjściowy falownika. Filtr sinusoidalny jest zwykle większy i droższy, ale może zapewniać szerszą ochronę silnika.

Jak zmierzyć prądy łożyskowe?

Najczęściej wykonuje się pomiar napięcia pomiędzy wałem a obudową przy użyciu oscyloskopu i odpowiedniej sondy. Diagnostykę uzupełnia się pomiarami drgań, oceną uziemienia oraz oględzinami uszkodzonych łożysk.

Kiedy trzeba zmodernizować napęd?

Modernizacja jest wskazana przy powtarzających się awariach łożysk, charakterystycznym rowkowaniu bieżni, wysokich napięciach wałowych, długich przewodach silnikowych lub nieprawidłowym uziemieniu i ekranowaniu.