Lejestrømme Hvad er det? Hvordan identificeres de? Hvordan uskadeliggøres de?

Transkript

1 Lejestrømme Hvad er det? Hvordan identificeres de? Hvordan uskadeliggøres de? Jesper Moos, Application Engineer 1 Danfoss Drives

2 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 2 Danfoss Drives

3 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 3 Danfoss Drives

4 Introduktion Frekvensomformerens topologi Faktum: hurtig switchende IGBT-frekvensomformerdrevne motorer er udsat for forhøjet viklingsstress, forhøjet EMI og ligeledes for ekstra jord- og lejestrøm pga. frekvensomformerens udgangsspændingen. 4 Danfoss Drives

5 Introduktion Højeffektive motorer Faktum: De europæiske lovkrav for elektriske motorer (Ecodesign) gør at motorproducenterne er nød til at ændre og optimere på motorens design for at minimere de elektriske tab i motoren og forhøje virkningsgraden. Høj virkningsgrad Lav virkningsgrad IEC motorer NEMA motorer Disse designændringer har indflydelse på jord- og lejestrømmes størrelse. 5 Danfoss Drives

6 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 6 Danfoss Drives

7 Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrømme? Lejestrømme er høj-energifyldte elektriske udladninger som kan forekomme i lejerne i en elektrisk motor. Fluting Frosting Udladningerne forekommer mellem kontaktfladerne i lejet og et alarmerende højt niveau kan forårsage for tidlig havari. 7 Danfoss Drives

8 Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrømme? Stator hus Stator jernkerne Stator viklinger Leje, NDE Rotor (vikling) Leje, DE Drivaksel Rotor jernkerne Motorens fysiske konstruktion skaber elektriske potentiale forskelle mellem de forskellige hoveddele i motoren potentielle strømveje. 8 Danfoss Drives

9 Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrømme? På grund af den elektriske motors opbygning er det under drift, hvorvidt den er direkte net drevet eller er frekvensomformer drevet, praktisk muligt at måle en spænding. Typisk kan der måles under 0.5 V for nye og korrekt installerede motorer. For frekvensomformerdrevne motorer er det en anden historie. 9 Danfoss Drives

10 Fysikken bag lejestrømme Hvad forårsager lejestrøm? Ideelt set er induktionsmotorer designet til direkte net drift og symmetrisk balanceret 3-faset AC forsyning. Hvis net spændingen eller motorkonstruktionen er det mindste asymmetrisk eller inhomogen, kan en del af stator fluxen skabe parasitiske effekter. Derved kan uønskede motordele via en induktiv kobling skabe en potentialeforskel som kan drive en strøm gennem lejerne. 10 Danfoss Drives

11 Fysikken bag lejestrømme Hvad forårsager lejestrøm? Når en motor forsynes med balanceret 3-faset AC spænding med et højt potentiale ift. jord (±565 V peak ), eksisterer der en parasitisk kapacitans mellem stator vikingerne og jord potentialet. Derfor vil der naturligt eksistere kapacitive koblinger mellem stator vikingerne og drivakslen samt mellem stator vikingerne og stator huset. Under net drift har de kapacitive koblinger typisk ikke indflydelse på lejestrømme. 11 Danfoss Drives

12 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 12 Danfoss Drives

13 Fysikken bag lejestrømme Et leje som en elektrisk impedans Et stålrulle leje kan betragtes som en ikke-lineær elektrisk impedans som ved stilstand og lav hastighed (n < 100 min -1 ) har karakteristik som en resistans (elektrisk modstand). Ved højere hastighed (n > 100 min -1 ) ændres de fysiske egenskaber i lejet pga. smøremidlet og kan betragtes som en kapacitiv reaktans. Lejets som en impedans påvirkes derfor også af drift temperaturen. Konklusion: lejestrømme er altså afhængige af drift frekvensen og drift temperaturen! 13 Danfoss Drives

14 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 14 Danfoss Drives

15 Fysikken bag lejestrømme Lejestrøm og energidensitet Kontaktfladearealet mellem de indre- og ydre løberinge afhænger af den praktiske drift tilstand og det derved skabte mekaniske tryk. Kontaktfladeareal Lejestrøm vil passere via dette areal og anhængig af den aktuelle drift tilstand vil densiteten af lejestrømmen variere i overensstemmelse med: Ved høj densitet (ca. >0.8A/mm 2 ) kan lejet tage betydeligt skade idet de lynhurtige afladninger genererer en svejse effekt indeni løberingene. 15 Danfoss Drives

16 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 16 Danfoss Drives

17 Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Klassiske lejestrømme er lejestrømme forbundet med net drevne motorer. Pga. magnetisk asymmetri i motoren skabes en parasitisk effekt som via induktion skaber et spændingspotentiale hen over drivakslen. Denne type lejestrøm opstår pga.: Asymmetriske viklinger pga. fremstillingstolerancer. Inhomogent jernkernemateriale Upræcis mekanisk motor installation Asymmetrisk forsyningsspænding 17 Danfoss Drives

18 Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Hvis det elektriske potentiale mellem stator huset og drivakslen overstiger en hvis tærskel vil smøremidlets isolerende egenskab ikke længere være tilstrækkelig. Det betyder at der skabes en strømvej gennem lejerne. Ved asymmetri skabes en tidsvarierende flux som omgiver drivakslen Stator hus Lejestrømsvej Stator vikling NDE/DE lejer Ledende kobling Stator jernkerne Netforsyning Last leje Last Jordstrøm Tidsvarierende flux som omgiver drivakslen Jordstrøm Jordstrøm 18 Danfoss Drives

19 Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme På denne måde skabes en strømvej via stator hus DE leje drivaksel - NDE leje. Denne slags lejestrøm stiger typisk med motoren størrelse I kw, da den parasitiske fluxkobling stiger med motorens størrelse (større areal). Keramiske kugler Denne type lejestrøm kan undertrykkes ved at isolere det ene af motorens lejer, da strømvejen på den måde brydes. Derfor isoleres det ene leje typisk i motorer over 1 MW pga. akselspændingens niveau. 19 Danfoss Drives

20 Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Praktisk set er der risiko for denne form for lejestrøm hvis spændingspotentialet mellem akselenderne er højere end 0.5 V. 20 Danfoss Drives

21 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 21 Danfoss Drives

22 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Når en motor drives af en frekvensomformer med DC mellemkreds vil udgangsspændingen indeholde et uendeligt antal frekvenser da den gennemsnitlige AC udgangsspænding skabes af et pulstog af firkantbølgesignaler. Spektrum DC-link spænding Fase-fase spænding [V] Amplitude [.] Switch frekvens Frekvens [Hz] De to andre faser er faseforskudt hhv. 120 og Danfoss Drives

23 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Ved frekvensomformerdrift skabes der nogle andre strømveje pga. udseendet af udgangsspændingen. Stator - rotor koblingsstrøm Rotor - drivaksel koblingsstrøm Stator vikling stator hus koblingsstrøm Stator vikling jord koblingstrøm 23 Danfoss Drives

24 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Pga. udgangsspændingens form og kablets impedans vil spændingen på motorens terminaler ikke være fuldstændig balanceret og derfor vil der eksistere en common mode spænding. Spændingen ml. stjernepunktet og stel (jord) kaldes common mode spændingen. Denne spænding har en frekvens på 3 gange switch frekvensen og har derfor en meget høj frekvens (typ khz). 24 Danfoss Drives

25 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Modsat direkte net forsyning, vil de parasitiske kapacitanser træde i kraft ved frekvensomformerdrift pga. common mode spændingens høje frekvens. 25 Danfoss Drives

26 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Baseret på konfigurationen af de parasitiske kapacitanser kan der udformes et ækvivalent kredsløb der beskriver sammenhængen mellem common mode spændingen og lejespændingen. Ifølge diagrammet spejles common mode spændingen over lejet med dette spændingsdeler kredsløb! 26 Danfoss Drives

27 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift De meget korte IGBT stigetider i frekvensomformeren (typ. dt = 100 ns) skaber en høj dv/dt = (2...10) kv/µs som interagere med det ækvivalente kredsløb. På den måde skabes lejestrømme. Der kan kobles fire forskellige typer af lejestrømme til de parasitiske kapacitanser i motoren. 27 Danfoss Drives

28 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift (i) Capacitive bearing currents Common mode spændingen skaber et spændingsfald henover de indreog ydre løberinge af lejerne. Som introduceret tidligere varierer lejernes impendans afhængig af drifttemperatur og hastighed. Typisk er denne form for lejestrøm ikke skadelig da strømmen er meget lav (typ. <200 ma). 28 Danfoss Drives

29 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift 29 Danfoss Drives

30 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift (ii) Electrostatic discharge currents Pga. lejets kapacitive karakteristik vil smøremidlet blive elektrisk ladet under drift. Hvis lejespændingen når en hvis tærskel på ca V afhængig af drift temperaturen og hastigheden, vil en EDM afladning finde sted. Electric Discharge Machining (EDM) er en elektrostatisk afladningsstrøm som er skadelig for lejematerialet (stål). Den oplagrede energi I kondensatoren (lejet) aflades I form af en høj strøm på ca A. 30 Danfoss Drives

31 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift 31 Danfoss Drives

32 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift (iii) Circulating bearing currents Pga. den kapacitive kobling ml. stator viklingerne og stator huset vil den høje dv/dt skabe en yderligere jordstrøm, som vil skabe en cirkulær magnetisk flux rundt om drivakslen. Denne flux inducerer en spænding henover drivakslen (potentialeforskel ml. NDE og DE). Hvis denne spænding overstiger lejets tærskel spænding vil der skabes en strømvej stator hus DE leje drivaksel - NDE leje. Denne type lejestrøm vil spejle jordstrømmen da det skyldes en induktiv kobling. 32 Danfoss Drives

33 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift 33 Danfoss Drives

34 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift (iv) Rotor ground currents Hvis motoren er jordforbundet via drivakslen gennem lasten er der risiko for at en del af jordstrømmen vil passere gennem rotoren og dermed lejet. Mængden af rotor jordstrøm bestemmes af den faktiske højfrekvente (HF) jord impedans ml. stator huset og rotoren. Hvis stator husets HF jord impedans er lav, vil HF jordstrømmen gennem rotoren være lille. Denne type lejestrøm kan specielt være skadelig for lejerne hvis HF jord impedansen gennem lasten er lavere end HF jord impedansen gennem stator huset. Derfor er det vigtigt med et stort jord tværsnit ml. VSD og motor. 34 Danfoss Drives

35 Lejestrømstyper Lejestrømme ved frekvensomformerdrift 35 Danfoss Drives

36 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 36 Danfoss Drives

37 Identifikation af lejestrømme Speciel spændingsprobe Lejestrømme er svære at identificere da det er en kompleks størrelse som er afhængig af mange faktorer inkl., frekvens (hastighed), drift temperatur, omgivende miljø (korrosiv), mekanisk last, osv. De dominerende kapacitive koblinger ved frekvensomformerdrift er drevet af de højfrekvente puls-bredde-modulerede (PWM) spændinger. Da lejestrømmene er et produkt af de kapacitive koblinger vil lejestrømmene også være udgjort af høje frekvenser (Hz-MHz). Af den årsag er det nødvendigt med special HF udstyr for at detektere lejestrømme. 37 Danfoss Drives

38 Identifikation af lejestrømme Speciel spændingsprobe Udstyr, såsom et oscilloskop med høj sampling frekvens, er derfor et must for at være i stand til at detektere dem. 38 Danfoss Drives

39 Identifikation af lejestrømme Speciel spændingsprobe Det er meget upraktisk at foretage en direkte måling af lejestrømme. En strategi for at estimere lejestrømmenes skadeniveau er derfor at anvende spændingskurven som vil skifte potentiale hver gang et overslag finder sted gennem lejet. 39 Danfoss Drives

40 Identifikation af lejestrømme Speciel spændingsprobe Ved at anvende en differentialprobe og et oscilloskop, kan spændingskurven ml. stator huset og drivakslen overvåges og analyseres. 40 Danfoss Drives

41 Identifikation af lejestrømme Speciel spændingsprobe Ved korrekt tolkning af spændingskurven med oscilloskop er det muligt at tælle antallet og størrelsen af overslag (EDM) over tid (typ. pr. sek). Med disse er det muligt at forudsige lejets levetid. 5V/div. Afladning 5us/div. Et typisk overslag forekommer ml. ±7-15 V og varer ca. <100 ns, typisk <30ns. 41 Danfoss Drives

42 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 42 Danfoss Drives

43 Identifikation af lejestrømme Energi i lejestrømme Ethvert momentant potentialeskift angiver en afladning gennem lejet og hver afladning skaber et krater i løberingene og kuglerne. Det afgørende for om niveauet af lejestrømme er skadeligt for lejet er antallet af elektriske afladninger samt hvor meget energi de indeholder. Den oplagrede energi i en kapacitiv afladning er bestemt af kapacitansen og spændingsniveauet som afladningen sker ved: E afladning 1 2 C V2 Kratere Derfor er energien i en afladning proportional med spændingsniveauet i anden potens. 43 Danfoss Drives

44 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 44 Danfoss Drives

45 Identifikation af lejestrømme Vurdering af lejets levetid For at overvinde lejestrømsproblemer er tricket at være i stand til at forudsige levetiden for lejet baseret på det aktuelle niveau af lejestrømme. Ved at klassificere antallet af afladninger og spændingsniveuaet de sker ved, er det muligt at evaluere lejets levetid. Ved alene at bruge et oscilloskop kan en sådan proces være meget tung #1 5 V, #2 10V, #3 20V Mellem Lav Høj 45 Danfoss Drives

46 Identifikation af lejestrømme Vurdering af lejets levetid En special spændingsprobe designet specifikt til identifikation af elektriske afladninger (potentialeskift på spændingskurven) mellem stator huset og drivakslen kan anvendes til at afgøre om det faktiske niveau af lejestrømme er på et skadeligt niveau eller ikke. For mange udladninger pr. sekund betyder at lejet er i fare for tidlig opslid, og jo højere energi niveau udladninger sker ved desto hurtigere fejler lejet. 46 Danfoss Drives

47 Identifikation af lejestrømme Vurdering af lejets levetid Lejets levetid kan estimeres på baggrund af empiriske målinger foretaget med den specielle spændingsprobe og følgende tabel: Antallet og niveauet af elektriske peak spændinger logges også. De kan være potentielt farlige hvis drift temperaturen, hastigheden, lasten, osv. ændres. 47 Danfoss Drives

48 Identifikation af lejestrømme Vurdering af lejets levetid Kundeeksempel: Med common mode filter 48 Danfoss Drives

49 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 49 Danfoss Drives

50 Systemdesignets betydning Effekten af forskellige parametre Typen og niveauet af lejestrømme påvirkes af mange parametre inkl.: Motor størrelse Motor hastigheden and drift temperatur Frekvensomformertype (indbyggede filtre) Switch frekvens Motorkabel type (skærmet/uskærmet) Motor kabel længde Stator og rotor jordingsforhold Efterfølgende slides indeholder konklusionen fra Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors, Annette Muetze, 2004 som er en anerkendt Ph.d. afhandling. 50 Danfoss Drives

51 Systemdesignets betydning Effekten af forskellige parametre For små motor størrelser (~11 kw) er den dominerende lejestrømstype den kapacitive EDM type (ii). For store motorer er det den cirkulerende lejestrøm som er dominerende (iii). Motor hastigheden og lejetemperaturen påvirker hovedsageligt størrelsen af lejestrømmene ikke antallet. Kun hvis frekvensomformeren har et supplerende dv/dt filter installeret, kan de cirkulerende lejestrømme i store motorer reduceres med mere end 50 %. Switch frekvensen påvirker ikke markant størrelsen af EDM afladninger (ii) eller de cirkulerende lejestrømme (iii). 51 Danfoss Drives

52 Systemdesignets betydning Effekten af forskellige parametre Ved brug af et skærmet kabel fremfor uskærmet kabel ses en vækst på op til 40 % i statorens jordstrøm generelt. Kabeltypen har ingen betydning for EDM afladningerne (ii) i små motorer men forøger de cirkulerende lejestrømme (iii) i store motorer. Kabeltypen har meget mindre betydning end motorstørrelsen generelt. Ved at reducere motor kabellængden reduceres stator jordstrømmen, da lækstrømmen derved reduceres. Denne har minimal betydning for EDM afladningerne (ii), og de cirkulerende lejestrømme (iii) I store motorer ved lav hastighed. Kabellængden har meget mindre betydning end kabeltypen og motorstørrelsen. 52 Danfoss Drives

53 Systemdesignets betydning Effekten af forskellige parametre Hvis rotoren ikke er jordet, ændrer statorens jordings konfiguration ikke på EDM afladningerne (ii) for små motorer. De cirkulerende lejestrømme I store motorer afhænger af stator jordstrømmen (lækstrømmen). Ved korrekt jording kan de cirkulerende lejestrømme reduceres med op til 50 % (separat PE leder). Hvis der anvendes uskærmet kabel og hvis den faktiske dv/dt ikke begrænses af et dv/dt filter, kan der typisk måles store rotor jordstrømme der passerer lejerne. Størrelsen af strømmen stiger med længden af kablet. Skærmet kabel eliminerer stort set rotor jordstrømmene. 53 Danfoss Drives

54 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 54 Danfoss Drives

55 Afhjælpningsteknikker Når niveauet af lejestrømme er alarmerende højt, findes der forskellige metoder til at reducere dem: dv/dt filter Sinusfilter Common mode filter (kerner) Common mode filter Skærmet motor kabel Isolerede lejer Hybrid lejer ved frekvensomformeren i motoren Den bedste løsning afhænger af lejestrømstypen. 55 Danfoss Drives

56 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren dv/dt filtre forøger PWM stigetiden og reducerer derfor dv/dt Består normalt af tre spoler Der eksisterer også andre typer med samme formål 56 Danfoss Drives

57 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Sinufiltre er lavpasfiltre, som filtrerer de højtfrekvente PWM spændinger og generer en filtreret fase-fase spænding. Common mode spændingen påvirkes ikke af et sinusfilter. Et sinusfilter består af tre spoler og tre kondensatorer i stjerne eller trekant kobling. 57 Danfoss Drives

58 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Common mode filtre (kerner) virker som en spole for common mode strømmen. Dermed reduceres common mode strømriplen. Common mode spændingen påvirkes ikke. De tre faser føres igennem kernen Meget simpel installation 58 Danfoss Drives

59 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Et common mode filter er et specialfilter som filtrerer den højfrekvente common mode spænding. Kompliceret design. Filterekspertise kræves. Dette filter er meget effektivt overfor common mode spændingen og eliminerer lejestrømme, men er bekosteligt og kræver ekspertise. 59 Danfoss Drives

60 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Ved at sammenligne de forskellige filtre for små motorer (11 kw) ses det at effekten af dem stort set er ens: 60 Danfoss Drives

61 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren For store motorer (110 kw) ved lav hastighed ses det at virkningen af filtrene er meget mere signifikant for lejestrømmene (i g ): 61 Danfoss Drives

62 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Resultaterne i procent viser at den bedste filter performance ved lav hastighed opnås med common mode kerner (reduceres >90 %): 62 Danfoss Drives

63 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Ved høj hastighed er billedet det samme: 63 Danfoss Drives

64 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Ved høj hastighed er billedet det samme: 64 Danfoss Drives

65 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Store motorer (500 kw) ved lav hastighed: 65 Danfoss Drives

66 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Store motorer (500 kw) ved lav hastighed: 66 Danfoss Drives

67 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Store motorer (500 kw) ved høj hastighed: 67 Danfoss Drives

68 Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren Store motorer (500 kw) ved høj hastighed: God performance 68 Danfoss Drives

69 Lejestrømme Program Danfoss Drives Introduktion Fysikken bag lejestrømme Hvad er lejestrøm og hvad forårsager lejestrøm? Et leje som en elektrisk impedans Lejestrøm og energidensitet Lejestrømstyper Klassiske lejestrømme Lejestrømme ved frekvensomformerdrift Identifikation af lejestrømme Special spændingsprobe Energi i lejestrømme Vurdering af lejets levetid Systemdesignets betydning Afhjælpningsteknikker Ved frekvensomformeren og indeni motoren 69 Danfoss Drives

70 Afhjælpningsteknikker I motoren Isolerede lejer er lejer med en tyndt lag isolering placeret udenpå den yderste løbering. Isolationsmaterialet forøger lejets elektriske impedans og påvirker derved lejestrømme, men ikke stator jordstrømmene. Isolationsmaterialet er typisk 250 μm tyk Isoleret SKF leje 70 Danfoss Drives

71 Afhjælpningsteknikker I motoren Lejestrømme v. motorstørrelse på 11 kw med normal drift temperatur (70 C): 71 Danfoss Drives

72 Afhjælpningsteknikker I motoren Ved 110 kw med normal drift temperatur (70 C): 72 Danfoss Drives

73 Afhjælpningsteknikker I motoren Ved 500 kw med normal drift temperatur (70 C): 73 Danfoss Drives

74 Afhjælpningsteknikker I motoren Lejestrømmene reduceres generelt til mindre end 40 % ved at anvende to isolerede lejer (både NDE og DE). Ved kun at bruge et isoleret leje reduceres de cirkulerende lejestrømme til <40 %. Ved to til <20 %. Lejestrømme elimineres ikke fuldkomment ved at anvende isolerede lejer, da leje impedansen stadig er meget ulineær. Afhængig af det faktiske motorsystem kan resterende lejestrømme i nogle tilfælde være uden betydning. 74 Danfoss Drives

75 Afhjælpningsteknikker I motoren Hybrid lejer er lejer med keramiske kugler (Si 3 N 4 ) som har en meget høj elektrisk resistivitet. Da materialet har denne høje resistivitet, agerer hele kuglens diameter som en elektrisk isolator der forhindrer lejestrømme. Keramiske kugler 75 Danfoss Drives

76 Afhjælpningsteknikker I motoren For en motorstørrelse på 11 kw elimineres lejestrømmene. 76 Danfoss Drives

77 Afhjælpningsteknikker I motoren For en motorstørrelse på 110 kw elimineres lejestrømmene. 77 Danfoss Drives

78 Afhjælpningsteknikker Konklusion Jord- og lejestrømme kan effektivt reduceres med common mode kerner. Den procentvise reduktion er mest signifikant ved motorstørrelser >11 kw. Målinger foretaget af Danfoss Drives med den specielle spændingsprobe viser samme billede common mode kerner har den bedste virkning for afhjælpning ved frekvensomformeren. Ved anvendelse af hybrid lejer når spændingen ml. stator huset og drivakslen aldrig lejets tærskel spænding for at skadelige lejestrømme kan foregå. Hybrid lejer er derfor meget effektive, da de eliminerer både de cirkulerende lejestrømme og EDM afladningerne. De to mest effektive afhjælpningsteknikker for at imødekomme lejestrømproblemer er derfor common mode kerner eller to hybrid lejer. 78 Danfoss Drives

79 Bibliografi Bearing Currents in Inverter-Fed AC-Motors, Annette Muetze, Danfoss Drives