Οι ηλεκτρικοί κινητήρες διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στην καθημερινή μας ζωή – όπου ζούμε, εργαζόμαστε και παίζουμε.Με απλά λόγια, κάνουν σχεδόν ό,τι κινείται, κινείται.Σχεδόν το 70 τοις εκατό της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από συστήματα ηλεκτροκινητήρων.1

Περίπου το 75 τοις εκατό των βιομηχανικών κινητήρων που λειτουργούν χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία αντλιών, ανεμιστήρων και συμπιεστών, μια κατηγορία μηχανημάτων που είναι ιδιαίτερα επιρρεπής σε σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση2.Αυτές οι εφαρμογές λειτουργούν συχνά με σταθερή ταχύτητα, όλη την ώρα, ακόμα και όταν δεν χρειάζονται.Αυτή η συνεχής λειτουργία σπαταλά ενέργεια και παράγει περιττές εκπομπές CO2, αλλά ελέγχοντας την ταχύτητα ενός κινητήρα, μπορούμε να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας, εξοικονομώντας ενέργεια και μειώνοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Ένας τρόπος για να ελέγξετε την ταχύτητα ενός κινητήρα είναι μέσω της χρήσης μιας μονάδας μεταβλητής ταχύτητας (VSD), μιας συσκευής που ρυθμίζει την ταχύτητα περιστροφής ενός ηλεκτρικού κινητήρα μεταβάλλοντας τη συχνότητα και την τάση που παρέχεται στον κινητήρα.Με τον έλεγχο της ταχύτητας ενός κινητήρα, ένας ηλεκτροκινητήρας μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας (για παράδειγμα, η μείωση της ταχύτητας περιστρεφόμενου εξοπλισμού κατά 20 τοις εκατό μπορεί να μειώσει τις απαιτήσεις ισχύος εισόδου κατά περίπου 50 τοις εκατό3) και να προσφέρει σημαντική βελτίωση στον έλεγχο της διαδικασίας και σημαντική εξοικονόμηση κόστους λειτουργίας σε όλη τη διάρκεια ζωής από τα moA που είναι χρήσιμα όπως τα VSD είναι για εξοικονόμηση ενέργειας σε πολλές εφαρμογές, μπορούν να προκαλέσουν πρόωρη βλάβη του κινητήρα εάν δεν είναι σωστά γειωμένα.Ενώ υπάρχουν πολλές διαφορετικές αιτίες αστοχίας του ηλεκτροκινητήρα, το πιο κοινό πρόβλημα κατά τη χρήση μιας μονάδας δίσκου είναι η αστοχία ρουλεμάν που προκαλείται από τάση κοινής λειτουργίας.

Ζημιά που προκαλείται από τάση κοινής λειτουργίας

Σε ένα τριφασικό σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος, η τάση κοινού τρόπου λειτουργίας μπορεί να οριστεί ως η ανισορροπία που υπάρχει μεταξύ των τριών φάσεων που δημιουργείται από τη διαμορφωμένη ισχύ παλμού του ηλεκτροκινητήρα ή τη διαφορά τάσης μεταξύ της γείωσης της πηγής ισχύος και του ουδέτερου σημείου των τριών φορτίο φάσης.Αυτή η κυμαινόμενη τάση κοινού τρόπου λειτουργίας προκαλεί ηλεκτροστατικά τάση στον άξονα του κινητήρα και αυτή η τάση άξονα μπορεί να εκφορτιστεί μέσω των περιελίξεων ή μέσω των ρουλεμάν.Τα σύγχρονα τεχνικά σχέδια, η μόνωση φάσης και το σύρμα ανθεκτικό στις ακίδες του μετατροπέα μπορούν να βοηθήσουν στην προστασία των περιελίξεων.Ωστόσο, όταν ο ρότορας βλέπει μια συσσώρευση αιχμών τάσης, το ρεύμα αναζητά τη διαδρομή της ελάχιστης αντίστασης στη γείωση.Στην περίπτωση ενός ηλεκτροκινητήρα, αυτή η διαδρομή διατρέχει απευθείας τα ρουλεμάν.

Δεδομένου ότι τα ρουλεμάν κινητήρα χρησιμοποιούν γράσο για λίπανση, το λάδι στο γράσο σχηματίζει μια μεμβράνη που λειτουργεί ως διηλεκτρικό, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να μεταδώσει τις ηλεκτρικές δυνάμεις χωρίς αγωγιμότητα.Με την πάροδο του χρόνου όμως, αυτό το διηλεκτρικό καταστρέφεται.Χωρίς τις μονωτικές ιδιότητες του γράσου, η τάση του άξονα θα εκφορτιστεί μέσω των ρουλεμάν και, στη συνέχεια, μέσω του περιβλήματος του κινητήρα, για να επιτευχθεί ηλεκτρική γείωση.Αυτή η κίνηση του ηλεκτρικού ρεύματος προκαλεί δημιουργία τόξου στα ρουλεμάν, που συνήθως αναφέρεται ως κατεργασία ηλεκτρικής εκκένωσης (EDM).Καθώς αυτό το συνεχές τόξο εμφανίζεται με την πάροδο του χρόνου, οι επιφάνειες του ρουλεμάν γίνονται εύθραυστες και μικροσκοπικά κομμάτια μετάλλου μπορούν να σπάσουν μέσα στο ρουλεμάν.Τελικά, το κατεστραμμένο υλικό κινείται μεταξύ των σφαιρών και των ράβδων του ρουλεμάν, προκαλώντας ένα φαινόμενο λείανσης, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει κοιλώματα μεγέθους μικρού, που ονομάζεται παγετό, ή ραβδώσεις σαν σανίδα πλυσίματος στην αυλάκωση ρουλεμάν, που ονομάζεται αυλάκωση.

Μερικοί κινητήρες μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν καθώς η ζημιά επιδεινώνεται προοδευτικά, χωρίς αξιοσημείωτα προβλήματα.Το πρώτο σημάδι βλάβης του ρουλεμάν είναι συνήθως ένας ηχητικός θόρυβος, λόγω των σφαιρών του ρουλεμάν που ταξιδεύουν πάνω από τις περιοχές με κουκούτσι και παγωμένο.Αλλά από τη στιγμή που εμφανίζεται αυτός ο θόρυβος, η ζημιά έχει γίνει συνήθως αρκετά σημαντική ώστε να είναι επικείμενη η αποτυχία.

Βασισμένο στην πρόληψη

Οι βιομηχανικές εφαρμογές συνήθως δεν αντιμετωπίζουν αυτές τις δυσκολίες ρουλεμάν σε κινητήρες μεταβλητής ταχύτητας, αλλά σε ορισμένες εγκαταστάσεις, όπως εμπορικά κτίρια και διακίνηση αποσκευών αεροδρομίου, η γείωση δεν είναι πάντα διαθέσιμη.Σε αυτές τις περιπτώσεις, πρέπει να χρησιμοποιηθεί άλλη μέθοδος για την εκτροπή αυτού του ρεύματος μακριά από τα ρουλεμάν.Η πιο συνηθισμένη λύση είναι να προσθέσετε μια συσκευή γείωσης άξονα στο ένα άκρο του άξονα του κινητήρα, ειδικά σε εφαρμογές όπου η τάση κοινής λειτουργίας μπορεί να είναι πιο διαδεδομένη.Μια γείωση άξονα είναι ουσιαστικά ένα μέσο σύνδεσης του στροφείου περιστροφής του κινητήρα με τη γείωση μέσω του πλαισίου του κινητήρα.Η προσθήκη μιας συσκευής γείωσης άξονα στον κινητήρα πριν από την εγκατάσταση (ή η αγορά ενός κινητήρα με έναν προεγκατεστημένο) μπορεί να είναι ένα μικρό τίμημα σε σύγκριση με την τιμή του κόστους συντήρησης που σχετίζεται με την αντικατάσταση ρουλεμάν, για να μην αναφέρουμε το υψηλό κόστος διακοπή λειτουργίας σε μια εγκατάσταση.

Υπάρχουν αρκετοί κοινοί τύποι συσκευών γείωσης άξονα στη βιομηχανία σήμερα, όπως βούρτσες άνθρακα, βούρτσες δακτυλίου τύπου ινών και απομονωτές ρουλεμάν γείωσης, καθώς και άλλες μέθοδοι προστασίας των ρουλεμάν.

Οι ψήκτρες άνθρακα χρησιμοποιούνται για περισσότερα από 100 χρόνια και είναι παρόμοιες με τις βούρτσες άνθρακα που χρησιμοποιούνται στους μεταγωγείς κινητήρα συνεχούς ρεύματος.Οι βούρτσες γείωσης παρέχουν την ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των περιστρεφόμενων και στατικών τμημάτων του ηλεκτρικού κυκλώματος του κινητήρα και μεταφέρουν το ρεύμα από τον ρότορα στη γείωση, έτσι ώστε το φορτίο να μην συσσωρεύεται στον ρότορα στο σημείο όπου εκκενώνεται μέσω των ρουλεμάν.Οι βούρτσες γείωσης προσφέρουν ένα πρακτικό και οικονομικό μέσο για την παροχή μιας διαδρομής χαμηλής αντίστασης προς τη γείωση, ειδικά για κινητήρες μεγαλύτερου πλαισίου.Ωστόσο, δεν είναι χωρίς τα μειονεκτήματά τους.Όπως και με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, οι βούρτσες υπόκεινται σε φθορά λόγω της μηχανικής επαφής με τον άξονα και, ανεξάρτητα από το σχεδιασμό της βάσης της βούρτσας, το συγκρότημα πρέπει να ελέγχεται περιοδικά για να διασφαλίζεται η σωστή επαφή μεταξύ των βουρτσών και του άξονα.

Οι δακτύλιοι γείωσης άξονα λειτουργούν όπως μια βούρτσα άνθρακα, αλλά περιέχουν πολλαπλούς κλώνους ηλεκτρικά αγώγιμων ινών διατεταγμένων μέσα σε έναν δακτύλιο γύρω από τον άξονα.Το εξωτερικό του δακτυλίου, το οποίο είναι τυπικά τοποθετημένο στην τελική πλάκα του κινητήρα, παραμένει ακίνητο, ενώ οι βούρτσες κινούνται στην επιφάνεια του άξονα του κινητήρα, κατευθύνοντας το ρεύμα μέσα από τις βούρτσες και με ασφάλεια στη γείωση.Οι δακτύλιοι γείωσης άξονα μπορούν να τοποθετηθούν μέσα στον κινητήρα, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιηθούν σε κινητήρες πλυσίματος και βρώμικους κινητήρες.Ωστόσο, καμία μέθοδος γείωσης άξονα δεν είναι τέλεια και οι δακτύλιοι γείωσης που είναι τοποθετημένοι εξωτερικά τείνουν να συλλέγουν ρύπους στις τρίχες τους, γεγονός που μπορεί να μειώσει την αποτελεσματικότητά τους.

Οι απομονωτές ρουλεμάν γείωσης συνδυάζουν δύο τεχνολογίες: μια ασπίδα απομόνωσης δύο μερών, χωρίς επαφή που χρησιμοποιεί σχέδιο λαβύρινθου για την αποφυγή εισροής ρύπων και μεταλλικό ρότορα και απομονωμένο αγώγιμο δακτύλιο νήματος για εκτροπή των ρευμάτων του άξονα μακριά από τα ρουλεμάν.Δεδομένου ότι αυτές οι συσκευές αποτρέπουν επίσης την απώλεια λιπαντικού και τη μόλυνση, αντικαθιστούν τις τυπικές στεγανοποιήσεις ρουλεμάν και τους παραδοσιακούς απομονωτές ρουλεμάν.

Ένας άλλος τρόπος για να αποτραπεί η εκκένωση ρεύματος μέσω των ρουλεμάν είναι η κατασκευή των ρουλεμάν από μη αγώγιμο υλικό.Στα κεραμικά ρουλεμάν, οι σφαίρες με κεραμική επίστρωση προστατεύουν τα ρουλεμάν εμποδίζοντας το ρεύμα του άξονα να ρέει μέσω των ρουλεμάν προς τον κινητήρα.Δεδομένου ότι δεν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω των ρουλεμάν του κινητήρα, υπάρχει μικρή πιθανότητα φθοράς που προκαλείται από το ρεύμα.Ωστόσο, το ρεύμα θα αναζητήσει μια διαδρομή προς τη γείωση, πράγμα που σημαίνει ότι θα περάσει από προσαρτημένο εξοπλισμό.Δεδομένου ότι τα κεραμικά ρουλεμάν δεν αφαιρούν το ρεύμα από τον ρότορα, συνιστώνται μόνο συγκεκριμένες εφαρμογές άμεσης μετάδοσης κίνησης για κινητήρες με κεραμικά ρουλεμάν.Άλλα μειονεκτήματα είναι το κόστος για αυτό το στυλ ρουλεμάν κινητήρα και το γεγονός ότι τα ρουλεμάν είναι συνήθως διαθέσιμα μόνο μέχρι το μέγεθος 6311.

Σε κινητήρες μεγαλύτερους από 100 ίππους, συνιστάται γενικά η εγκατάσταση ενός μονωμένου ρουλεμάν στο αντίθετο άκρο του κινητήρα στον οποίο είναι εγκατεστημένη η συσκευή γείωσης άξονα, ανεξάρτητα από το είδος της γείωσης του άξονα.

Τρεις συμβουλές εγκατάστασης μονάδας μεταβλητής ταχύτητας

Τρεις εκτιμήσεις για τον μηχανικό συντήρησης όταν προσπαθεί να μειώσει την τάση κοινού τρόπου λειτουργίας σε εφαρμογές μεταβλητής ταχύτητας είναι:

1. Βεβαιωθείτε ότι ο κινητήρας (και το σύστημα κινητήρα) είναι σωστά γειωμένοι.
2. Προσδιορίστε τη σωστή ισορροπία συχνότητας φορέα, η οποία θα ελαχιστοποιήσει τα επίπεδα θορύβου καθώς και την ανισορροπία τάσης.
3. Εάν κρίνεται απαραίτητη μια συσκευή γείωσης άξονα, επιλέξτε αυτή που λειτουργεί καλύτερα για την εφαρμογή.

Όταν υπάρχει ρεύμα ρουλεμάν, δεν υπάρχει λύση που να ταιριάζει σε όλους.Είναι ζωτικής σημασίας για τον πελάτη και τον προμηθευτή κινητήρα και ηλεκτροκινητήρα να συνεργαστούν για να εντοπίσουν την καταλληλότερη λύση για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.