لزوم جلوگیری از جریان بیرینگ در الکتروموتور

مقدمه :

بیرینگ ها یکی از اجزاء بسیار مهم الکتروموتورها می باشند که عملکرد صحیح آن ها  در سلامت الکتروموتورها نقش بسیار مهمی ایفا می کنند .  طول عمر بیرینگ به عوامل گوناگون مانند :  روانکاری نادرست و ناکافی  ، شرایط محیطی همراه با گرد و غبار ، رطوبت ، وجود ویبره و ...بستگی دارد.. یکی از عواملی که سبب آسیب به بیرینگ می شود، ایجاد جریان بیرینگ (Electrostatics Discharge Machining)  یا به اختصار  EDM  در الکتروموتورها است.  

نقش مخرب جریان بیرینگ در سال های پیش شناخته شده بود . در ابتدا این جریان اغلب بر اثر عدم تقارن سیم پیچ ها ی استاتور ایجاد می شد ، اما استفاده از تکنولوژی های پیشرفته در ساخت  سیم پیچ ها و الکتروموتورها ،تاثیر این عامل  در ایجاد جریان بیرینگ را کم رنگ ترکرده است . ولی امروزه با افزایش  استفاده از درایوهای کنترل دور مدرن در الکتروموتورها ، این مشکل از اهمیت مجددی برخوردار شده است . این نکته حائز اهمیت است که ولتاژ ناچیزی در شافت الکتروموتور می تواند صدمه جدی  به بیرینگ ها و یا حتی شافت موتور وارد می نماید . در این مقاله سعی شده است این عامل مخرب بیرینگ  و شافت موتور و راه های جلوگیری از این تخریب بیان گردد .

آشنایی با جریان بیرینگ

هنگامی که الکتروموتور به یک منبع تغذیه  سه فاز سینوسی متعادل متصل باشد و همچنین الکتروموتور دارای کیفیت مناسبی از لحاظ ساخت و سیم پیچ ها باشد ولتاژ نقطه خنثی (Common Mode Voltage ) برابر صفر است . اما هرگونه عدم تعادل ولتاژ یا جریان در الکتروموتور  باعث  ایجاد  شار نشتی شده  و همین امر باعث  بوجود آمدن سطح ولتاژی روی شافت  شود. در نتیجه  جریان چرخشی از شافت به فریم الکتروموتور جاری می  شود . استفاده از درایو های  کنترل دور که بر اساس تکنولوژی  PWM   کا ر می کنند ، دارای ولتاژ خروجی غیر سینوسی هستند،  نتیجتا ً جمع برداری ولتاژ سه فاز برابر صفر نخواهد شد.در شکل زیر ولتاژ نقطه خنثی (Common Mode Voltage ) نشان داده شده است . این ولتاژ به ولتاژ باس  DC  و فرکانس سوئیچینگ درایو کنترل دور بستگی دارد .

شکل 1 – شکل فوق ولتاژهای خروجی سه فاز و ولتاژ نقطه خنثی یک درایو کنترل دور را نشان می دهد .

در الکتروموتورهای با توان بالا (بیش از 100Kw ) پالس های فرکانس بالای اعمال شده از طریق درایو کنترل دور به الکتروموتور که دارای نقطه خنثی غیر صفر هستند ، موجب ایجاد شار نامتقارن شده و ولتاژی در روی شافت بوجود می آید . اگر ولتاژ به اندازه کافی زیاد باشد ، دی الکتریک (روانکار )  بیرینگ شکسته شده  و باعث تخلیه و عبور جریان از طریق بیرینگ به فریم الکتروموتور  می شود . در الکتروموتورها با توان متوسط و کوچک ( کمتر از100 Kw  ) فاصله هوایی به عنوان  یک تقسیم  کننده ولتاژ عمل می کند که این باعث ایجاد ولتاژ ناشی از سیم پیچ استاتور روی شافت  و تخلیه آن از طریق فریم الکتروموتور  می گردد .  این حالت بیشتر در هنگامی که  شافت الکتروموتور در هیچ نقطه ای به زمین وصل نباشد اتفاق می افتد .  بطور کلی لایه روانکار در بیرینگ نقش دی الکتریک را بعهده دارد و در صورت وجود ولتاژ روی شافت الکتروموتور و زمانی که این ولتاژ به مقدار کافی بزرگ باشد سبب شکست دی الکتریک و تخلیه می گردد ، که دراثر این تخلیه الکتریکی  سایش بیرینگ و حتی در   مواردی صدمات شدید به شافت الکتروموتور بوجود می آید .  شکل زیر شماتیکی از ایجاد خازن  بین سطح خارجی Ball   ها و سطح داخلی بیرینگ را نشان می دهد . لازم به ذکر است هر چه سرعت الکتروموتور بالاتر باشد ، سایش بیرینگ بیشتر خواهد بود.

شکل 2- نمائی از تشکیل خازن در بیرینگ

اندازه گیری  ولتاژ و جریان شافت  :

     اندازه گیری  ولتاژ  شافت را  در الکتروموتورهایی  که دارای بیرینگ  عایق  هستند می توان به روش زیر انجام داد.  برای این اندازه گیری  از  اسیلوسکوپ  امپدانس بالا استفاده می شود که یک پرآب  آن  به  فریم الکتروموتور و پرآب  دیگر  از طریق ذغال به شافت  الکتروموتور متصل می گردد . بهتر است ابتدا این اندازه گیری در سمت  بیرینگ غیر عایق انجام شود .  در صورت در دسترس نبودن اسیلوسکوپ امپدانس بالا از ولت متر امپدانس بالا نیز می توان استفاده نمود . ولتاژ AC  و DC  در دو سمت بیرینگ های الکتروموتور اندازه گیری می گردد . برای اندازه گیری جریان شافت نیز به جای اسیلوسکوپ از آمپرمتر با مقاومت پایین استفاده  می شود .

روش های جلوگیری از ایجاد جریان بیرینگ :

     با توجه به تخریب شدید بیرینگ ناشی از جریان بیرینگ بویژه در الکتروموتورهایی که از درایو کنترل دور تغذیه می شوند ، واگر که در الکتروموتورهای با توان بالا در صورتی که جهت رفع این مشکل پیش بینی صورت نگرفته باشند  بیرینگ الکتروموتور حداکثر یک تا چهار ماه بیشتر کار نخواهد کرد و حتماً نیاز به تعویض پیدا می کنند . مطالب فوق اهمیت جلوگیری از ایجاد جریان بیرینگ را پر رنگ  تر می نماید .برای جلوگیری از وقوع چنین اثری راه های مختلفی پیشنهاد می شود که عبارتند از:

1-استفاده از کابل مناسب :

یکی از راه های مناسب و مطمئن جهت جلوگیری از جریان  بیرینگ استفاده از کابل  سه رشته متقارن با شیلد از خروجی درایو کنترل دور  تا ورودی الکتروموتور می باشد .  در این حالت شیلد کابل می تواند جریان نقطه خنثی را به درایو برگرداند . لازم بذکر است استفاده از کابل های تک رشته برای الکتروموتورهایی که از درایو کنترل دور تغذیه می شوند ، مجاز نمی باشد .

2-استفاده از بیرینگ های عایق (Insulation Bearings )

استفاده از بیرینگ های عایق در الکتروموتور باعث قطع مسیر جریان می گردند . الکتروموتورهایی که از درایو کنترل دور تغذیه می شوند در صورتی که ولتاژ شافت این الکتروموتورها از 500 mV    بیشتر باشد ، باید از بیرینگ  عایق استفاده شود . [IEC 60034 -17: 1994]  معمولا ً بیرینگ عایق در سمت NDE) ) الکتروموتور نصب می شود . در هنگام تعویض این بیرینگ ها باید به عایق آنها کاملاً توجه شود و حتما ً در پایان تعمیرات این دسته از الکتروموتورها تست مقاومت عایقی بیرینگ مطابق استاندارد  [IEEE 112 : 2004]  صورت پذیرد . به غیر از استفاده از بیرینگ های عایق می توان با استفاده از مواد عایق در کاسه  بیرینگ نیز مسیر عبور جریان را قطع نمود . در سیمان خاکستری ساوه در مواقعی که کاسه بیرینگ صدمه ببیند با استفاده از چسب های عایق که قابلیت پذیرش ماشین کاری را دارند ، ترمیم  انجام می شود . این نحوه تعمیر علاوه بر مزایایی که نسبت به روش جوش و تراش دارد  ، در قطع مسیر جریان  بیرینگ نیز بسیار موثر است .

سیستم ارت مناسب تجهیزات :

نصب سیستم ارت مناسب جهت تجهیزات از جمله  تابلو ها ، الکتروموتورها ، بدنه ماشین آلات و ... بسیار در کاهش عوارض ناشی از EDM  موثر است . آزمایش چاه های ارت و اضافه نمودن آب به چاه های ارت در فصول گرم سال بسیار اهمیت دارد . یکی از راه  های کاهش اثرات مخرب EDM  ، نصب ذغال روی شافت الکتروموتور است که از این طریق شافت الکتروموتور با مقاومت بسیار  پایین  ارت شده و باعث تخلیه جریان بدون  ایجاد ARC  و عبور جریان از بیرینگ می گردد .

شکل 3- استفاده از ذغال برای ارت شافت به زمین

استفاده از فیلترهای مناسب در درایو کنترل دور  :

استفاده از فیلتر های مناسب مانند : فیلتر  ، Common Mode  Filter و  ... جهت جلوگیری از جریان بیرینگ بسیار موثر هستند . که معمولا ً در درایوها ی با توان بالا از این فیلترها استفاده می گردد . در شکل زیر نصب فیلتر Common Mode Filter    در تابلو کنترل دور  نشان داده شده است .

شکل 4- استفاده از فیلتر Common Mode Filter   

 IEC  60034 – 17  : 1998 , Cage Induction Motors  When  Fed From Converter Application Guide

    IEEE 112   : 2004 , IEEE Standard Test Procedure Poly Phase Induction Motors and Generators

  Bearing  Current in Modern Ac Drive System , 3BFE 64230247R0125  EN 01.12.99  .ABB Automation Group  Ltd.

 Hoppler . R  And  R . A . Errath   2007 ; Motor  Bearing  ,Not Just a Piece of Metal . ABB Switzerland  Ltd.

  Nippes  P . I  And  E . S . Galano . Understanding  Shaft  Voltage  and  Grounding Currents of Turbine Generators

 Drommi  . J . L  And  J . Herigault   2003 ;  Experience  Feedback  On  Insulated  Bearing  of  Large Turbo Generators

AEGIS  iPRO  ( Shaft Grounding Technology )  www.morgan.com  Carbon . com