Taajuusmuuttajaohjattujen sähkömoottorikäyttöjen laakerivirrat ja niiden mittaaminen. Jero Ahola

Transkriptio

1

2 Taajuusmuuttajaohjattujen sähkömoottorikäyttöjen laakerivirrat ja niiden mittaaminen Jero Ahola

3 Esityksen sisältö Johdanto Taajuusmuuttajan aiheuttamien laakerivirtojen muodostuminen ja ehkäisy Radiotekniikkaan pohjautuva laakerivirtojen mittausmenetelmä Tuloksia laboratoriomittauksista Yhteenveto 3

4 Sähkömoottorin vikojen aiheuttamat vikataajuudet Vaurio Staattorivirta Huom. 1 Käämisulku Katkennut syöttöjohdin Epäsymmetrinen syöttö Lähde: Tuomo Lindh & Jarmo Partanen, Sähkökäyttöjen mittaavan kunnonvalvonnan menetelmiä, tutkimusraportti, LTKK, Pyörimisnop., vääntömom. Huom. 2. Värähtely Huom. 3 varma, verkon epäsymmetria tunnettava f, 2f varma varma, verkon epäsymmetria epäsymmetria, f s tunnettava epäsymmetria, vastakomponentti, f s varma 2f Laakerivauriot: Sisäkehä f+m(n/2)*n(1+(d/d)*cos) epävarma (n/2)*n(1+(d/d)*cos verhokäyrä Ulkokehä f+m(n/2)*n(1-(d/d)*cos) epävarma (n/2)*n(1-(d/d)*cos verhokäyrä Vierintäelin ei yleensä indikatiota (D/2d)*N(1-((d/D)*cos^ verhokäyrä Pidike ei yleensä indikatiota (1/2)*N(1+(d/D)*cos Laakerivirta/fluting laajakaistainen värähtely Roottorisauvan vaurio f±2sf varma 2sf varma f±2sf epävarma f(n rb (1-s)/p±k)±2sf varma f(n rb (1-s)/p±2(k-1))±2sf Roottorin epäkesk.: Staattinen f±f r ei vaihtele ei ilmene Staattinen ja dyn. f(kn rb ±n ecc )(1-s)/p±n s vaihtelee f(k(n rt ±1)(1-s)/p±2k), f r, 2f r Dynaaminen f±f r epävarma vaihtelee f(k(n rt ±1)(1-s)/p±2k), f r, 2f r f(k(1-s)/p±1) 4

5 Käytetyt merkinnät edellisen sivun taulukkoon Muuttuja k m n N d D cos cos f r f s f s N rb n s n ecc Kommentit 0,1,2,3,4, ±1,±2,±3, laakerin kuulien määrä pyörimisnopeus (1/s) laakerikuulan halkaisija laakerin vierintähalkaisija laakerikuulan kosketuskulma uralla =1 rullalle roottorin pyörimistaajuus verkon taajuus syöttötaajuuus jättämä roottorisauvojen lukumäärä verkkoharmonisten järjestysluku eksentrisyyden kertaluku 5

6 Laakerikipinöinnin aiheuttamia vaurioita Kuvat. Laakerikipinöinnin seurauksena vaurioituneita laakerikehiä 6

7 Laakerivirtojen muodostuminen ja ehkäisy 7

8 Taajuusmuuttajaohjattujen sähkömoottorien laakerivirrat Lähde Taajuusmuuttajan pääteasteen toiminta Topologia Kytkentätaajuus Välipiirin jännite Kytkinten nopeus Suodattimet Jne Aiheuttaja Yhteismuotoinen suuritaajuinen jännitepulssi moottorin terminaaleissa Seuraus/oire Laakerivirrat moottorissa ja kuormassa Alttius synnylle: Hajakapasitanssit Hajainduktanssit Laakerointi Jne Mittaaminen ja ehkäisytoimenpiteet 8

9 Tyypillisen pienjännitteisen taajuusmuuttajaohjatun moottorikäytön rakenne Kuva. Tyypillisen 2-tasoisen taajuusmuuttajaohjatun moottorikäytön rakenne 9

10 Yhteismuotoisen jännitteen muodostuminen Jokainen IGBT:n kytkentä tuottaa yhteismuotoisen jännitekomponentin Taajuusmuuttajan 6-pulssitasasuuntaussilta tuottaa lisänä 150 Hz taajuisen jännitekomponentin (välipiirin kondensaattorin keskipisteen huojunta) Yhteismuotoinen jännite moottorilla voidaan laskea yhtälöstä (alla) Yhteismuotoinen moottorin jännite: vaiheet molemmissa dc-välipiirin kiskoissa Kuva. Yhteismuotoinen moottorin jännite: kaikki vaiheet samassa dc-välipiirin kiskossa 10

11 Moottorin jännitteet 2-tasoisessa jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajassa Kuva. Simuloidut 2-tasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan tuottamat lähtöjännitteet ja yhteismuotoinen jännite. Kaikki jännitteet on esitetty maata vasten. Kytkentätaajuus 4 khz, syöttötaajuus 50 Hz, sähköverkon jännite 230/400V. Jännitteissä näkyy tasasuuntaussillan aiheuttama 150 Hz DCvälipiirin keskipisteen huojunta. 11

12 Moottorin hajakapasitanssit ja niiden merkitys Hajakapasitanssit eivät ole merkityksellisiä syöttöjännitteen taajuuksilla ( Hz) Taajuusmuuttajakäytöissä syöttöjännitteen perustaajuus toteutetaan moduloimalla Taajuusmuuttajan tehotransistorien kytkentätaajuudet ~10 khz Jännitteen aaltomuoto sisältää taajuuksia alueella 0-15 MHz, tehotiheys pienenee taajuuden kasvaessa Jännitesignaalin taajuuden kasvaessa kapasitanssien läpi kulkevat virrat kasvavat yhtenä seurauksena tästä ovat laakerivirrat Kuva. Mitattu ja estimoitu tehotiheys taajuusmuuttajan lähdössä kahden vaiheen välillä kaistalla 500 khz-30 MHz 12

13 Sähkökoneen merkittävimmät hajakapasitanssit laakerivirtojen kannalta Kuva. Merkittävimmät induktiomoottorin hajakapasitanssit laakerivirtojen kannalta 13

14 Yksinkertaistettu moottorin hajakapasitanssimalli Kiertävät Laakerivirrat & roottorin maadoitusvirrat EDM laakerivirrat & kapasitiiviset virrat Taulukko. Hajakapasitansseja 15 kw 4-napaiselle 3- vaiheiselle 400 V induktiomoottorille Capacitance Value Description C rf 3.8 nf rotor-to-frame C wf 6.9 nf winding-to-frame C wr 120 pf winding-to-rotor C b 50 pf bearing capacitance C sef,de 8 pf DE shaft-end-to-frame C sef,nde 4 pf NDE shaft-end-to-frame Kuva Yksinkertaistettu moottorin hajakapasitanssimalli 14

15 BVR (Bearing-voltage-ratio) Akselijännite on riippuvainen moottorin rakenteesta (hajakapasitanssien suhteet) Yleensä n % yhteismuotoisesta jännitteestä Kuva. 15 kw induktiomoottorille mitattu yhteismuotoinen jännite ja akselijännite, BVR = 2.5% 15

16 Taajuusmuuttajan aiheuttamien laakerivirtojen vauriomekanismi Kaikissa taajuusmuuttajan aiheuttamissa laakerivirroissa sama vauriomekanismi: Potentiaaliero syntyy roottorin ja moottorin rungon välille Laakerin rasvakalvon (paksuus n µm) läpilyöntikestoisuus (1-30 V/µm) ylittyy Synnyttää lyhytkestoisen virtapulssin (t < 100 ns) jonka kuluessa puretaan energiavarasto (kapasitanssi, induktanssi, jne) Virta kulkee pieneltä alalta (suuri virrantiheys), teräs sulaa, rasva vanhenee Laakerien kehiin, rulliin ja kuuluun syntyy jatkuvasti uusia mikrokraattereita Kuulat/rullat työstävät mekaanisesti vaurioituneita pintoja Värähtelytaso kasvaa Johtaa aikaa myöten laakerivaurioon 16

17 Kipinöinnin aiheuttamia mikrokraattereita laakerin kehällä Kuva. Elektronimikroskooppikuva uuden laakerin kehästä [lähde: Kuva. Elektronimikroskooppikuva laakerikipinöinnin aiheuttamista mikrokraattereista laakerikehällä [lähde: 17

18 Esimerkkilaskelma Kipinän energian sulattama teräsmäärä Term Value Description s 138 kj/kg Melting heat of Iron c 0.45 kj/(kgk) Heat capacity of iron Total rotor-to-ground capacitance C tot 4 nf v b 10 V Bearing voltage T 1811 K Melting point of iron 7860 kg/m 3 Density of iron 18

19 EDM-laakerivirrat ja pienet kapasitiiviset laakerivirrat EDM-laakerivirta: 1. Yhteismuotoisen jännitteen muutos moottorin terminaaleissa lataa roottori ja laakerikapasitansseja 2. Jännite ja roottorin ja koneen rungon välillä nousee, laakerin öljykalvojen läpilyöntikestoisuus ylittyy 3. Roottoripiiriin varastoitunut energia purkautuu laakerien kautta Kapasitiivisen laakerivirran mekanismi sama kuin EDM:n. Virta kulkee kuitenkin laakerikapasitanssin läpi ilman että kalvon läpilyöntikestoisuus ylittyy. Maksimiamplitudit pieniä n ma [1]. Muetze A., Binder A., Don t lose your bearings Mitigation techniques for bearing currents in invertersupplied drive systems, IEEE Magazine on Industry Applications, Vol. 12, No. 4, July/Aug. 2006, pp Kuva 1. Pienet kapasitiiviset virrat [1]. Kuva. EDM-laakerivirran ja pienten kapasitiivisten laakerivirtojen muodostuminen 19

20 Kiertävät suuritaajuiset laakerivirrat 1. Taajuusmuuttajan pääteasteen kytkentä aiheuttaa yhteismuotoisen jännitteen muutoksen moottorin terminaaleissa. Kapasitiivinen kytkentä käämityksen ja koneen rungon välillä muodostaa koneen pituussuunnassa etenevän yhteismuotoisen virtapulssin 2. Virtapulssi synnyttää ympärilleen magneettikentän 3. Virtapulssin magneettikenttä indusoi vastakkaissuuntaisen pituussuuntaisen jännite-eron roottorille 4. Muodostuu virtapiiri kiertävälle laakerivirralle: roottori-laakeri-runkolaakeri-roottori Kuva. Taajuusmuuttajan aiheuttamien kiertävien laakerivirtojen muodostuminen 20

21 Roottorin maadoitusvirrat Maadoitusvirtoja saattaa esiintyä, jos moottorin maadoitus ei ole kunnollinen Impedanssi reitillä roottori-maa pienempi kuin reitillä moottorin runko-maa Kuva. Roottorin maadoitusvirtojen muodostuminen 21

22 Menetelmiä taajuusmuuttajan aiheuttamien laakerivirtojen ehkäisyyn LAAKERIVIRRAN TYYPPI Toimenpide EDM-laakerirrat Kierävät laakerivirrat Akselin maadoitusvirrat Akselin maadoitus hiiliharjalla Vaaditaan pieni impedanssi Vaaditaan pieni impedanssi Ongelma voi jopa pahentua Eristetyt laakerit tai keraamiset Vaatii, että molemmat kuulat/rullat laakerit ja kuorma eristetään Toinen pää pitää eristää Molemmat päät on eristettävä Moottorin maadoitus ja/tai suojatut moottorikaapelit Ei toimi Voi jopa pahentaa ongelmaa Toimii Taajuusmuuttajan lähtösuotimet Eristävä kytkin moottorin ja kuorman välillä Toimii, jos suodin poistaa yhteismuotoista jännitettä Toimii kuormakoneelle Toimii Ei toimi, virta kiertää moottorin sisällä Faradayn häkki staattorin ja roottorin välille Toimii Ei toimi Toimii Taajuusmuuttajan kytkentätaajuuden laskeminen Pienentää ongelmaa Pienentää ongelmaa Pienentää ongelmaa CM-jännitettä optimoiva Toimii, jos poistaa CMjännittettjännittettjännittettä Toimii, jos poistaa CM- Toimii, jos poistaa CM- taajuusmuuttajan modulointi Staattorin urien vuoraaminen Vaatii kunnollisen Ei toimi Toimii johtavilla liuskoilla maadoituksen Taajuusmuuttajan jännitetasojen lisääminen Pienetään ongelmaa Pienentää ongelmaa Pienentää ongelmaa [1] Särkimäki V., Radio Frequency measurement method for detecting bearing currents in induction motors, doctoral dissertation, LUT, Toimii Toimii

23 Laakerivirtojen ehkäisymenetelmiä Kuristin yhteismuotoiselle virralle 2. Roottorin maadoitus hiiliharjalla [kuva: Aegis] 3. Eristävä kytkin 4. Keraamisesti pinnoitetut laakerin ulkokehät

24 Radiotekniikkaan pohjautuva laakerikipinöinnin mittausmenetelmä Menetelmää ja sen toimintaperiaatetta on käsitelty muun muassa julkaisuissa: Särkimäki V., Radio Frequency measurement method for detecting bearing currents in induction motors, doctoral dissertation, LUT, J. Ahola, V. Särkimäki, A. Muetze, J. Tamminen, Radio-Frequency-Based Detection of Electrical Discharge Machining Bearing Currents, IET Electric Power Applications, 2011, Vol. 5, No. 5, pp Jero Ahola, Ville Niskanen and Annette Muetze, On the Role of the Shaft End in the Radio-Frequency Emission of Discharge Bearing Currents in Induction Motors, EPE 2011, , Birmingham, UK. 24

25 Laakerivirtojen mittaaminen hankalaa Kuva. Laakerivirtojen suora mittaaminen on usein hankalaa ja vaatii modifikaatioita mitattavaan koneeseen. 25

26 Radiotekninen mittausmenetelmä - Laboratoriomittauslaitteisto Taajuusmuuttajaohjattu moottorikäyttö 2 kpl induktiomoottori, 4-napainen, 3- vaiheinen, Pn = 15 kw Un = 400 V Taajuusmuuttaja, Fs = 4 ja 8 khz skalaarisäätö Moottorikaapeli, MCCMK 3x16+16, 4 m Moottori ja kuorma galvaanisesti erotettuja Mittalaitteisto on esitetty kuvissa 1 ja 2 Antennin sijoitus 1 m kohtisuoraan moottorin keskilinjasta moottorin keskelle Mittaa kipinöinnin tuottamia RF-pulsseja, liipaisutaso 1.5 mv Antennin korkeus maatasosta 1 m Kuva. Mittauslaitteiston rakenne Kuva. Kuva mittauslaitteistosta 26

27 Radiotekninen mittausmenetelmä - Teoriaa 1. Yhteismuotoisen jännitteen muutos moottorin käämityksessä lataa roottorin ja rungon väliset kapasitanssit 2. Laakerin öljykalvon läpilyöntikestoisuus ylittyy -> kapasitanssien sisältämä energia purkautuu < 100 ns aikana, virtapiirinä; roottori laakeri runko. 3. Moottorin akselin pää lähettää RFsäteilynä osan akselin pään ja moottorin rungon väliseen kapasitanssiin varastoituneesta energiasta Kuva. Sijaiskytkentä, moottorin toiminta kipinäradiolähettimenä. 27

28 Radiotekninen mittausmenetelmä Toiminta käytännössä Mittaukset on tehty testilaitteistolla laboratorio-olosuhteissa Kuva. Ylin: yhteismuotoinen jännite, keskellä akselijännite, alhaalla mitattu radiopulssi. Kuva. Vastaanotettu radiopulssi skaalattuna aikatasossa. 28

29 Radiotekninen mittausmenetelmä Menetelmän sovellettavuudesta Kipinöinti tuottaa laajakaistaista RF säteilyä, soveltuvin kaista mittaamiselle ( MHz) Signaali heikko, osa moottorin akselin pään ja rungon väliseen kapasitanssiin varastoituneesta energiasta säteilee mittausetäisyys maksimissaan n. 1-2 m Mittaukseen tarvitaan esim. 443 MHz antennin + sopiva passiivinen suodatus Mittaus säteilevästä lähikentästä Kuva. Testimoottori, antennimalli ja sen antennimallin säteilykuvioita 29

30 Tuloksia laakerikipinöintimittauksista Tuloksia on laajemmin esitetty ja käsitelty julkaisuissa: Annette Muetze, Jussi Tamminen and Jero Ahola Influence of Motor Operating Parameters on Discharge Bearing Current Activity, Proc. ECCE, Atlanta, USA, September, 2010, pp Muetze, A., Tamminen, J. Ahola, J., Influence of Motor Operating Parameters on Discharge Bearing Current Activity, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 47, Issue 4, pp July-Aug

31 Testimittaukset - Moottorin käynnistys Toteutettiin käynnistystestejä, ennen testiä moottori oli pysäytettynä yön yli Uusilla laakereilla kipinöinti saavutti maksimiarvon n. 10 minuutin kuluttua käynnistyksestä Staattisen tilan aktiivisuuden saavuttaminen vei n. 2 h Jokainen mittaus oli 30 sekunnin keskiarvo Kuva. Kipinöinti ajan funktiona (uudet laakerit) Kuva. Kipinöinti ajan funktiona 2000 h ajetut laakerit 31

32 Kipinöinti uusilla laakereilla Kuva. Kipinöinti uusilla laakereilla 32

33 Testimittaukset: Kipinöinti moottorin pyörimisnopeuden funktiona Kuva. 500 h Kuva h Kuva. 680 h Kuva h, ennen testiä moottori oli pyörinyt yhtäjaksoisesti 2000 h. 33

34 Kipinöinti taajuusmuuttajan kytkentätaajuuden funktiona Moottoria syötettiin DTC-säädetyllä taajuusmuuttajalla Mahdollisti kytkentätaajuuden muuttamisen lennosta Kuva. Kipinöinti taajuusmuuttajan kytkentätaajuuden funktiona. 34

35 Kipinöinti taajuusmuuttajan syöttöjännitteen funktiona Taajuusmuuttajaa syötettiin säätömuuntajalla Käytettiin kolmea pääjännitettä (340 V, 400 V ja 440 V) Kuva. Kipinöintiaktiivisuus suhteutettuna syöttöjännitteeseen. 35

36 Laakerin vierintäpinnat testin jälkeen (4000 h) Testin jälkeen (4000h) laakerit irrotettiin, halkaistiin, pestiin ja kuvattiin Kehissä joitain poikittaisia harmaita alueita, voimakkaampia kuorman päässä Kuva. Kuorman pään laakeriin sisäkehä (DE). Kuva. Tuulettimen pään laakerin sisäkehä (NDE) 36

37 Yhteenveto Taajuusmuuttaja voi aiheuttaa useita laakerivirtatyyppejä Juurisyinä laakerivirroilla: a) 2-tasoisen taajuusmuuttajan (VSI) yhteismuotoinen jännite, b) yhteismuotoisen jännitteen nopea muutos, c) moottorin hajakapasitanssit Laakerivirtojen aiheuttama kipinöinti aiheuttaa mikrokraattereita -> laakerivaurio ajan myötä Laakerivirroille useita ehkäisykeinoja, tyypillisesti teollisuudessa käytettyjä ovat eristetyt laakerit Laakerivirtojen aiheuttaman kipinöinti voidaan havaita tutkitulla RF-menetelmällä Menetelmää voidaan soveltaa tutkimuksen lisäksi mahdollisten ongelmakohteiden paikantamiseen Tehtyjen mittausten pohjalta moottorin laakerikipinöintiin vaikuttaa samanaikaisesti monta parametria Selittää osaltaan sitä, miksi joissain moottorikäytöissä esiintyy ongelmia ja toisissa samanlaisissa taas ei 37