بخشی از مقاله
بررسی دلایل عبور جریان از یاتاقان ها و روش های رفع آن
چکیده:
دلایل عمده به وجود آمدن خطای یاتاقان در موتورهای های الکتریکی مشکلات گرمائی و مکانیکی می باشد. عوامل بالقوه این نوع خطاها شامل نا هم محوری بین ماشین و بار، ارتعاشات، روانکاری نامناسب، بارهای محوری و شعاعی زیاد، ناخالصی موجود در روانکار، تعمیرات ناکافی می باشد اما در کسری از موتورهای الکتریکی خطاهای زودهنگام یاتاقان ها به دلایل الکتریکی می باشد. جریان های جاری شده در یاتاقان های موتور های القائی، دارای پتانسیل ایجاد خطای زودهنگام در موتور هامی باشد. در این مقاله ضمن برررسی دلایل عبور جریان از یاتاقان موتورها، برخی از روش های رفع این مشکل تشریح می گردد.
کلمات کلیدی: موتور، یاتاقان، عبور جریان از یاتاقان، مبدل (InVerter)
مقدمه
عبور جریان از یاتاقان و شافت موتورهای با شکل موج تغذیه سینوسی (موتورهای القائی دور ثابت) به خوبی قابل درک می باشد. متمرکز شدن این جریانها بر روی یاتاقان ها به دلایل ساختار و مشخصات مواد موتور و عدم تقارن جریان می باشد. طبیعت فرکانس پائین جریان های شافت و یاتاقان در موتورهای با شکل موج تغذیه سینوسی، باعث عبور از قسمت های هادی مانند شافت موتور، بدنه و یاتاقانها می گردد. قطع مسیر جریان به وسیله مواد عایق می تواند باعث حذف جریان های فرکانس پائین یاتاقان و شافت گردد. موتورهای الکتریکی که به وسیله مبدلهای منبع ولتاژ با مدولاسیون پهنای پالس (PWM) با سوئیچینگ سریع تغذیه می شوند پالس های ولتاژ فرکانس بالا را تجربه می نمایند. در این فرکانس های بالا (تا چندین مگاهرتز) جریانهای خازنی ایجاد می شود که می تواند از عایق ها نیز عبور نماید. بنابراین این جریانها می تواند از عایق سیم، لایه های شیارهای استاتور، فاصله هوائی موتور، گریس یاتاقان و سایر عایق ها عبور نماید و در نتیجه این جریانهای فرکانس بالا یک فرصت جدید برای عبور از شافت و یاتاقان را فراهم می نماید. در موتورهای دارای مبدل فهم دقیق عبور جریان فرکانس بالا از ترمینالهای موتور به سمت زمین و درایو، کلید تشخیص مشکلات جریان یاتاقان موتور و حذف آن می باشد. هنگام بررسی روش های حذف جریان های ناخواسته یاتاقان بایستی مسیرهای جریان داخل موتور به مبدل و تجهیزات به دقت مطالعه گردد. بنابراین، مطالعه و بررسی سیستم های مرتبط با این موضوع، از قبیل شیلد کابل و سیستم زمین در حذف جریان یاتاقان این نوع ماشین ها مهم می باشند.
۳- مدیر عامل شرکت رازک پژوهش
جریان های شافت و یاتاقان موتورهای با تغذیه شکل موج تغذیه سینوسی (القائی دور ثابت) جریانهای شافت و یاتاقان موتورهای الکتریکی مبحث جدیدی نمی باشد و در واقع از زمان اختراع این ماشین ها این مسئله وجود داشته است. مهمترین دلیل وجود جریان های شافت و یاتاقان در ماشین های الکتریکی با تغذیه سینوسی فقدان تقارن می باشد و در صورتیکه بتوان یک ماشین متقارن و متعادل طراحی و آن را ساخت می توان هم از لحاظ تئوری و هم از لحاظ عملی جریان شافت و یاتاقان را حذف نمود. بنابراین با توجه به محدودیت طراحی و ساخت خصوصا در ماشین های الکتریکی بزرگ این مشکل وجود و روش های حذف جریان شافت و یاتاقان در ماشین های با شکل موج تغذیه سینوسی اهمیت دارد. جریان های فرکانس پائین علاوه بر اینکه در این گونه ماشین ها از اهمیت خاصی برخوردار می باشد در ماشین هائی که دارای تغذیه مبدل و دارای فرکانس های بالا می باشند نیز وجود داشته و بایستی اثرات آنها حذف گردد. دو دلیل اولیه وجود جریان شافت و یاتاقان در ماشین های الکتریکی با تغذیه سینوسی عبارتند از: - شار هم قطبی و یا شار جاری شده در مرکز شافت موتور HOmODOlar TluX - شار متناوب ارتباطی با شافت موتور Alternating fluX که شار متناوب ارتباطی با شافت موتور متداول تر از شار جاری شده در مرکز شافت موتور می باشد.
شار هم قطبی شکل شماره ۱ شرایط شار هم قطبی، شامل جاری شدن شار از طریق شافت موتور و عبور آن از سیستم یاتاقان و برگشت آن از طریق فریم ماشین را نمایش می دهد که این شار باعث عبور جریان I مطابق شکل شماره ۱ از یاتاقان می گردد.
عموماً در ماشین های با سرعت بالا و سرعت چرخش سریع، این شار شافت محوری به وسیله جریان نامتعادل که شافت را محاصره کرده، یک میله شکسته شده روتور، پسماند مغناطیسی باقیمانده، و یا هم مرکز نبودن فاصله هوائی به وجود می آید. این مشکل بیشتر در یاتاقان های لغزشی رخ داده و جریان معمولاً در یاتاقان متمرکز شده و هیچ روشی برای اندازه گیری آن وجود ندارد. اثرات جریان یاتاقان القاء شده توسط شار هم قطبی معمولا کوچک بوده و معمولا توسط ایجاد یک مانع در مسیر شار هم قطبی از قبیل شافت غیر مغناطیسی و یا یاتاقان های عایق شده قابل حذف می باشد.
شار متناوب مطابق شکل شماره ۲ نوع متداول تر عبور جریان از یاتاقان به دلیل شار متناوب ارتباطی شافت موتور، به عنوان یک نتیجه خاصیت مغناطیسی نامتقارن هسته روتور و یا استاتور می باشد. از آنجائیکه به دلیل غیر همجنس بودن فولاد الکتریکی، مسیرهای شار در موتور کاملاً متقارن نمی باشد. شار نامتقارنی که از طریق شافت بسته می شود می تواند تولید جریانی نماید که این جریان از طریق شافت و عبور از یاتاقان و فریم موتور وبرگشت مجدد از طریق یاتاقان یک مسیر حلقوی ایجاد نماید. که این جریان در یک نقطه یاتاقان متمرکز نمی شود. ولتاژ راه اندازی می تواند با حداقل یک یاتاقان که از نظر الکتریکی نسبت به بدنه موتور عایق شده اندازه گیری شود. زمانیکه هر دو یاتاقان در مسیر جریان هدایت می کنند، امپدانس مسیر کاهش و بنابراین یک ولتاژ شافت محوری حدود 5OOmilliVolt می تواند باعث عبور یک جریان ۲۰ آمپر از یاتاقان و در نتیجه باعث خرابی عمده یاتاقان خصوصاً در ماشین های بزرگ گردد. روش حل این مشکل استفاده از یک عایق الکتریکی جهت رینگ خارجی یاتاقان جهت شکستن مسیر جریان می باشد. جریان های یاتاقان در موتورهای با شکل موج تغذیه سینوسی می تواند از طریق ایجاد مانع در مسیر شار یا جریان حذف و یا کاهش یابد. ضمنا بایستی به این نکته نیز دقت نمود که این نوع از جریانهای یاتاقان وابسته به مسائل نصب ازقبیل زمین کردن نمی باشد و با توجه به ساختار ماشین تولید می گردد.
نمونه عملی از موتورهای با شکل موج تغذیه سینوسی (القائی با دور ثابت) به عنوان نمونه موتور اصلی آسیا سیمان شرکت سیمان ممتازان کرمان از نوع القائی دور ثابت، با قدرت 6700KW.6300Volt.993r.D.m ساخت شرکت زیمنس آلمان می باشد که یاتاقان سمت NDE آن جهت جلوگیری از عبور در یک آزمایش جهت چک نمودن صحت کارکرد این عایق سمت DE موتور دمونتاژ و در حالتی که روتور در مرکز استاتور توسط جرثقیل ثابت گردیده بود میزان مقاومت عایقی شافت نسبت به بدنه چک گردید که حدود 2 گ60M اندازه گیری گردید که این مقاومت در واقع مقاومت پوشش عایق اطراف یاتاقان سمت NDE می باشد که در شکل شماره ۲۶ این یاتاقان و عایق آن نمایش داده شده است. همچنین در آزمایشی دیگر در حالتی که موتور در حالت کوپلینگ باز (بدون بار) و با ولتاژ نامی و دور نامی در حال کار بود مقدار ولتاژ دو طرف شافت (سمت DE و سمت NDE) اندازه گیری گردید که این ولتاژ حدود 250mV اندازه گیری گردید که از حد مجاز تعریف شده توسط شرکت زیمنس که 1500mV می باشد کمتر بود.
بنابراین در موتورهای القائی با دور ثابت با نصب حداقل یک یاتاقان عایق و انجام تست های فوق می توان عبور جریان از یاتاقان را تست و از ایجاد خطا جلوگیری نمود. لازم به ذکر است در این نمونه موتورها در صورتیکه هر دو یاتاقان سمت DE و NDE عایق گردد ضریب امنیت ماشین بالاتر و از بروز خطا جلوگیری می گردد.
جریان های شافت و یاتاقان در موتورهای با مبدل PWM در موتورهای با مبدل PWM امکان وجود منابع جریان داخلی و خارجی یاتاقان وجود دارد. منابع جریان داخلی این موتورها مشابه مواردی است که در خصوص موتورهای با شکل موج سینوسی بحث گردید. منابع جریان خارجی نتیجه شکل موج های ولتاژ تولید شده توسط مبدل که جهت تغذیه موتور ارسال می گردد می باشد. در یکسوکننده های PWM پیشرفته جهت ایجاد ولتاژ و فرکانس مناسب، یک ولتاژ DC بر روی ترمینالهای موتور فرستاده می شود و از آنجائیکه ولتاژ خط به خط موتور بایستی بین VdC+ و Vdc- باشد امکان صفر شدن مجموع سه ولتاژ در هر لحظه وجود ندارد. بیشتر یکسوکننده هائی که تولید ولتاژ DC می کنند، اغلب یک ولتاژ حالت مشترک ( Common mode VOltage) در باس DC خودشان ایجاد می کنند که متوسط ولتاژ ارسالی به ترمینال موتور صفر می باشد ولی مجموع ولتاژ لحظه ای در ترمینالهای موتور صفر نمی باشد. مجموع این ولتاژ لحظه ای، ولتاژ حالت مشترک نامیده می شود. این ولتاژ را می توان از طریق ایجاد یک مقاومت ستاره در حد مگااهم در ترمینالهای موتور و اندازه گیری ولتاژ نقطه صفر ستاره نسبت به زمین اندازه گیری نمود. شکل شماره ۴ نمونه ای از ولتاژ حالت مشترک را نمایش می دهد. این ولتاژ بین سیم پیچ های موتور و زمین موتور وجود دارد که شامل تغییرات زیاد ولتاژ نسبت به زمان (dV/dt) می باشد. که این تغییرات بالا باعث تولید ولتاژ حالت مشترک با فرکانس در محدوده مگاهرتز می گردد.
در موتورهای دارای یکسوکننده، تغییرات بالای dV/dt باعث تولید جریان حالت مشترک به دلیل وجود خازن کوپلاژ می گردد. که خازن C، عنصر مدار حالت مشترک می باشد.
به عنوان مثال مطابق شکل ۵ لبه های تیز ولتاژ که به وسیله سوئیچینگ سریع IGBTهای اینورتها تولید می شود، باعث تولید جریانهائی می گردد که از خازنهای داخلی موتور عبور می کند که نتیجه این پدیده عبور جریان از یاتاقان ماشین و کاهش طول عمر و خرابی یاتاقان می باشد.
تعدادی مسیر جریان مغناطیسی از طریق خازن پیوندی ایجاد شده بین سیم پیچ موتور و زمین وجود دارد که بیشتر این جریانها از طریق عایق ها که نوعی خازن می باشند عبور می کند. به عنوان مثال، لایه های شیار استاتور، فاصله عایقی بین روتور و لایه گریس بین یاتاقان ها.
مسیرهای جریان موجود در موتورهای دارای مبدل و تشریح آنها شکل شماره ۶ مسیرهایی مختلف جریان حاصل از جریان پیوند خازنی را نمایش می دهد. دامنه نسبی جریانهای جاری شده در این مسیرها به شدت وابسته به امپدانس این مسیرها می باشد. همانگونه که در ادامه خواهیم دید میزان خرابی های ایجاد شده در یاتاقان به دلیل عبور جریان، می تواند به وسیله ایجاد مسیرهای جریان کم امپدانس انحرافی که می تواند این جریانها را از یاتاقان ها دور کند حذف و یا کم کرد.
مسیر جریان نمایش داده شده به رنگ قرمز( - ) از طریق ایجاد یک جریان خازنی در پیوند سیم پیچ استاتور با روتور، یک مسیر برگشت از یاتاقان های موتور، اتصال زمین موتور و در نهایت زمین مبدل می باشد. این مسیر باعث ایجاد جریان در یاتاقان های موتور و در نتیجه خرابی یاتاقان می گردد. این جریان ممکن است به دوعلت ذیل در یاتاقان ها ایجاد و جاری گردد: - در اثر تماس شافت با فریم موتور (به عنوان مثال از طریق گلوله های یاتاقان) در لحظه ای که dV/dt) در ولتاژ حالت مشترک رخ دهد و در نتیجه در صورتیکه عایق یاتاقان ها آسیب ببیند، جریان دشارژ ممکن است از طریق یاتاقان های موتور جاری شود. - در صورتیکه ولتاژ حالت مشترک از ولتاژ شکست گریس بین یاتاقان ها بیشتر گردد. با توجه به اینکه این جریان در داخل موتور می باشد مستقیماً قابل اندازه گیری نمی باشد و فقط توسط وسایل اندازه گیری مخصوص قابل اندازه گیری است. جریان نمایش داده شده به رنگ سبز(- ) مجدداً جریانی است که از طریق خازن پیوندی سیم پیچ استاتور و روتور جاری می شود و پس از عبور از کوپلینگ از جنس هادی و یاتاقان مربوط به بار به زمین بار و سرانجام زمین مبدل وصل می گردد. این جریان نیز به دوعلت اشاره شده فوق می تواند به وجود آید با این تفاوت که در اینجا نوع هادی و یا عایق یاتاقان مربوط به بار تعیین کننده نوع جریان جاری شده خواهد بود. این جریان می تواند به یاتاقان بار و یا در بعضی موارد به کوپلینگ آسیب برساند. این جریان را می توان با نصب یک سنسور اندازه گیری فرکانس بالا در اطراف شافت موتور اندازه گیری نمود. جریان نمایش داده شده به رنگ طلایی ( ) جریانی است که از طریق خازن پیوندی بین سیم پیچ استاتور و فریم موتور تشکیل می گردد. این جریان فرکانس بالا از عایق استاتور عبور می نماید. در یک موتور با اتصال زمین ضعیف با مبدل فرکانس بالا، این جریان از طریق فریم موتور، یاتاقان موتور، شافت موتور، کوپلینگ از جنس هادی، یاتاقان بار، زمین بار و سرانجام زمین مبدل عبور می کند. جریان عبوری از این مسیر توانائی خراب کردن یاتاقان های موتور و بار و همچنین کوپلینگ بین موتور و بار را دارد. این مسیر اغلب شامل جریانهائی است که به دلیل اختلاف ولتاژ گذرا بین بدنه موتور و تجهیزات مبدل می باشد. بهترین مسیر برای همه این جریانها، که کمترین آسیب را به یاتاقان می رساند، مسیر آبی رنگ (- ) می باشد که در آن هیچ مسیر جریانی از یاتاقان های موتور یا بار و کوپلینگ نمی گذرد.
مسیرهای جریانی که در شکل فوق توضیح داده شد به عنوان مسیرهای جریان متمرکز نمایش داده شده است. در حقیقت جریان پیوندی خازنی در کل فضای سیم پیچ استاتور توزیع شده و این به این معناست که نشتی جریان در طول سیم پیچ وجود دارد. بنابراین جریان یکسو شده محوری در ورودی سیم پیچ (فاصله هوائی) بیشتر از نقطه خروجی سیم پیچ می باشد. که نتیجه این مورد در شکل شماره ۷ نمایش داده شده است. جائی که یک جریان محوری در حال جاری شدن در سیم پیچ
استاتور موتور نمایش داده شده است.
همچنین مسیر طلائی رنگ جریان در شکل شماره ۷ مسیر جریانی که از هسته استاتور و بدنه استاتور و از طریق خازن پیوندی ایجاد شده را نمایش می دهد. ترکیبی از این موارد یک شار در حال گردش و یک جریان فرکانس بالا که از طریق شافت، یاتاقانها و بدنه موتور جاری می شود را نمایش می دهد که این جریان توانائی تخریب یاتاقان را دارد. این جریان نه به آسانی قابل فهم و نه به آسانی قابل اندازه گیری می باشد. و آن را می توان از طریق نصب یک یاتاقان عایق در یک سمت موتور در مسیر عبور جریان حذف نمود. ضمناً، عایق مورد نظر بایستی امپدانس کافی جهت جلوگیری از عبور جریانهای تولید شده با فرکانسهای بالا را داشته باشد. شکل شماره ۸ دامنه نسبی اجزاء مختلف جریان که در شکل های بالا توضیح داده شده را نمایش می دهد همانطور که مشاهده می گردد بیشترین جریان یاتاقان القاء شده، مسیر طلائی رنگ در شکل شماره ۶ می باشد که در آن دامنه جریان ۱۰ تا ۶۰ برابر بزرگتر از دامنه جریان دیگر اجزاء می باشد. مطابق شکل شماره ۹ ایجاد یک مسیر زمین فرکانس بالا با امپدانس کم، از هسته استاتور تا زمین درایو، به اسانی اجزاء ایجاد کننده جریان یاتاقان را کاهش می دهد.
امکان ایجاد مسیرهای زمین با فرکانس بالا و امپدانس پائین از طریق استفاده از کابلهای ارتباطی بین موتور و مبدل از نوع شیلد دار و یا آرموردار وجود دارد.
زمین در سیستم های مبدل (یکسوکننده) و موتور در شکل های نشان داده شده در بخش های قبل اتصال زمین در نقاط مختلف سیستم زمین مبدل و نشان داده شد. هر یک از زمین ها در این تصاویر (پیکان های مشکی رنگ) نشان دهنده یک اتصال ایده آل با امپدانس صفر بین آنها می باشد. با این حال امپدانس بین موتور و مبدل و بین تجهیزات مبدل و دیگر نقاط در سیستم زمین غیر صفر می باشد. در صورت وجود یک پالس جریان فرکانس بالا، از همه مسیرهای مختلف در دسترس جریان می گذرد که این جریان به نسبت عکس امپدانس در مسیرهای مربوطه تقسیم خواهد شد. که امکان عبور این جریان از یاتاقان ها وجود دارد. لذا بایستی این جریان حالت مشترک را از یک مسیر کم امپدانس عبور داده و از عبور آن از یاتاقان ها جلوگیری نمود. یکی از مهمترین مسائل، اتصالات مسیرهای جریان زمین شده بین موتور و یکسوکننده (مبدل) می باشد. دامنه ولتاژ بدنه موتور همانند جریان حالت مشترک متاثر از نوع اتصال شیلد و زمین کابل بین موتور و مبدل می باشد. کابل های پیوسته (کابل های یک تکه) دارای مقاومت پائین شیلد اطراف هادی سه فاز، کمتر این جریان حالت مشترک موتور و ولتاژ بدنه موتور را تولید می کنند. کابل های دارای شیلد از ورق های پیوسته آلومینیوم که اطراف هادی پیچیده شده، جهت موتور و مبدل پیشنهاد می گردد. صفحات آلومینیوم پیوسته مقاومت و اندوکتانس پائین ایجاد می کنند که یک مشخصه مهم در حداقل کردن امپدانس در فرکانس بالا می باشد.
اندازه گیری میدان جریانهای یاتاقان القاع شده در مبدل همانطور که در قبل نیز ذکر گردید اندازه گیری دقیق ولتاژها و جریانهای عبوری از یاتاقان مشکلات زیادی دارد به این دلیل که نصب ترانسدیوسر در محلی که جریان واقعاً از یاتاقان عبور می کند غیرممکن است. بنابراین اندازه گیری ها تا حد زیادی بایستی بر روی نشانه ها و عوامل به وجود آورنده جریان در یاتاقانها معطوف گردد. بیشتر اندازه گیری ها پس از آسیب دیدن یاتاقان جهت ارائه راهکار و اصلاح سیستم انجام می شود. از آنجا که منابع جریان یاتاقان فرکانس بالا، تغییرات ولتاژ حالت مشترک مبدل می باشد، مراجعه به این ولتاژ و اندازه گیری ان بسیار مهم می باشد.
