15 років не мали клопоту. Поставили частотник - і почалося.
Уявіть, що ви експлуатуєте насоси, скажімо, на водоканалі. Один із них починає незвично гудіти. Ремонтники знімають підшипник, розбирають, показують вам: кульки цілі, доріжка наче чиста. Нічого такого, на що можна показати пальцем: ось причина. Поставили новий - все знову тихо.
Через пів року - знову. Той самий насос, той самий звук - у моторі, про який за п'ятнадцять років до частотника ніхто жодного разу не згадав. Ви досвідчений інженер і чули про підшипникові струми. А ще ви були на вебінарі дуже крутого виробника частотників, де вам розповідали про патентований алгоритм керування, м'який ШІМ і таке інше.
Вам вдалося неможливе - ви міняєте постачальника приводів і купуєте все нове: новий мотор, новий частотник відомого бренду і навіть новий насос. Але через рік усе повторюється.
Начальник відділу закупівель пропонує замінити вас...
Що відбувається?
Кожен електричний розряд крізь плівку мастила лишає на доріжці кочення кратер. Окремий кратер - одиниці мікрометрів. Щоб його побачити, потрібне збільшення в 500-1000 разів. Оком доріжка виглядає цілою доти, доки кратерів не набереться стільки, що вони вишикуються в рифлення. Тоді видно все - але міняти вже треба не підшипник.
Одна ямка нешкідлива. Проблема в тому, що вона - неоднорідність: наступний розряд б'є саме в неї. За ISO 15243 це окрема графа - електрична ерозія.
Рис. 1. Від одного розряду до рифлення: кратер - одиниці мікрометрів, рифлення видно вже оком.
Звідки струм
i = C × dV/dt. Ємність - сам двигун: ротор відносно статора, обмотка відносно корпусу. Напруга - синфазна, та, що є на виході будь-якого ШІМ-інвертора.
ABB займається цим з 1987 року і фіксує: відмови цього типу з'являються через один-шість місяців після пуску.
І це не залежить від бренда привода.
Три монети
Тут потрібне найпростіше пояснення, бо саме на цьому місці зазвичай починають шукати винний бренд.
Вихід кожної фази інвертора в будь-яку мить під'єднаний або до плюса ланки постійного струму, або до мінуса. Третього не дано: транзистор або відкритий, або закритий, проміжного положення в нього немає. Навіть коли обидва ключі плеча закриті, фаза не «висить»: поки тече струм, її тримає на шині зворотний діод - напрямок струму сам обирає, верхній чи нижній. Тобто кожна фаза відносно середини ланки - це або +1, або -1.
Фаз три. Візьміть три монети, на одному боці кожної +1, на іншому -1, і спробуйте розкласти їх так, щоб сума вийшла нуль. Не вийде ніколи. Можливі суми тільки +3, +1, -1, -3. Нуля серед них немає і бути не може: три доданки по одиниці завжди дають непарне число, а нуль парний.
Синфазна напруга - це якраз ця сума, поділена на три. Для звичайного привода на 400 вольт, де в ланці близько 565 В, вона стрибає між ±94 і ±283 вольтами. Не зменшується, не усереднюється в нуль - стрибає, кроком майже у 190 вольт за десятки наносекунд. А i = C × dV/dt, і саме dV/dt тут величезне.
Окремий жарт фізики: найбільшу синфазну напругу дають саме «нульові» вектори - коли всі три фази вгорі або всі три внизу. На виході в цю мить нуль, двигун нічого не бачить. А на валу - пік.
Рис. 2. Три монети: сума трьох ±1 ніколи не дає нуль, а піки припадають на «нульові» вектори 000 і 111.
Змінити тут можна дуже мало. Трирівневий інвертор дає фазі третій стан, середину - монета може лягти на ребро, і нуль у сумі стає можливим. Тому крок синфазної напруги менший. Але менший - не нуль: ці стани не тримають постійно, а мертвий час ключів додає інтервали, коли потенціал фази визначає вже не ваша команда, а напрямок струму через діоди.
І купити цей варіант на 400 вольтах ви однаково не зможете. Трирівнева схема масово випускається - у сонячних інверторах, ДБЖ, накопичувачах, - але не в загальнопромислових приводах. Причина суто економічна: трирівневий виграє за ККД лише вище приблизно 10 кГц несучої, а насосний привід працює на 2-8 кГц. На цій несучій виграшу немає, а ключів і драйверів треба вдвічі більше. Тому всі приводи на 400 В, які продаються, - дворівневі, у всіх без винятку виробників.
Таким чином, сьогодні, привода, в якого цього явища немає, на низькій напрузі просто не існує.
Три різні струми, які всі звуть одним словом
Це найважливіше місце, бо від нього залежить, що купувати. Механізми різні, шляхи струму різні - і рішення теж різні. Купити не те, що треба, тут дуже легко.
Перший. Ємнісний розряд, він же EDM. Двигун сам собі конденсатор: ротор відносно статора. Синфазна напруга ділиться ємностями, частина осідає на валу. Коли її вистачає, щоб пробити масляну плівку, - розряд. Струм малий, розряди дрібні й дуже часті. Шлях замкнений усередині двигуна, через обидва підшипники. Домінує на двигунах приблизно до 75 кВт (це габарит IEC 280 для чотириполюсних; у шести- і восьмиполюсних та сама станина дає меншу потужність).
Рис. 3. Ємнісний розряд (EDM): синфазна напруга ділиться ємностями двигуна, частина осідає на валу.
Другий. Циркулюючий струм. Тут інша фізика, не ємність. Синфазний струм тече по корпусу статора і наводить високочастотний потік навколо вала. Той наводить напругу між кінцями вала, і в замкненому контурі вал-підшипники-корпус тече струм. З'являється приблизно від 75 кВт і вище, і він найруйнівніший: типові піки 3-20 ампер проти міліампер у EDM. Теж контур усередині двигуна, теж обидва підшипники.
Рис. 4. Циркулюючий струм: ВЧ потік навколо вала наводить напругу між його кінцями.
Третій. Струм заземлення вала. Цей взагалі не про потужність, він про монтаж. Якщо ротор через муфту і механізм заземлений краще, ніж корпус двигуна, то високочастотний потенціал корпусу прикладається до підшипника й виганяє струм назовні: корпус → підшипник → вал → механізм → земля. Контур не замкнений у двигуні, він проходить через насос або редуктор. ABB називає це «блукаючим» струмом. Гине при цьому один підшипник - той, що з боку муфти.
Рис. 5. Струм заземлення вала: контур виходить за межі двигуна, гине підшипник з боку муфти.
Тепер головне. Струмів три, а першопричин - дві, і це різні величини.
Перша - амплітуда синфазної напруги, ті самі ±283 вольти. Через ємнісний дільник вона сідає на вал і пробиває плівку мастила. Це EDM. Йому байдуже, наскільки крутий фронт: конденсатор зарядиться до тієї самої напруги що за 50 наносекунд, що за 5 мікросекунд.
Друга - синфазний струм, той самий i = C × dV/dt. Він стікає з обмотки на корпус і шукає дорогу назад до привода. Циркулюючий струм - це наслідок його магнітного поля навколо вала. Струм заземлення вала - це його частина, яка пішла через підшипник і насос, бо там опір виявився меншим. Другий і третій струми - діти одного батька.
Чи є у вас проблема?
Якщо є підозра, що через підшипник тече струм, логічно спробувати його виміряти. Звичайним тестером на таких частотах не вийде. А осцилографом - можна: один щуп на корпус двигуна, другий через графітову щітку притиснути до вала (якщо доберетесь). Побачили на екрані пилкоподібну картинку - напруга наростає і різко падає в нуль - значить, електрична ерозія їсть ваш підшипник просто зараз.
Рис. 6. Як підключити осцилограф і як виглядає «пилка» розрядів.
Як боротися. Дві причини - дві родини рішень
Кабель і заземлення. За підручником тут має стояти симетричний екранований кабель з екраном, притиснутим по колу з обох боків, - саме його радять і ABB, і IEC. На практиці переважна більшість двигунів живиться від ПЧ звичайним неекранованим кабелем, і перекладати його заради підшипників мало хто буде. Та й не обов'язково: екран зменшує завади й допомагає проти третього струму, але сам по собі підшипник не рятує, а на EDM не діє взагалі. Тож якщо екранований кабель уже є - перевірте, як заведений екран. Якщо немає - починайте не з нього.
Проти синфазного струму - тобто проти другого і третього разом - синфазний дросель, він же реактор нульової фази, на виході привода. Він стоїть послідовно на шляху синфазного струму, затягує фронт і зрізає пік у рази. Менше струму по корпусу - слабший потік навколо вала - менший циркулюючий. Менше струму в землі - нижчий потенціал корпусу - нема чим виганяти струм через підшипник у насос. Одне осердя, два струми. dV/dt-фільтр і синус-фільтр роблять те саме, тільки дорожче.
У пару до дроселя йде те, що рве або обходить контур. Ізольований підшипник з неприводного боку, від 75 кВт і вище, розриває коло циркулюючого струму. На великих машинах (орієнтир ABB - понад 350 кВт) їх ставлять разом. Коротка широка високочастотна перемичка між корпусом двигуна і рамою механізму вирівнює потенціали - і струму вже нема чого йти через підшипник. Коштує копійки. Якщо цього мало - ізолювальна муфта.
Проти синфазної напруги - тобто проти EDM - щітка заземлення вала. Вона дає напрузі вала дорогу повз підшипник. Заземлення корпусу цього не робить, скільки його не покращуй: корпус і так заземлений, а вал - ні.
Дросель тут не допоможе, і ось чому. Він стоїть послідовно, а двигун для синфазної напруги - конденсатор. Індуктивність перед конденсатором затягує фронт, але не знижує напругу, до якої той зарядиться: сходинка ШІМ триває десятки мікросекунд, а перехідний процес закінчується раніше. Вал отримує ті самі вольти, тільки трохи пізніше. А якщо дросель підібрано без перевірки - ще й із викидом на резонансі.
Прибрати саму синфазну напругу здатен лише синус-фільтр із синфазною ланкою - той, що замикає синфазний струм назад на ланку постійного струму привода. Він діє на всі три струми одразу, але це інші гроші й інші габарити, тому ставлять його рідко.
Ізольований підшипник проти EDM - слабкий захист. Керамічне покриття - це теж конденсатор, увімкнений послідовно з плівкою мастила, і ємність у нього в рази більша. Майже вся напруга лишається на плівці. Гібридні підшипники з керамічними кульками двигун рятують, але тоді вал розряджається через підшипники насоса чи редуктора. Тому класична зв'язка - ізольований підшипник з неприводного боку плюс щітка з приводного.
Звідси нюанс, на якому втрачають найбільше грошей. Синфазний дросель діє на два струми з трьох - але не на той, що домінує на малих двигунах. На насосі 15 кВт, де підшипник їсть EDM, дросель прибере завади, розвантажить землю - і підшипник не врятує. Там потрібна щітка. А от якщо на тому самому насосі гине саме підшипник з боку муфти - це третій струм, і тут дросель із перемичкою працюють на будь-якій потужності. Тому спершу діагноз, потім закупівля. І підбирати дросель треба з перевіркою - інакше резонанс або насичення осердя.
Рис. 7. Карта рішень: що куди ставиться і на який струм діє.
Що зробити завтра
Найреальніше - взяти осцилограф. Маленьких кишенькових зараз повно, і для такого діагнозу їх вистачає: нас цікавить форма сигналу, а не точна амплітуда. Батарейний прилад тут навіть зручніший - він не прив'язаний до землі мережі. Щуп через щітку на вал, «землю» на корпус, привід у роботі; вал обертається, тому щітку тримайте на ізольованій ручці, а не рукою. Є пилка - підшипник гине просто зараз. Немає - можливо, вас минула чаша сія.
Далі підніміть акт капремонту: який саме підшипник міняли, з якого боку. Тільки з боку муфти - це третій струм. Обидва - EDM або циркулюючий, залежно від потужності. Ця відповідь часто закриває питання, що саме купувати.
Рис. 8. Діагноз за годину: осцилограф показує, чи є проблема, акт ремонту - який саме струм.
Кабель - в останню чергу. У переважної більшості він звичайний, неекранований, і перекладати його заради підшипників ніхто не буде - та й гарантій це не дає. Якщо ж кабель екранований, гляньте, як заведений екран у шафі й на клемній коробці двигуна: косичка під один гвинт зводить його користь нанівець. І подивіться, чи є перемичка між корпусом двигуна і рамою насоса - коротка й широка, а не тонкий дріт через піврами. Це коштує копійки. Спитайте також, чи не переробляли заземлення механізму перед тим, як почалися відмови.
Рис. 9. Монтаж: екран, якщо він є, і перемичка між двигуном та рамою механізму.
Осцилограф і акт ремонту - це година часу. Після них ви вже знаєте, чи є у вас проблема і який із трьох струмів лікувати.
Що далі
За кожною повторною заміною підшипника стоять демонтаж, ремонт, монтаж і години простою. А потім ви запускаєте насос і знову прислухаєтеся: надовго цього разу?
Перед наступною закупівлею варто з'ясувати, що саме має змінитися в установці, щоб ця історія припинилася.
Ми в RTS-Ukraine допоможемо розібратися з приводом, підбором дроселів і фільтрів та вимогами до монтажу. Підкажемо, що виміряти, що перевірити й яких даних бракує для обґрунтованого рішення.
Якщо потрібна щітка заземлення вала або ізольований підшипник - скажемо про це прямо, хоча самі їх не постачаємо. Ви маєте розуміти, за що платите і яку проблему вирішує запропоноване обладнання.
А у вас таке було? Скільки моторів поїхало на капремонт з діагнозом «неякісний підшипник»?
Джерела: ISO 15243; ABB Technical Guide No. 5; ABB 9AKK107336; A. Muetze, A. Binder, «Don't lose your bearings», IEEE Industry Applications Magazine, 2006; Electro Static Technology, Motor & Drive Systems Conference 2017; IEC TS 60034-25.