Wellenerdung bei umrichtergespeisten Drehstrommotoren

  • Die Schaltfrequenzen der IGBTs in den  PMW-Umrichtern erzeugen an der Motorwelle Spannungsspitzen, die sich bei laufendem Motor leicht messen lassen.Die Schaltfrequenzen der IGBTs in den PMW-Umrichtern erzeugen an der Motorwelle Spannungsspitzen, die sich bei laufendem Motor leicht messen lassen.
  • Die Schaltfrequenzen der IGBTs in den  PMW-Umrichtern erzeugen an der Motorwelle Spannungsspitzen, die sich bei laufendem Motor leicht messen lassen.
  • Neue Laufflächen: Das Rasterelektronenmikroskop zeigt einen neuen Lagerring mit glatter Lauffläche. Bei laufendem Motor bildet sich mit der Zeit dort eine Spur aus, wo die Kugellagerkugel die Lauffläche berührt. Ohne elektrische Entladungen am Motor wäre
  • Abbrand: Aufgerauter Laufring nach 5.400 Stunden Dauerbetrieb in einem Drehstrommotor mit Frequenzumrichter. Die ersten Schäden äußern sich meistens in Form von Abbrand. Diese winzigen Schmelzkrater entstehen durch das Entladen induzierter Spannung von de
  • Riffelbildung: Bei dem als Riffelbildung bekannten Phänomen verursacht die Betriebsfrequenz des Umrichters bei regelmäßigen Intervallen eine Konzentration von Kerben an der Lauffläche, wodurch ein waschbrettartiges Muster entsteht. Dieses Muster erzeugt S
  • Klaus Korger, Geschäftsführer der  Leine & Linde Deutschland GmbH

Aufgrund der verstärkten Fokussierung auf Energieeinsparungen hat der Einsatz pulsweitenmodulierter Frequenzumrichter zur Steuerung von Drehstrommotoren drastisch zugenommen. Jedoch sind diese Umrichter trotz ihrer niedrigen Betriebskosten und der hohen Leistung nicht frei von Problemen: Durch Frequenzumrichter induzierte Wellenströme können zu Motorausfällen führen. Wird keine Form von Abschwächung geboten, suchen sich Wellenströme ihren Weg zur Erde durch die Lager, wodurch sie Abbrand, Schmelzkrater, übermäßige Lärmbelastung, mit der Zeit Lagerdefekte und letztendlich ­Motorausfälle verursachen.

Aufgrund der hohen Schaltfrequenz in pulsweitenmodulierten (PWM-) Umrichtern induzieren alle Frequenzumrichter in Drehstrommotoren Wellenströme. Die Schaltfrequenzen von den in diesen Umrichtern verwendeten Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) erzeugen bei Normalbetrieb durch elektromagnetische Induktion Spannungen an der Motorwelle. Diese Spannungen, die 70 Volt und mehr (Spitze-Spitze) betragen können, lassen sich leicht messen, indem man bei laufendem Motor den Tastkopf eines Oszilloskops an die Welle hält.

Sind diese Spannungen erst einmal ausreichend hoch, um die dielektrischen Eigenschaften des Schmiermittels an den Lagern zu überwinden, entladen sie sich über den Weg des geringsten Widerstandes am Motorgehäuse, in der Regel über die Motorlager. Bei praktisch jedem Zyklus des Frequenzumrichters entlädt sich der induzierte Wellenstrom von der Motorwelle über die Lager auf das Motorgehäuse, wodurch auf der Lauffläche des Lagers kleine Schmelzkrater entstehen.

Diese Entladungen treten so häufig auf, dass die gesamte Lauffläche in Kürze mit einer Vielzahl von Einkerbungen übersät und aufgeraut ist. Bei weiterführender Beschädigung nimmt auch das Aufrauen zu, was letztendlich zu einem lärmenden Lauf der Lager und zu Lagerdefekten führt. Zudem kann das Phänomen der Riffelbildung auftreten, wobei entlang der aufgerauten Lauffläche waschbrettähnliche Rillen entstehen können. Diese Riffelbildung kann übermäßige Lärmbelastung und Schwingungen zur Folge haben, die bei Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlagen über Leitungen noch verstärkt und übertragen werden.

Unabhängig von der Art des Lager- bzw. Laufflächenschadens verursacht der daraus resultierende Motor- und Produktionsausfall oftmals Stillstandskosten von vielen tausend Euro.

Strategien zur Abschwächung von Schäden

Die Lagerschäden beginnen bereits bei der Inbetriebnahme und nehmen mit der Zeit zu. Um solche Schäden von Anfang an zu vermeiden, muss der induzierte Wellenstrom durch Isolierung oder andere Möglichkeiten zur Erde umgeleitet werden.

Isolierung: Das Isolieren von Motorlagern ist ein Lösungsansatz, der das Problem im Allgemeinen nur verlagert, da sich die Wellenströme dann einen anderen Weg zur Erde suchen. Manchmal durchdringen die Hochfrequenzströme der Frequenzumrichter aufgrund der kapazitiven Wirkung der Keramik-Isolierung auch die Isolierschicht und verursachen Schäden an den Lagern. Sind weitere Geräte, wie z. B. Pumpen, angeschlossen, können oftmals auch deren Lager beschädigt werden, wenn die Entladung hierüber erfolgt. Strategien zur Lagerisolierung können in ihrer Umsetzung sehr kostenintensiv sein.

Andere Entladungsstrecken: Da diese Strategien bei korrekter Umsetzung Wellenströme neutralisieren, sind sie einer Isolierung vorzuziehen. Die verschiedenen Techniken sind unterschiedlich kostenintensiv und manchmal, je nach Größe und Verwendung des Motors, nur sehr selektiv anwendbar. Die ideale Lösung wäre eine, die eine Entladungsstrecke mit sehr geringem Widerstand von der Welle zur Erdung bietet, kostengünstig ist und für alle Wechselstrommotor-Anwendungen mit Frequenzumrichter einsetzbar wäre, wodurch man den größtmöglichen Lagerschutz und die maximale Rendite erzielen würde.

Techniken zur Abschwächung von Wellenströmen

Obwohl heute eine Reihe von Techniken zur Verfügung steht, die Wechselstrommotoren vor Schäden durch parasitäre Wellenströme schützen, erfüllen nur wenige von ihnen die Wunschkriterien Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Anwendungsvielseitigkeit.

1. Faradayscher Käfig: Diese Abschirmung verhindert, dass der Strom des Frequenzumrichters auf die Welle induziert wird, indem sie ihn mit Hilfe einer kapazitiven Barriere zwischen Ständer und Läufer effektiv einschließt. Diese Lösung ist jedoch schwierig umzusetzen, sehr teuer und wurde daher als praktische Lösung verworfen.

2. Lagerisolierung: Die Lager werden mit Isoliermaterial - in der Regel eine nicht leitende Schicht aus Harz oder Keramik - beschichtet, wodurch sich Wellenströme nicht mehr über die Lager auf das Motorgehäuse entladen. Hierdurch sucht sich der Strom einen anderen Weg zur Erde, z. B. über eine angeschlossene Pumpe oder einen Drehgeber, oder gar eine Last. Aufgrund der hohen Isolierungskosten für die Lagerzapfen ist diese Lösung im Allgemeinen auf größere Motoren beschränkt. Manchmal durchdringen die Hochfrequenzströme der Frequenzumrichter die Isolierschicht und verursachen somit trotzdem Schäden an den Lagern. Ein weiterer Nachteil ist die Möglichkeit verunreinigter Isolierungen, die mit der Zeit eine Entladungsstrecke über die Lager ausbilden können.

3. Keramiklager: Der Einsatz von nicht leitenden Keramik-Kugeln hindert die Wellenströme daran, sich über diese Lager zu entladen. Wie auch bei anderen Isolierlösungen suchen sich die Wellenströme dann eine andere Entladungsstrecke zur Erdung. Diese Technik ist sehr kostenintensiv. Des Weiteren sind Motoren mit Keramik-Kugellagern Sonderanfertigungen mit langen Lieferzeiten. Außerdem bieten Keramiklager nicht dieselbe Druckfestigkeit wie Stahllager, weshalb sie in den meisten Fällen größer angefertigt werden müssen, um der mechanischen, statischen und dynamischen Belastung standhalten zu können.

4. Leitfähiges Schmiermittel: Theoretisch stellt Schmiermittel mit leitenden Partikeln eine Entladungsstrecke mit geringerer Impedanz über die Lager dar und schränkt somit die Wellenströme über die Lager ein, so dass keine schädliche Entladung stattfindet. Jedoch erhöhen die leitenden Partikel im Schmiermittel den mechanischen Verschleiß der Lager, wodurch diese Schmiermittel ineffizient werden und oftmals zu vorzeitigen Ausfällen führen. Daher wurde diese Methode als realisierbarer Lösungsansatz für Wellenströme an Lagern weitestgehend fallengelassen.

5. Erdungsbürste: Eine die Motorwelle berührende Metallbürste stellt eine praktischere und wirtschaftlichere Methode zur Schaffung eines Niedrigimpedanzwegs zur Erdung dar. Dies gilt insbesondere für größere Motoren. Diese Bürsten stellen den Anwender jedoch vor mehrere neue Probleme: Aufgrund des mechanischen Kontakts mit der Welle sind sie dem Verschleiß ausgesetzt und an ihren Metallborsten sammeln sich Verunreinigungen an, was den Effizienzgrad beeinträchtigt. Des Weiteren sammeln sich an ihnen Oxidationsprodukte an, wodurch der Erdungseffekt verringert wird. Und sie müssen regelmäßig gewartet werden, wodurch die laufenden Kosten steigen.

6. Lagerschutzring (SGR): Dieser innovative neue Ansatz beruht auf der Verwendung eines Rings aus speziell entwickelten leitfähigen Mikrofasern, mit dessen Hilfe parasitäre Wellenströme umgeleitet werden können. Der Ring ermöglicht einen zuverlässigen Niedrigimpedanzweg von der Welle zum Gehäuse, unter Umgehung der Motorlager. Dabei bedient sich der Ring des Ionisierungsprinzips, um die Elektronentransferrate zu erhöhen und um eine extrem effiziente Entladung der Hochfrequenz-Wellenströme zu fördern, die von den Frequenzumrichtern induziert werden. Mit ihren Hunderttausenden von Entladungspunkten dirigiert der SGR die Ströme um die Lager der Drehstrommotoren herum und schützt sie so vor elektrischen Schäden.(sn)

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