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antriebstechnik 10/2017

antriebstechnik 10/2017

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Eine runde Sache Wellenerdungsringe als wirksamer Lagerschutz für Elektromotoren Frequenzumrichter kommen zur energieeffizienten Regelung von Wechselstrommotoren in großer Zahl zum Einsatz. Sie können jedoch Wellenspannungen induzieren, die zu einem Lagerund Motorausfall führen können. Wellenerdungsringe sind eine hierzulande noch relativ unbekannte, aber kostengünstige Alternative, um Lager vor elektrischen Schäden zu schützen. A lle Hersteller von 3-Phasen-Wechselstrommotoren haben Motorbaureihen im Programm, die sich für den Betrieb an Frequenzumrichtern eignen. Durch die präzise Drehzahl- und Drehmomentregelung von Motoren können durch Frequenzumrichter 30 % und mehr an Energiekosten eingespart werden. Frequenzumrichter sind jedoch nicht unproblematisch und können unerwünschte Wellenspannungen induzieren. Ohne wirksamen Schutz können diese zu vorzeitigem Lagerausfall und damit zum Motorversagen führen. Obwohl die National Electrical Manufacturers Association (Nema) und andere Institutionen empfehlen, neue Motoren mit einem effektiven Lagerschutz zu versehen, ist die häufigste Ursache für Lagerausfall immer noch elektrischer Stromdurchgang. Während Martin Deiss ist Sales Manager Europa bei Electro Static Technology in Eppingen die Isolationen nach den neuesten Standards ausgelegt sind, um die Wicklungen zu schützen, werden oftmals die Lager vernachlässigt. Um wirklich für den Frequenzumrichter-Betrieb geeignet zu sein, sollte ein Motor zusätzlich einen Lager-Langzeitschutz haben. Oftmals wird dies nicht genügend beachtet und teure Ausfallzeiten sind das Resultat. Neue Technologie für elektrischen Lagerschutz Eine zuverlässige Möglichkeit zur Minimierung elektrischer Lagerschäden und für eine erhöhte Zuverlässigkeit Frequenzumrichter-geregelter Motoren und Systeme kann in den meisten Fällen der Einsatz eines Aegis-Wellenerdungsrings darstellen (kombiniert mit einem isolierten Lager bei Motoren größer 75–100 kW). Die Produkte des US-amerikanischen Herstellers werden in Deutschland durch die Firma Electro Static Technology vertrieben. Im Gegensatz zur bisher verwendeten Technologie zur Wellenerdung mittels Kohlebürste bietet der Aegis-Wellenerdungsring eine weit größere Effektivität, speziell um die hochfrequenten Lagerströme zu vermeiden. Die Wellenerdungsringe bestehen aus hochleitfähigen Mikrofasern, die in einem patentierten Fiberlock-Channel gesichert sind. Skalierbar auf jeden Wellendurchmesser umschließen sie die Welle komplett und bieten einen niederohmigen Pfad von Welle zu Gehäuse und leiten so die schädlichen Ströme sicher ab. Da die Mikrofasern mit wenig oder keinem Kontakt zur Welle arbeiten, verschleißen sie nicht wie herkömmliche Kohlebürsten. Gefahr von Motorschäden Schäden an Wicklungen und Lager können durch sich wiederholende und schnelle Impulse entstehen, die von einem modernen Frequenzumrichter an den Motor gegeben werden. Man beschreibt dieses Phänomen mit Begriffen wie Oberschwingungsanteil, parasitäre Kapazität, kapazitive Kopplung, elektrostatische Aufladung und Gleichtaktspannung. Unabhängig von der Bezeichnung können hohe Spannungsspitzen und schnelle Taktzeiten Schäden z. B. an Isolation und Lager verursachen. Ist die Lastimpedanz größer als die Leitungsimpedanz, wird Strom zum Fre- 70 antriebstechnik 10/2017

KOMPONENTEN UND SOFTWARE 01 Eine neue Lagerschale hat eine spiegelglatte Oberfläche, um die Reibung zu minimieren 02 Lochfraß in einer Lagerschale (vergrößert) als Ergebnis der Funkenerosion, wenn Wellenspannungen sich durch die Lager entladen und kleine Schmelzkrater hinterlassen 03 Riffelung der Lauffläche 04 a+b Wellenspannung ohne (links) und mit Wellenerdungsring (rechts) quenzumrichter zurückreflektiert und es entstehen Spannungsspitzen am Motoranschluss, die doppelt so hoch sein können wie die Zwischenkreisspannung. Der durch Frequenzumrichter-induzierte Ströme verursachte Schaden wird häufig übersehen, bis es zu spät ist, um den Motor zu retten. Wellenerdungsringe bieten wirksamen Schutz Lager, die normalerweise eine spiegelglatte Lauffläche aufweisen, können durch elektrische Entladungen beschädigt werden. Ohne einen Schutz fließen Wellenspannungen durch die Lager ab und verursachen unerwünschte elektrische Entladungen. Funkenerosion schädigt die Laufflächen und führt zum vorzeitigen Ausfall des Lagers bzw. Motors. Innerhalb kurzer Zeit ist die Lauffläche übersät mit mikroskopisch kleinen Schmelzkratern und bekommt ein mattiertes Aussehen. Mit der Zeit bildet sich eine Riffelung (waschbrettartige Oberfläche), woraus erhöhte Lagergeräusche und Vibrationen resultieren. Beim Einsatz isolierter Lager sucht sich der schädliche Strom einen anderen Pfad zur Erde, in der Regel durch angeschlossene Aggregate wie Getriebe, Pumpe, Tacho und Encoder. Dadurch werden die Lager dieser Geräte geschädigt. Einfacher Nachweis der Wirksamkeit Die Wirksamkeit der Wellenerdungsringe kann durch einfaches Messen der Wellenspannung mittels eines Oszilloskops nachgewiesen werden. Ohne Wellenerdung erscheint der Spannungsverlauf in hohen Spannungsspitzen und steilen Entladungsflanken. Nach Anbringen des Wellenerdungsrings erscheint eine nahezu flache Linie. Aegis-Wellenerdungsringe haben sich bereits in über 1 Mio. Installationen weltweit bewährt, schwerpunktmäßig in Nordamerika und Asien. Viele Motorenhersteller setzen werkseitig installierte Wellenerdungsringe serienmäßig oder 05 Mit Wellenerdungsringen werden schädliche Ströme sicher abgeleitet optional bei bestimmten Motorbaureihen ein, damit der Betrieb am Frequenzumrichter keine schädlichen Auswirkungen auf die Mo toren hat. Um einen Elektromotor problemlos am Frequenzumrichter zu betreiben, genügt es also nicht, sich ausschließlich auf die Aussagen der Hersteller zu verlassen. Die Isolationen sind zwar nach den neuesten Standards ausgeführt, aber oftmals wird kein Augenmerk auf eine wirksame Wellenerdung gelegt, die Lager vor schädlichen hochfrequenten Strömen schützt. www.est-aegis.com/de

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