Antriebstechnik

Lagerströme und Wellenspannungen...

...belasten Umrichterantriebe
Wellenspannung: N (B) – Lüfterseite, non driving side nach IEC 34-7, D (A) – Abtriebsseite, driving side nach IEC 34-7, AM – Arbeitsmaschine)

Moderne, umrichtergespeiste Drehstromantriebe zwingen den Anwender nicht nur dazu, sich mit der elektro-magnetischen Verträglichkeit (EMV) auseinanderzusetzen. Zudem hat er auf Lagerströme (bearing currents) und die sie erzeugenden Wellenspannungen (ripple voltages) zu achten.

Derartige parasitären Stromflüsse sind aus der konventionellen, am starren Netz betriebenen Motorentechnik als ungefährlich bekannt. In innovativen Anlagen allerdings können sie bewirken, dass bereits nach wenigen Monaten Betriebszeit Maschinenlager und sogar Getriebe ausfallen. Die vorteilhafte Umrichterspeisung führt nämlich zur Zunahme hochfrequenter Lagerströme (Ordnungszahl größer gleich 6) und damit zur Schädigung von Lagerschalen/-laufringen durch Funkenerosion. Darüber hinaus steigen die Zusatzverluste, Motorenwirkungsgrad sowie MTBF (Mean Time between Failures) sinken. Um die negative Wirkung zu unterdrücken, sind die vom Lieferanten in der Dokumentation vorgeschriebenen Montage- und Inbetriebsetzungsmaßnahmen hinsichtlich der Erdung unbedingt zu beachten, ihre Einhaltung ist regelmäßig, vor allem auch bei Systemänderungen zu kontrollieren. Schädliche Lagerströme treten bei mittleren und großen, seltener bei kleinen Antriebsleistungen auf.

Entstehung von Lagerströmen

Zwei Typen von Wellenspannungen erzeugen die vagabundierenden Lagerströme. Ihre eher unkritische induktive Variante entsteht durch Spannungsinduktion. Dazu führen maschineninterne Unsymmetrien selbst bei Speisung der Maschine mit Sinus-Spannungen und/oder Sättigung des Eisenkreises. Höhere Werte bei Umrichterspeisung verursacht das stark oberschwing- ungsbehaftete Luftspaltfeld. Wegen der kapazitiven Kopplung der Eisenpakete von Läufer und Ständer über den Luftspalt und die Lager, zwischen zwei leitenden, gegeneinander isolierten Bauteilen (beispielsweise Motorwicklung – Gehäuse) bildet sich als Folge der am Stellgliedausgang auftretenden Gleichtaktspannung die kapazitive Wellen- beziehungsweise Lagerspannung. Ihre Amplitude wird sowohl von der Höhe der Zwischenkreisspannung, dem Ansteuerverfahren als auch über die Taktfrequenz (Schaltfolge der IGBT-Ventile) beeinflusst. Angetriebene EDM- (Electric Discharge Machining) und du/dt-Ströme (Steilheit der Impulsflanken am Wechselrichterausgang) zirkulieren als Kreisstrom durch den Ring Welle – Gehäuse – Lager – Lagerschild – Welle oder fließen als Wellenerdstrom über die geerdete Arbeitsmaschine zum Stellglied zurück. Wegen interner Streukapazitäten des Motors können sich sogar bei kleinen Leistungen schädigende, hochfrequente, impulsförmige Lagerströme entwickeln.

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Wirkungen der Lagerströme

Wellenspannungen erreichen im klassischem Netzbetrieb Werte von 250 bis 350 Millivolt. Davon getriebene Lagerströme bleiben ohne merkliche Wirkung. Eine Versorgung mit Umrichtern dagegen ruft Spannungsfälle bis 100 Volt und mehr hervor, die Stromspitzen von drei bis 20 Ampere (maximal bis unter 200 Ampere) hervorbringen. Sie beschädigen die Lager und beanspruchen zusätzlich die Isolation der Motorwicklung. Hat der Strom ausreichend Energie, treten Partikel aus den metallischen Lagerbestandteilen (Kugeln, Laufring) in den Schmierstoff ein. Diese Funkenerosion erzeugt Krater, die sich infolge der hohen Impulsfolge schnell vergrößern/vertiefen und nach relativ kurzer Betriebsdauer der Maschine zum Austausch des Lagers zwingen. Die ausfallfreie Betriebszeit MTBF des Antriebs nimmt drastisch ab. Entsprechende zerstörerische Effekte sind auch in Getrieben zu beobachten.

Messung von Lagerströmen

Direkt lassen sich solche Impulsströme nicht messen. Ihre Existenz kann lediglich indirekt über magnetische Feldmessungen nachgewiesen werden. Die einzusetzende Rogowski-Spule weist eine Bandbreite von etwa 0,01 bis zwei Megahertz auf (bei einem Messbereich für Spitzen bis über 200 Ampere und Effektivwerte größer als zehn Milliampere). Die Erfassung bedingt eine Mindestdrehzahl der zu untersuchenden Maschine, damit ein stabiler hydrodynamischer Schmierfilm entsteht. Zu geringe Drehzahlen sorgen nämlich für einen mechanischen Kontakt zwischen Welle und Lagerschale. Als Messort kommt das Innere des Motors in Frage.

Vermeidung von Lagerströmen

Nachstehende Maßnahmen reduzieren einzeln oder in Kombination Wellenspannung und Lagerstrom sowie die Wirkung der Gleichtaktspannung:

– Unterbrechung der Lagerstromschleife: durch Isolation eines der beiden Lager (meist das auf der N-Seite), über keramische Lager, mit einer isolierten Kupplung zur AM

– Dämpfung des hochfrequenten Gleichtaktstromes: durch Einsatz von Gleichtakt- und/oder du/dt-Filtern am Umrichterausgang sowie einer zusätzlich Gleichtaktimpedanz, als Folge der Ansteuerung des Wechselrichters mit ausgewählten Pulsmustern

– Vorschriftsmäßige Erdung des Antriebs und der Verkabelung Umrichter – Motor: mit einer Erdungsbürste parallel zum nichtisolierten Lager der D-Seite, durch Nutzen leitfähigen Lagerfetts, über einen Potenzialausgleich zwischen Motor und Arbeitsmaschine und mit Ausgleichsverbindungen (breites Kupferband) für hochfrequente Ströme, durch den Einsatz mehradriger, symmetrischer Motorkabel (gemeinsamer Schirm als PE-Leiter für alle Phasen oder ein Kabel, in dem jeder Phasenleiter einen separaten Erdleiter hat).

Die tatsächlich anzuwendenden Installationsmethoden hängen grundsätzlich vom Produkt mit seinen spezifischen Vorschriften ab. Maximalen Schutz erhält der Nutzer dann, sofern er die gesamte Wirkungskette – Motortyp, Motorauslegung, Stellglied, Regelungs-/Ansteuerverfahren – von einem Systemlieferanten optimieren lässt, der die Arbeitsmaschine genau kennt.
Joachim Krause

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