تشخیص جریانهای گذرنده از یاتاقان موتورها

در این مبحث شما با چگونگی تشخیص جریان های گذرنده از یاتاقان موتورها، عوامل، روش های تست و استانداردهای آن آشنا می شوید.

تشخیص جریانهای گذرنده از یاتاقان موتورها

تشخیص جریانهای گذرنده از یاتاقان موتورها

 

شناخت عوامل خطرساز مربوط  به ایجاد جریانهای گذرنده از یاتاقان موتورها بدلیل استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFDs).

در عصر بهره وری انرژی، بیشتر مهندسان در مورد پتانسیل صرفه جویی در هزینه ها با بکارگیری درایوهای فرکانس متغیر (VFDs) و توانایی آنها برای کار با الکتروموتورها جهت مطابقت با بارهای مورد نیاز، خوشبین هستند. در حالیکه VFD ها می توانند به طور قابل توجهی هزینه های برقمصرفی را کاهش دهند، در سوی دیگر می توانند به طور چشمگیری طول عمر موتور را نیز کاهش دهند. ولتاژ شفت تولید شده بوسیله خروجی مد مشترک VFD ها منجر به قوس الکتریکی بر روی یاتاقان موتور می شود. در یک دوره زمانی کوتاه، جدای از ایرادات متعاقبی که در موتور ایجاد می گردد، به تنهایی می تواند سروصدای زیادی تولید کند.

امروزه با رشد استفاده از VFD ها در بازار، و همچنین ایرادات اثبات شده درباره ولتاژ شفت موتور، استانداردهای صنعتی به این مشکل توجه بیشتری کردند. علیرغم افزایش درک ارتباط  بین ولتاژ شفت موتور و VFDها، هنوز آگاهی کافی در بین استفاده کنندگان وجود ندارد که باعث می شود موتورهای در حال بهره برداری مشکلات مشابهی را تجربه کنند. صرف نظر از نوع راه انداز مورد استفاده در موتور، مهندسین باید از علائم وجود ولتاژ شفت و جریان یاتاقان آگاهی کافی داشته باشند. با توجه به این واقعیت که برای اکثر تاسیسات رخ دادن یک قطعی برق می تواند بسیار گران تمام شود و در برخی از صنایع خاص، مانند مراقبت های بهداشتی و یا کاربردهای هسته ای، می تواند خطرآفرین ویا تهدید آمیز باشد، تشخیص مشکل قبل از وقوع خرابی بسیار مهم است.

معرفی پدیده ولتاژ شفت

برای درک اینکه چرا در موتورهای القایی ولتاژ شفت ایجاد می شود، باید با تئوری نحوه ایجاد آن آشنا شوید. موتورهای القایی با یک میدان مغناطیسی دوار کار می کنند میدان باعث ایجاد نیرویی می شود که موتور را می چرخاند. برای ایجاد این میدان مغناطیسی، موتور باید با اتصال به یک منبع برق راه اندازی شود. متداول ترین  روش برای اتصال به منبع برق روشی است که اصطلاحا "اتصال مستقیم به برق" نامیده می شود. که در آن موتور در ولتاژ کامل به طور مستقیم از طریق یک کلید مدارشکن راه اندازی می شود. در یک موتور متصل به خط، منبع برق سه فاز است، که در آن دامنه ولتاژ تمام فاز ها یکسان است، زاویه  برداری فازها نسبت به یکدیگر 120 درجه می باشد. و جمع برداری ولتاژ فازها صفر است. در حالت ایده آل، از آنجا که مجموع ولتاژ فاز ها صفر است، جریان بسیار کمی از فریم یا بدنه موتور به زمین جاری می شود.

VFD ها  به دلیل کاهش جریان هجومی و توانایی آنها برای تنظیم سرعت موتور به تدریج در حال جایگزین شدن با راه اندازی مستقیم با ولتاژ خط هستند. برخلاف راه اندازهای مستقیم با ولتاژ خط، VFD ها در ابتدا بوسیله یکسوکننده ولتاژ AC را به DC تبدیل می کنندو درادامه به وسیله کلید زنی با سرعت بالا، ولتاژ را مجددا به AC تبدیل می کنند. از آنجا که خروجی ولتاژ VFD با استفاده از کلید زنی با سرعت بالا ایجاد شده است شکل موج به جای یک موج سینوسی شباهت زیادی به موج مربعی دارد. در نتیجه، بین ولتاژ سه فاز که به موتور اعمال می گردد یک عدم تعادل وجود دارد، که به عنوان ولتاژ مد مشترک شناخته می شود. و در شکل 1 و شکل 2 نمونه هایی از آن نشان داده شده است.

تصویر 1

تصویر 2

به محض این که موتور با یک VFD شروع به کارمی کند، عدم تعادل ولتاژ مد مشترک به دنبال مسیری به سمت زمین می گردد، و یک تزویج پارازیتی ازسیم پیچ های روتور و استاتور ایجاد می شود. هنگامی که فیلم نازک روغن در دی الکتریک گسسته می شود، سطح ولتاژ بر روی شفت موتور افزایش می یابد. مسیری که کمترین امپدانس برای جریان های نامتعادل را دارد خود یاتاقانهای موتور می باشد. ولتاژ در فرکانسهای بالا شروع به ایجاد قوص الکتریکی بر روی یاتاقانها می کند. (شکل 3)، منجر به ماشینکاری الکتریکی ناشی از دشارژ (EDM) می گردد. و براده و سوختگی فلز در سطح تماس یاتاقان ایجاد می گردد.

EDM  تخلیه قوص بر روی یاتاقان را ادامه می دهد و اغلب باعث ایجاد سر و صدای زیاد و آزار دهنده از موتور می شود. تخلیه قوص در طول فعالیت موتور به طور مداوم رخ می دهد و شروع به ذوب کردن سطح یاتاقان می کند. با گذشت زمان، در نقاط تخلیه الکتریکی سوراخ ها یا حفره هایی روی یاتاقان های موتور ایجاد می شود. اگر به درستی تشخیص داده نشود، یاتاقان های موتور آسیب خواهند دید، و در نهایت موتور بصورت کامل تخریب خواهد شد. در برخی مواقع، یک موتور جدید می تواند ظرف چند ماه تخریب شود.

عوامل خطر

توسعه برخی از سطوح جریان در یاتاقانها اجتناب ناپذیر است؛ با این حال، عوامل خطر اصلی متعددی وجود دارد که می تواند این اثر را تشدید کند. گرچه عوامل خطر زیر ممکن است شناخته شده ترین انها باشند، بسیاری عوامل دیگر نیز وجود دارند که می توانند نقش مهمی ایفا کنند.

اندازه فریم موتور - جریان های یاتاقان موتور رابطه مستقیمی با اندازه موتور دارند. مخصوصا، موتورهایی که بالاتر از 450 اسب بخار هستند، به دلیل احتمال عدم تقارن مغناطیسی در ساختمان سیم پیچ های موتور،  احتمال وجود مشکل جریان یاتاقان در آنها زیاد است. در حالیکه موتورهای بزرگ مقداری از جریان های یاتاقان موتور را تجربه می کنند، موتورهای تغذیه شده با VFD ها، بدلیل ولتاژ مد مشترک جریان گذرنده از یاتاقان بزرگتری را تحمل می کنند.

جابجایی نادرست -  گر موتور در شرایط نادرست حمل ونقل شود، در معرض خطر افزایش ولتاژ شفت قرار می گیرد. عمده آسیبها می تواند در کارخانه، در حین حمل و نقل، و یا زمانی که موتور بر روی پایه فنداسیون قرار می گیرد یا از آن جدا می شود، رخ دهد. آسیب جزئی موتور در هنگام حمل و نقل ممکن است مشکلات قابل توجهی را در عملکرد موتور ایجاد نکند؛ با این حال، احتمال کمی دارد که عدم تقارن مغناطیسی را افزایش داده و باعث افزایش جریان گذرنده از یاتاقان شود.

 زمین کردن نامناسب/ناکافی -  زمین کردن مناسب راه انداز موتورها با ولتاژ مستقیم خط استاندارد، هر چند اغلب به درستی طراحی نشده اند، در صنعت و استانداردها بیشتر قابل درک است. زمین کردن نامناسب در عبور نرمال جریان گذرنده از بدنه موتور و هادی های زمین، و عدم ارائه یک مسیر کم امپدانس تداخل ایجاد می کند. در این شرایط، جریان به دنبال یک مسیر امپدانس پایین به سمت زمین می گردد، که این مسیر اغلب می تواند از طریق بلبرینگ موتور برقرار گردد. هنگامی که پیوندها یا اتصالات دی الکتریک در غشای نفتی محافظ یاتاقان گسسته می شود یا از بین می رود، حرکت جریان زمین از طریق یاتاقان منجر به قوس الکتریکی و آسیب به یاتاقان می شود. برای موتورهایی که با VFDs کار می کنند، وجود ولتاژ مد مشترک باعث می شود که زمین کردن از این هم مهمتر باشد. از آنجائیکه ولتاژ مد مشترک باعث می شود که همیشه جریان زمین بزرگتری داشته باشیم، جلوگیری از آسیب به یاتاقان ممکن است دشوار باشد، مگر اینکه استانداردهای صنعت و توصیه های سازندگان رعایت شود. برای کمک به کاهش عدم تعادل موجود در خروجی VFD، می توان ازکابل حفاظ دار برای کمک به تخلیه جریان به زمین استفاده کرد. این قبیل اطلاعات اغلب در مستندات منتشر شده توسط سازنده موجود است، اما همیشه در این زمینه کاربرد ندارد.

موج حامل با فرکانس های بالا - تحقیقات نشان داده است که VFD ها در فرکانس های حامل بالاتر عمل می کنند و موجب افزایش نرخ جریان تخلیه پالس و آسیب EDM می شود. برای اپراتورهای دستگاه، کارکرد موتورها در فرکانس های حامل بالاتر، به دلیل کاهش نویز ایجاد شده توسط موتور مفید است; با این حال، خطر آسیب به موتور افزایش می یابد. برای رفع این نگرانی، پرسنل باید سعی کنند یک تعادل بین فرکانس های پایین تر و سروصدای موتور ایجاد کنند. در بسیاری از موارد، این مقدار را می توان با تنظیم دقیق فرکانس حامل و افزایش آهسته برای یافتن بهترین سطح قابل قبول در یک درایو پیدا کرد. اگرچه یک معیار برای مقایسه و سبک و سنگین کردن این دو همیشه امکان پذیر نیست، هزینه قابل توجه موتورها شاید باعث شود کارکرد آنها در فرکانس موج حامل پایین تر به صرفه باشد.

فقدان آگاهی - یکی از عوامل خطر اصلی فقدان اسناد و آگاهی مناسب است. اگر چه ایجاد جریان های یاتاقان موتور در استانداردهای صنعتی مستند شده است، بسیاری از مهندسان و تکنسین ها اغلب از مشکلات بالقوه این حوزه آگاه نیستند، به ویژه هنگامی که از VFD ها استفاده می کنند.

مشکل بودن ذاتی تشخیص ایراد جریان های گذرنده از یاتاقانها، احتمال آسیب رسیدن به موتور را افزایش می دهد. با ایجاد قوس الکتریکی در یاتاقانهای موتور، اولین نشانه قابل مشاهده این عیب افزایش نویز (سر و صدای) ایجاد شده توسط موتور است. از آنجایی که اکثر موتورها در مناطق دور از محل استقرار کارکنان قرار دارند، اغلب افزایش سر و صدای موتور به سختی قابل تشخیص است. هنگامی که قوس الکتریکی ایجاد می شود، خوردگی های میکروسکوپی یاتاقان ها آشکار می شود. این خوردگی های ریز گاهی اوقات برای چشم غیر مسلح قابل مشاهده است با این حال، وهمچنین در اغلب موارد با استفاده از میکروسکوپ باید تشخیص داده شود. در برخی مواقع تشخیص ایراد بدلیل اینکه قسمت آسیب دیده را نمی توان دید بسیار پیچیده می شود، مگر اینکه موتور تکه تکه یا دمونتاژ شود. اگر اجازه دهیم موتور به کار خود ادامه دهد، آرک یا قوس الکتریکی همچنان به یاتاقان آسیب می رساند و شیارهای بزرگی را در یاتاقان ها ایجاد می کند که معمولا به عنوان شیاری یا flutingشناخته می شود. که در این حالت یاتاقان موتور باید تعویض گردد.

استانداردهای صنعتی

استانداردهای صنعتی به تدریج در طول زمان تجدید نظر شده اند تا با افزایش استفاده از VFD هماهنگ شوند. استانداردهای اصلی موتور (NEMA MG1: موتورها و ژنراتورها و استاندارد lEEE 112: روش استاندارد برای تست موتورهای القایی چند فاز و ژنراتورها) در حال حاضر شامل بندهایی مربوط به مقدار قابل قبول سطوح جریان گذرنده از یاتاقان است.

اولین مرجع در NEMA MG1 را می توان در بخش14.32 پیدا کرد که مربوط به موتورهای AC است که از طریق VFD ها یا ولتاژهای متغیر تغذیه شده اند. این مرجع به صورت " تجربه  نشان می دهد که اگر چه این یک مشکل کلی در این نوع از ماشینها نیست، اما ولتاژهای شفت بالاتر از 0.5mV هنگام آزمایش مطابق با استانداردIEEE 112، ممکن است نیاز باشد شفت زمین شود و یا یاتاقان عایق بندی گردد." یکی دیگر از موارد مرتبط را در بخش 31.4.4.3می توان یافت، که مربوط به موتورهای بزرگ کاربرد خاص است که با اینورتر تجهیز شده اند. این مقاله با جزئیات بیشتر، به توصیف پدیده پرداخته، و همچنین توصیه به عایق بندی یاتاقان در مواردی که ولتاژ یاتاقان بیش از 300 میلی ولت است، را مورد بحث قرار داده است. علاوه بر این، این مطلب جزئیات افزایش احتمال جریان های یاتاقان در موتورهای بزرگتر از 500 اسب بخار به دلیل احتمال بیشتر ایجاد عدم تقارن مغناطیسی در حین ساخت را بیان می کند.

در حالی که در استانداردNEMA MG1 به طور واضح در مورد جریانهای یاتاقان در هنگام استفاده از VFD ها و همچنین راه حل های بالقوه بحث کرده است. بندهای مربوط را برای موتورهایی که مستقیما با ولتاژ خط راه اندازی می شوند نمی توان به کار برد. اگر چه VFD ها به احتمال خیلی زیاد عامل تولید جریان گذرنده از یاتاقانهای موتور هستند، موتورهای استاندارد نیز همان گونه که پیش از این تشریح شد، این پدیده را تجربه می کنند. در نتیجه، بسیاری از مهندسان و تکنسین ها اغلب آزمایش های لازم برای شناسایی ولتاژ شفت را در نظر نمی گیرند، مگر اینکه قبلا با این مشکل مواجه شده باشند.

برای آزمایش موتور در این زمینه، باید به روش های مشخص شده در IEEE 112. استناد کرد. این استاندارد تئوری جریان های یاتاقان و همچنین راه حل های ممکن را به وضوح تشریح کرده است. همانند NEMA MG1، بخش هایی در این استاندارد فقط مربوط VFD ها است.

روش های تست

انجام تست تشخیص جریان های یاتاقان شاید یکی از سخت ترین تست ها باشد، زیرا در حالیکه برق به موتور متصل است و موتور در حال کار می باشد محور و شفت آن باید در دسترس قرار داشته باشد. برای غلبه بر این مشکل، تامین کننده های مختلف یک جاروبک کربنی تولید کرده اند که بر روی شفت متصل می شود و خروجی آن می تواند به یک اسیلوسکوپ متصل شود. این به تکنسین ها اجازه می دهد که در حین تست فاصله ای امن از موتور داشته باشند. روش های دیگر تست موجود هستند، مانند استفاده از ولت متر با امپدانس بالا به جای اسیلوسکوپ. با این حال، کمبود دقت و نمودارهای شکل موج موجب می شود این نوع تست کمتر مفید باشد.

اولین گام در انجام تست ولتاژ شفت، این است که پس از مونتاژ میله فایبر گلاس و اسیلوسکوپ، موتور را خاموش کرده و شفت را در معرض دید قرار می دهیم. با استفاده از اسیلوسکوپ با بدنه زمین شده ( که بدنه آن زمین شده است )، جاروبک کربنی به یکی دیگراز مکان های زمین شده روی موتور متصل می شود. این کار تکنسین را قادر می سازد تا سطح سر و صدای محیط را به دست آورده و سپس از مقادیر اندازه گیری شده بر روی موتور کم کند. (نویز را از سیگنال کم کند).

پس ازاینکه اندازه گیری نویز محیط کامل شد، جاروبک کربنی به طور مستقیم بر روی شفت موتور چرخان نصب می شود. برای اطمینان از اینکه شکل موج کامل را می توان در اسیلوسکوپ مشاهده کرد (عکس)، چندین اندازه گیری باید ثبت شود. مشاهده دقیق شکل موج باید نشان دهد که آیا یک پیک یاقله تیز در ولتاژ وجود دارد، که آن هم نشان دهنده تخلیه ولتاژ شفت است. ولتاژ بیش ازmV 0.5(قله به قله) اغلب نیاز به بررسی بیشتر دارد. با این حال، در VFD ها، مقدار نامی تقریبا همیشه بیش از 0.5mV است. مثالهایی که در زیر بررسی می شود نمونه های مختلفی از آزمون های ولتاژ شفت را نشان می دهد.

تصویر اسیلوسکوپ نشان داده شده در شکل 4 به وضوح وجود ولتاژ شفت را نشان می دهد، با مقدار قله به قله74.3ولت. این مقدار بسیار بالاتر از مقدار مجاز 0.5mV در استاندارد IEEE 112 و همچنین ولتاژ مجاز 1  تا 2 ولت برای تولیدکنندگان VFD ها است. حداکثر ولتاژ قرار گرفته بر روی شفت برابر با 74.3 ولت است که به احتمال زیاد به این معنی است که یاتاقان زمان زیادی در این حالت دوام نخواهد آورد،مگر اینکه اصلاح شود.

 

ولتاژ شفت 11.6 ولت در شکل 5، یک مثال دیگر است که به وضوح  جریانهای گذرنده از یاتاقان را نشان می دهد. در این مثال، موتور یک واحد تغذیه شونده مستقیم از خط است که به VFD متصل نیست. این موتور در ابتدا آزمایش شده بود، زیرا سر و صدای آن زیاد و قابل شنیدن بود. پیمانکار در محل پروژه ولتاژ شفت را در یک پروژه قبلی تجربه کرده بود و سریع متوجه شد و تصمیم گرفت که یک آزمایش ولتاژ شفت موتور انجام دهد. پس از مشورت با کارکنان تأسیسات در مورد وضعیت موتور، پیمانکار متوجه شد که موتور به درستی حمل نشده است و آسیب به سیم پیچ موتور احتمالا در هنگام حمل رخ داده است، که باعث ایجاد عدم تعادل مغناطیسی شده است.

هنگام آزمایش کردن موتور، اغلب برای مقایسه مناسب است که یک موتور دیگر (موتور B) نیز آزمایش شود.تصویر نشان داده شده در شکل 6 موتور "B" که برای تغذیه مستقیم با ولتاژ خط است، در حین حمل از جایی افتاده است. واضح است که هیچ شواهدی از ولتاژ شفت و یا آسیب به یاتاقان در این شکل موج وجود ندارد. اغلب، مقایسه دو موتور مشابه می تواند نشان دهد که مشکل درون خود موتور است، یا حالت گذرای ولتاژ منبع تغذیه یا در یک سیستم زمین نامناسب است.

هنگامی که یک ایراد یاتاقان موتور شناسایی شده است، اصلاح مشکل می تواند سخت باشد. در مورد بالا برای موتور تغذیه شونده از خط، مشکل با ارسال یک موتور جدید حل شد، که هیچ شواهدی از جریانهای یاتاقان و آسیب بعدی در طول حمل و نقل نشان نداد. در کاربردهای موتور با VFD، جریان های یاتاقان اجتناب ناپذیر هستند، و مهندسان باید تلاش کنند تا به سادگی آن را به کمترین مقدار ممکن کاهش دهند.

هنگامی که فرض زمین کردن نامناسب و تغذیه ولتاژ گذرا یا لحظه ای و غیر متناوب مردود می شوند، مهندسان اغلب راه حل های کمی برای کاهش ولتاژ شفت دارند. بسیاری از شرکت های مهندسی، یاتاقان های موتور عایق شده را استفاده می کنند که امپدانس مسیر عبور جریان به زمین را خیلی زیاد و از عبور آن ممانعت می کند، در نتیجه از آسیب رسیدن به یاتاقان جلوگیری می کنند. با این حال، هیچ تضمینی وجود ندارد که جریان زمین مسیر نامناسب و مضر دیگری را پیدا نکند، مانند عبور از طریق کوپلینگ پمپ. علاوه بر این، یاتاقان های عایق شده اغلب هزینه زیادی دارند. یاتاقان های سرامیکی و جاروبکهای زمین کننده شفت گزینه هایی برای بررسی بیشتر و آزمون و خطا هستند. با این حال، اینها نیز راه حل های پر هزینه ای هستند.

حلقه های زمین کننده شفت در صنعت به عنوان یک ابزار در دسترس برای حل مشکل ولتاژ شفت توسعه یافته اند، جاروبکهای کربنی بر روی شفت متصل شده و سمت دیگر آن به طور مستقیم به بدنه موتور متصل می شود. بصورت تئوری، یک مسیر زمین با امپدانس پایین ایجاد می شود که عبور جریان از مسیر یاتاقانها را به حداقل می رساند.

جمع بندی

با توجه به افزایش سهم VFDها در بازار، تحقیقات بیشتر به شناسایی بهترین راه حل برای مبارزه با جریان های یاتاقان موتور کمک خواهد کرد. اگر چه صنعت از عواقب منفی احتمالی درایوهای VFD در یاتاقان های موتور آگاه است، در این زمینه میزان آگاهی صنعت در مورد موتورهای تغذیه شده از خط و همچنین ایرادات یا نگرانی های مشابه هنوز به اندازه کافی نیست.

در بسیاری از موارد، به دلیل کمبود آگاهی در مورد استانداردها، بسیاری از مهندسان از مشکل بالقوه آگاه نیستند، مگر اینکه آنها اینگونه مشکلاتی را قبلا ( یا در پروژه ای ) تجربه کرده باشند. با توجه به هزینه های ناشی از خرابی یک موتور، مطمئنا یادآوری یک درس ارزشمند خواهد بود.

 

منبع : EC&M ، توسط Philip M.Gonski

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code