Lagerschäden bei Frequenzumrichter-Betrieb verhindern

Kontinierliche Stromdurchgänge, bei denen Strom über Wälzlager fließt und zu achsparalleler Riffelstruktur der Laufflächen und Wälzkörper (gilt nicht für Kugeln) führt, sind seit langem bekannt. Frequenzumrichter bewirken durch steile Spannungsflanken der Zwischenspannung ähnliche Phänomene: Allerdings entstehen durch diese nicht kontinuierlichen Vorgänge keine Riefen, sondern feine, etwa 1 bis 8 µm breite Vertiefungen, die die Oberflächen matt erscheinen lässt. [1]

Variation der Dauer der rechteckigen Einzelimpulse der Zwischenspannung, um näherungsweise eine Sinus-Schwingung als Ausgangsspannung zu erhalten.
Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation der Zwischenspannung (Schema) [2, S. 257]

Problemanalyse

Die Begutachtung der Oberflächen von ausgefallenen Wälzlagern ist häufig nicht ausreichend: Folgeschäden durch Überhitzung in einem späten Schädigungsstadium überdecken die feinen Oberflächenschäden, die die Schadensentwickung ursprünglich angestoßen haben.

Die Wellenspannung sowie deren Veränderung kann im laufenden Betrieb hochfrequent gemessen werden.

Typisches Messsignal der Wellenspannung bei Einsatz von Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation. Die Sinus-Spannung wird durch rechteckige Spannungsform angenähert. An den Übergängen kommt es durch steile Flanken zu Spannungsspitzen.
Wellenspannung mit Spannungsspitzen und charaktarister Treppenform durch Umrichterbetrieb [2]

Mit solchen Messungen können auch andere elektrische Effekte nachgewiesen werden. Dazu gehören elektrodynamische Entladungen aber auch klassische, kontinuierliche Stromdurchgänge.

Möglichkeiten

Es existieren verschiedene Ansätze, mit denen Spannungsspitzen reduziert, oder zumindest ihre Auswirkungen abgemildert werden können. Die wichtigsten sind:

  • Stromfluss durch Isolation verhindern (Stromisolierende Wälzlager) [3]
  • geeignete Filterung des Umrichterausgangs (verbessert Elektomagnetische Verträglichkeit) [4]
  • gezielte Ableitung über Wellenerdung (Kohlebürsten, kontaktloser Wellenerdungsring) [5]

Die Auswahl der Mittel ist üblicherweise abhängig von den Ergebnissen der oben beschriebenen Messung. Außerdem fließen weitere Rahmenbedingungen ein, damit beispielsweise die Ströme nicht durch andere kritische Maschinenelemente – etwa Getriebe – abgeleitet werden.

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[1] Sommer, Karl ; Heinz, Rudolf ; Schöfer, Jörg: Verschleiß metallischer Werkstoffe. Wiesbaden : Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014 — ISBN 978-3-8348-2463-9

[2] AEGIS Shaft Voltage Tester Digital Oscilloscope (Firmenschrift) ; Electro Static Technology, 2016

[3] Fischer, Rolf: Elektrische Maschinen. 16. Aufl. München : Hanser, 2013. — ISBN 978-3-446-43813-2

[4] Kampen, Dennis ; Quattrone, Francesco ; Ponick, Bernd: Was wirklich hilft. Filter zur Beseitigung Frequenzumrichter-bedingter Lagerströme. In: Antriebstechnik Bd. 2013 (2013), Nr. 9, S. 56–58

[5] AEFIS Wellenerdungsring. Lagerschutz-Handbuch (Firmenschrift) ; Electro Static Technology, 2015