AANDRIJVING  
Maintenance Magazine 164 – mei 2024

Hoe lagerschade door zwerfstromen vermijden?

Elektromotoren mogen zich de meest toegepaste aandrijving voor een brede waaier aan machines noemen. Om ze nog een tandje zuiniger te schakelen (dan met klassieke ster-driehoek schakelingen), krijgen ze vaak het gezelschap van een frequentieregelaar die zorgde voor een betere toerenregeling. Perfect passend binnen het streven van de industrie om duurzamer te worden. Maar er is een keerzijde aan de medaille. Door de komst van frequentieregelaars is ook het probleem van zwerfstromen toegenomen en dus de kans op schade aan lagers. We gaan dieper in op oplossingen die deze schade helpen voorkomen.

Door Valérie Couplez

Laat ons eerst beginnen met te kijken waar die zwerfstromen vandaan komen. Hun verschijning heeft te maken met de asymmetrie in het magnetisch veld in de elektromotor. In theorie is dat niet zo, in de praktijk wel. Dat heeft te maken met procedures en beperkingen tijdens de productie of door bewuste keuzes van de ontwerper. Deze asymmetrie induceert op de uiteinden van de rotor een wisselspanning, asspanningen, die varieert tussen 10 mV en 1 V en met een specifiek frequentiespectrum tot ongeveer 1 kHz. Wie de aseinden kortsluit met een 2,5 mm² kabel, zal een kortsluitstroom meten in de grootorde van 10 mA tot 10 A. Geen uitzonderlijk fenomeen, quasi elke elektrisch aangedreven machine ondervindt dit. Het hindert ook het goed functioneren van de machine niet, tenzij er zwerfstromen ontstaan van 100 mA of meer. Dan zal er onvermijdelijk schade optreden aan het lager.

Coating of aardingsborstels

De klassieke oplossing hiervoor was de keuze voor een geïsoleerd lager dat de stroomkring onderbreekt. De lagers hebben dan aan het mantelvlak van de buitenring of in de boring van de binnenring een coating van enkele µm dik meegekregen die bescherming biedt tegen schade door elektrische stroom. Dit kan op beide lagers, maar soms werd enkel voor het lager aan de niet-aandrijfzijde gekozen. De coating die lagerfabrikanten toepassen is vaak op basis van aluminiumtrioxide, isolerend keramiek materiaal dat goed mechanisch bewerkbaar is met dezelfde uitzettingscoëfficiënten als staal en een goede warmtegeleiding. Als alternatief voor gecoate lagers bieden ook hybride lagers uitkomst. Die zijn gemaakt uit siliciumnitride, een extreem hard, taai en maatvast materiaal. En, belangrijk in deze context, siliciumnitride is een elektrische isolator. Optie drie is de introductie van aardingsborstels parallel over de lagers. Deze leiden de stroom weg van het lager. Hoe minder overgangsweerstand tussen de aardingsborstels en de motoras (ten opzichte van de inwendige weerstand van het lager), hoe meer stroom er wordt weggeleid. Deze zijn een stuk goedkoper dan geïsoleerde lagers, maar vergen wel de nodige aandacht. Als er vuil, vet of corrosie op de as zit, dan zal de overgangsweerstand tussen de borstels en de as weer toenemen met als gevolg dat er weer meer stroom langs de lagers passeert. Ze verdienen dus aandacht tijdens preventief onderhoud.

Frequentieregelaar zorgt voor meer zwerfstromen

Een probleem dat met deze preventieve oplossingen eigenlijk relatief goed onder controle was, zeker bij kleinere motoren. Tot de frequentieregelaar steeds vaker zijn intrede deed in de industrie. De beoogde symmetrie is hier helemaal van tafel: de frequentieregelaar schakelt voortdurend een gelijkspanning tussen de drie fasewikkelingen van de motor om tot het gewenste toerental te komen. Door de sterke magnetische koppeling tussen stator en rotor wordt er tijdens het schakelen een spanningsverschil geïnduceerd over de aseinden van de rotor: de asspanning. Stroom die nu kan gaan circuleren door as, motorframe en lagers. Zeker de nieuwere generaties die aan hogere schakelfrequenties werken (20 kHZ) begonnen meer problemen met lagers te veroorzaken. Door die hoge frequentie worden de isolerende eigenschappen van de smeer- of oliefilm eigenlijk teniet gedaan. Ze gaan daarentegen werken als een geleidende condensator, met hoogfrequente asspanningen en meer lagerschade als gevolg. Die laat meestal niet zo lang op zich wachten: na 1.000 à 10.000 draaiuren laat ze zich al zien. Het toerental speelt een rol. Hoewel bij een laag toerental de spanningen laag blijven, hebben ze des te meer impact omdat de oliefilm dunner is dan bij een hoog toerental.

Introductie van extra, gemeenschappelijke aarding

Om deze zwerfstromen aan te pakken zullen geïsoleerde lagers en aardingsborstels alleen niet meer volstaan. Door de aanwezige piekspanningen is er immers sprake van wisselstroom. Een lager isoleren volstaat dan niet, beide lagers isoleren evenmin. De isolatie zal dan als condensator werken, waardoor de gelijkspanning zich opbouwt totdat de condensator zich via de isolatie ontlaadt. En voor de wisselstroom zal het net een ideale geleider vormen. Wat wel helpt is een gemeenschappelijke aarding van motor en frequentieregelaar. Gemeenschappelijk, want tussen twee verbindingen kan er toch nog een potentiaalverschil van ongeveer 30 V gemeten worden. Een EMC voedingskabel kan dan soelaas brengen. Opteer voor een geslagen aardingskabel aangezien deze meer oppervlaktegebied heeft dan een massieve geleider.

Toevoeging van commonmode-filter

Omdat de oorzaak van de problematiek vandaag vooral berust in de frequentieregelaar, kunnen de symptomen het beste bij de bron bestreden worden. Het gebruik van een commonmode-filter (choke) wordt steeds vaker voorgeschreven. Deze bestaat uit een ferrietkern van een hoog magnetisch materiaal, waardoor de drie fasen worden gevoerd van de voedingskabel tussen de elektromotor en de frequentieregelaar. Probeer die dan ook zo dicht mogelijk bij de frequentieregelaar te monteren. De commonmode-filter zal als er lekstroom naar de aarde vloeit of een verschil ontstaat tussen de 3-fasestromen een magnetisch veld opwekken in de ferrietkern om het verschil te dempen. Extra differentiaalmode-filters (een filterring gemonteerd om elke fasekabel apart) kunnen de variaties nog verder helpen terugbrengen. In het verleden kregen ze enkel bij vermogens boven 500 kW toepassing, maar door het steeds sneller schakelen van de nieuwste frequentieregelaars werd die grens naar onder bijgesteld.