Messung der Motorwellenspannungsentladungen mit dem Motorantriebs-Analysator Fluke MDA-550

Bei Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern können Spannungsimpulse vom Stator auf den Rotor des Motors gekoppelt werden. Dadurch treten an der Rotorwelle elektrische Spannungen auf. Wenn diese Spannungen an der Rotorwelle die Isolierfähigkeit des Schmierstoffs des Lagers überschreiten, können Funkenüberschläge oder Entladungen auftreten. Dies führt zu Lochfraß und Riefen in der Oberfläche des Motor-Laufrings, Schäden, durch die ein Motor vorzeitig ausfallen kann. Dieser Anwendungsbericht erklärt den Einsatz des Motorantrieb-Analysators MDA-550 und einer Wellenspannungssonde zur Messung der Entladeereignisse, die durch Wellenspannungen verursacht werden.

Entladungen durch Wellenspannungen

Durch die kapazitive Kopplung zwischen dem Stator und dem Rotor eines Motors kann Spannung an einer Motorwelle anliegen. Aus diesem Grund können die Lager der Elektromotoren nicht nur aufgrund der Wellenrotation, sondern auch aufgrund von elektrischen Strömen, die über die Lager von der Motorwelle gegen Masse fließen, verschleißen. Motoren, die mit sinusförmiger Wechselspannung versorgt werden, können eine Spannung zwischen Welle bzw. Lager gegen das Motorgehäuse von ca. 1 bis 2 V haben. Bei Motoren, die von schnell schaltenden Signalen von Frequenzumrichtern versorgt werden, können diese Spannungen hingegen bis zu 8 bis 15 V betragen. Spannungen dieser Größenordnung können die Isolierungseigenschaften der Lagerschmierung überwinden und so entstehende Funken können zu Lochfraß, geriffelter Oberfläche, Fusionskratern und schließlich zum vorzeitigen Ausfall der Lager und des Motors führen.

Riefen am Laufring
Riefen an einem Laufring werden durch Lagerströme verursacht (Foto mit freundlicher Genehmigung von Electro Static Technology).
Messungen mit dem MDA
Messen der Motorwellenspannung mit dem Wellenspannungssonden-Kit

Wellenspannungssonde

Durch die kapazitive Kopplung zwischen dem Stator und dem Rotor eines Motors kann Spannung an einer Motorwelle anliegen. Aus diesem Grund können die Lager der Elektromotoren nicht nur aufgrund der Wellenrotation, sondern auch aufgrund von elektrischen Strömen, die über die Lager von der Motorwelle gegen Masse fließen, verschleißen. Motoren, die mit sinusförmiger Wechselspannung versorgt werden, können eine Spannung zwischen Welle bzw. Lager gegen das Motorgehäuse von ca. 1 bis 2 V haben. Bei Motoren, die von schnell schaltenden Signalformen von Frequenzumrichtern (VFD) versorgt werden, können diese Spannungen hingegen bis zu 8 bis 15 V betragen. Bei Motoren, die von schnell schaltenden Signalen von Frequenzumrichtern versorgt werden, können diese Spannungen hingegen bis zu 8 bis 15 V betragen. Spannungen dieser Größenordnung können die Isolierungseigenschaften der Lagerschmierung überwinden und so entstehende Funken können zu Lochfraß, geriffelter Oberfläche, Fusionskratern und schließlich zum vorzeitigen Ausfall der Lager und des Motors führen.

Messinstrument

Der Motorantrieb-Analysator MDA-550 ist darauf ausgelegt, Anwender bei der schnellen und einfachen Überprüfung und Behebung typischer Probleme bei Motorantrieben mit Dreiphasen- oder Einphasen-Wechselrichtern zu unterstützen. Neben den Möglichkeiten eines Oszilloskops mit 4 Kanälen und der Aufzeichnungsfunktion bieten die speziellen Motorantrieb-Analysefunktionen schrittweise Anleitungen mit auf dem Bildschirm angezeigten Hinweisen. Dadurch lässt sich der Analysator einfach konfigurieren, und Antriebsmessungen lassen sich leicht von der Zuführung der Versorgungsleitungen bis hin zum eingebauten Motor, einschließlich Wellenspannungsmessungen, durchführen.

Wellenspannungsspitzen können äußerst kurz sein und sogar weniger als eine Mikrosekunde betragen. Mit seiner hohen Bandbreite von 500 MHz und der schnellen Abtastrate (bis zu 5 GS/s) ist der Fluke MDA-550 optimal zum Messen schnell veränderlicher Spannungen.

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Motorantrieb-Analysator Fluke MDA-550

Messergebnisse

Die voreingestellte Messung der Motorwellenspannung stellt die Signalformen der Spannung dar, wie sie an der Motorwelle selbst gemessen werden. Der am oberen Bildschirmrand angezeigte Spannungsspitzenwert zeigt den maximalen Pegel des erfassten Signals an, was bereits auf hohe Spannungspegel an der Welle hinweist. Die Frequenz, mit der diese schnellen Entladungen auftreten, lässt sich dadurch jedoch nicht bestimmen. Mit Hilfe der Funktion „EREIGNISSE EIN“ zeigt der MDA-550 Signalformen mit Entladungen, basierend auf einer vorher festgelegten minimalen Spannungsdifferenz und einem maximalen Zeitunterschied, an.

Die Anzeige wird bei jeder erfassten Signalform aktualisiert, die steilere Anstiegs- und Abfallzeiten aufweist – zusammen mit der Anzahl der erkannten Ereignisse pro Sekunde. Die Signalformen der Entladungen zeigen einen Spannungsanstieg, gefolgt von einer scharfen vertikalen Linie zum Zeitpunkt der Entladung. Für eine detaillierte Analyse der zuletzt erfassten Signalformen steht im MDA-550 die Wiederholfunktion „REPLAY“ mit einem Speicher der Bildschirme für die 100 letzten erfassten Signalformen zur Verfügung. Der Bildschirm kann separat ausgewählt oder als Animation angezeigt werden.

Spannungsabfälle von >15 V und Übergangszeiten von über 50 Nanosekunden können auf Entladungen hinweisen, die die Lager beschädigen können. Dies allein reicht jedoch nicht aus, um mögliche Schäden an einem Lager zu ermitteln, da viele andere Faktoren mitwirken.

Wenn übermäßige Wellenspannungen erkannt werden, ist empfehlenswert zu prüfen, ob sich die Spannungsentladungen durch Anpassung der Verkabelung, der Erdung, der Antriebsparameter oder des Schmiermittels verringern lassen. Wenn dies nicht möglich ist oder nicht hilft, sind Wellenerdungsvorrichtungen oder eine isolierte Welle nützliche Alternativen. Die Auswirkungen dieser Maßnahmen zur Minderung der Wellenspannung sind leicht zu prüfen, indem die Anzahl der Ereignisse vor und nach der Durchführung der Änderungen verglichen wird.

Motorwelle „Ereignisse Aus“
Das Motorwellenspannungssignal bei ausgeschalteten Ereignissen zeigt alle erfassten Signale mit Spitzen-Spitzen-Spannungswerten an.
Motorwelle 2
Entladeereignisse durch Motorwellenspannungen mit festgelegter Mindestspannung und maximaler Anstiegs- und Abfallzeit in Tabellenform
Motorwellen-Ereignis-Signalform
Bei „Ereignisse Ein“ werden nur Signalformen mit einer bestimmten Mindestspannung und einer maximalen Anstiegs- und Abfallzeit angezeigt.
Motorwelle-Wiederholung
Die Wiederholfunktion zeigt die zuletzt erfassten 100 Signalformen für erweiterte Analysen an.

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