GKE Elektronik AB - Seminariehandbok EDM 4 EDM del 1.pdf · 2019. 12. 6. · Leverantören av kraftvärmeverket var mycket överraskad medan vi på GKE hade hunnit samla på oss så

EDM-handbok

I den här ganska personligt hållna handboken har vi samlat information om elektriskt orsakade

lagerskador, så kallad EDM. Hur, var och varför de uppstår, hur de kan mätas och klassificeras, hur de

kan undvikas eller bekämpas och hur man sköter den periodiska tillsynen. Allt detta är ganska ny

kunskap och detta är oss veterligen första gången den presenteras i samlad form på svenska – eller

något annat språk.

Boken är upplagd ungefär på samma sätt som vi under cirka femton år ”umgåtts” med EDM och

närliggande problem:

Först kom praktiken i form av drivsystem som hade oförklarliga lagerproblem, därefter sökandet

efter förklaringar och teoribyggande. Det är detta som avsnittet ”Praktikfall” handlar om. Där

beskrivs ett stort antal typiska och även ovanliga fall mycket detaljerat med mätningar, skisser,

simuleringar. Underlag för detta avsnitt är våra rapporter från tidigt nittiotal till mitten av 2008.

Nästa avsnitt, som handlar om felmekanismer, heter just det: ”Felmekanismer”. Här beskrivs de tre

dominerande felmekanismerna, plus ett antal speciella fall som likströmsmaskiner som delar nät

med frekvensomriktare, ”svetsskador” orsakade av felströmmar i jordlinenät, speciella fenomen

orsakade av magnetisk koppling mellan enkelledare för likström och PE-ledare. Och en del annat.

Avsnittet ”Mätning och klassificering av EDM” kommer därefter. När vi tyckte oss förstå fenomenen

tillräckligt väl kom behovet att kunna mäta och klassificera störningarna på ett tillförlitligt sätt och

slutligen växte mätmetoder fram. Först rent analoga och med tiden mer automatiserade

mikroprocessorbaserade instrument med flera processorer och ”människovänlig” panel/display. Det

senaste instrumentet ”PC-Beppe” är ett litet (140x180 mm) handhållet instrument där operatören

styrs genom mätningen och upp till fyrtio mätningar kan lagras avbrottssäkert för senare överföring

till PC via USB.

Avsnittet därefter handlar om utveckling av motmedel. De närmast till hands liggande teknikerna var

jordningsborstar och isolerad inbyggnad av lagren. SKF hade redan tagit fram sitt Insocoatlager med

isolerande keramisk beläggning av ytterringen och så kallade hybridlager kom också under denna tid.

Hybridlagren har missuppfattats något; de har inte stålkulor plus en keramikkula som ”slipar”

lagerbanorna! De har stål i innerring och ytterring och samtliga kulor är gjorda av keramiskt materiel,

ofta kiselnitrid med tillsatser. Det är mixen av stål och keramik som gett upphov till benämningen

”hybridlager”. En intressant typ av jordningsborstar, som tillverkas av det amerikanska företaget ETS

och använder sig av ett närmast kvantmekaniskt fenomen i sina kolfiberbaserade axeljordningsringar,

har börjat göra sig gällande de senaste åren (2006 och framåt). Ledande fett och ledande remmar

berörs kort.

Därefter kommer ett avsnitt som är den egentliga handboksdelen. Där ges erfarenhetsdata,

riktvärden, rekommenderade tekniker och mycket annat. Bland annat ”beslutsträd” för val av

motmedel vid EDM.

Boken avslutas med en presentation av det kommande ronderingsprogrammet, som medger

planering på PC och nerladdning av jobb till PC-Beppe så att en operatör styrs från objekt till objekt

via displayen, gör sina mätningar, som automatiskt lagras i icke-flyktigt minne och sedan för över

dem till den PC-baserade databasen. Här diskuteras också möjligheter att göra säkra bedömningar

direkt i mätutrustningen. En sådan ”expertfunktion” skulle i så fall leda till en funktion med tre

rekommendationer: OK, VARNING och LARM. Problemet med en sådan funktion är att fånga upp

marginella fall på ett säkert sätt – samtidigt som antalet larm inte får bli så stort att man tappar

respekten för dem.

Vi avslutar inledningen med ett intressant dokument, som vi hittade i gamla dammiga pappershögar

när vi sökte material för den här boken (företagsnamnet borttaget):

Det är intressant att se hur teorin om elektrostatisk uppladdning var gångbar för cirka tio år sedan.

Den felmekanismen orsakar i dag väldigt få problem. Mina beräkningar kring kapacitivt kopplad

energi som följd av PWM från frekvensomriktare togs inte riktigt på allvar – det kanske var därför vi

inte kom att samarbeta. Det har för övrigt senare visat sig vara den felmekanism som dominerar i

effektområdet under ca 50 kW. Jag antar att det är OK att publicera detta fax nu efter mer än tio år.

Det är intressant som teknikhistoriskt dokument.

Avdelning ett – Praktikfall

I denna samling av ”cases” från mer än ett decennium visas olika situationer där lagerskador uppstått

på grund av frekvensomriktare, felaktig installation, utjämningsströmmar och extern energi.

Varje ”case” presenteras med en skiss eller bild på systemet, mätresultat före och efter åtgärder

samt en sammanställning av nyckeldata. Till grund f

uppdrag i Sverige, USA, Frankrike, Tyskland och England. Teknikutvecklingen syns tydligt

oscilloskopbilderna är från äldre Yokogawaskop och Flukeskop medan de senare är från LeCroyskop

och olika USB-skop som kopplats direkt till mätdatorn.

I skisserna används genomgående följande färger för olika anläggningsdelar:

Ett tidigt fall, början på nittiotalet. 690 kW frekvensstyrd motor

I början visste vi egentligen inte vad vi letade efter

var det i alla fall:

Pressdrift på pappersmaskin. 500 V nät, 690 kW motor, omriktare med 8 kHz switchfrekvens. Skado

på motorlager. Lagrens gångtid var ungefär ett halvår och vibrationsteknikerna kunde larma i tid så

att inga stora haverier uppstod. Bilder på

Motor, växel, driven maskin. Ledande kopplingar. Inga jordningsborstar. Ingen potentialutjämning.


av frekvensomriktare, felaktig installation, utjämningsströmmar och extern energi.


samt en sammanställning av nyckeldata. Till grund för sammanställningen ligger rapporter från olika

uppdrag i Sverige, USA, Frankrike, Tyskland och England. Teknikutvecklingen syns tydligt


rekt till mätdatorn.

I skisserna används genomgående följande färger för olika anläggningsdelar:

. 690 kW frekvensstyrd motor

I början visste vi egentligen inte vad vi letade efter – och vi förstod inte mycket av vad vi såg. Så här

Pressdrift på pappersmaskin. 500 V nät, 690 kW motor, omriktare med 8 kHz switchfrekvens. Skado

. Lagrens gångtid var ungefär ett halvår och vibrationsteknikerna kunde larma i tid så

Bilder på installationen finns inte. Skissen nedan visar hur det såg ut:



av frekvensomriktare, felaktig installation, utjämningsströmmar och extern energi.


porter från olika

uppdrag i Sverige, USA, Frankrike, Tyskland och England. Teknikutvecklingen syns tydligt – de första


vad vi såg. Så här

Pressdrift på pappersmaskin. 500 V nät, 690 kW motor, omriktare med 8 kHz switchfrekvens. Skador

. Lagrens gångtid var ungefär ett halvår och vibrationsteknikerna kunde larma i tid så

visar hur det såg ut:


Mätning av axelspänningen visade tydlig motfasspänning med genomslag i lagren.

Kanal A visar spänningen på NDE och kanal B visar DE. Oscillogrammet visar tydligt hur spänningen på

NDE går negativt samtidigt som den går positivt på DE. Vid ci

NDE samman så att rotorns potential lyfts cirka 17 V, vilket avspeglas i att DE också lyfter och

därefter svänger dämpat med rotorns egenfrekvens.

Prov med isolerad inbyggnad av ena lagret

– var inte till någon hjälp. Tydliga EDM

var till en början oförklarligt. Alla var ju överens om att det var cirkulerande ström som orsakade

lagerströmmar. Det var i alla fall vad de stora lagertillverkarna sade i sina applikationsskrifter. Kom

ihåg att detta var cirka femton år sedan och det tar tid för nytt tänkande att tränga igenom. I det här

fallet var tänkandet dessutom så nytt att vi knappast förstod själva hur n

visar att det faktiskt inte handlar om en cirkulerande ström utan en urladdning av rotorkapacitansen

genom lagret.

I denna modell av skeendet har vi infört rotorns kapacitans mot statorn. Av pedagogiska skäl har vi

ritat den som två lika stora kondensatorer som är anslutna mellan rotorns mittpunkt och statorn.

Kapacitansen är förstås distribuerad längs

sådan förenkling möjlig och tillåten.

Kapacitanser motsätter sig snabba spänningsändringar. När det alltså induceras en växelspänning i

axeln så vill kapacitansen hålla medelvärdet av denna växelspänning på noll. Resultatet blir att axeln

potential ”tippar” åt ena eller andra hållet. I bilden tippar NDE neråt och DE uppåt.

När spänningen över lagret på frisidan når till lagrets genomslagsspänning så sker förstås ett

genomslag, EDM. Rotorkapacitansen laddas ur, men den inducerade spänningen i axeln upprätthålls

Mätning av axelspänningen visade tydlig motfasspänning med genomslag i lagren. Bild nedan:


NDE går negativt samtidigt som den går positivt på DE. Vid cirka -17 V bryter oljefilmen i lagret på

orns potential lyfts cirka 17 V, vilket avspeglas i att DE också lyfter och

därefter svänger dämpat med rotorns egenfrekvens.

Prov med isolerad inbyggnad av ena lagret – den klassiska metoden att förhindra cirkulerande ström

var inte till någon hjälp. Tydliga EDM-urladdningar kunde ändå mätas i det oisolerade lagret.


lla fall vad de stora lagertillverkarna sade i sina applikationsskrifter. Kom


fallet var tänkandet dessutom så nytt att vi knappast förstod själva hur nytt det var. Bilden nedan



som två lika stora kondensatorer som är anslutna mellan rotorns mittpunkt och statorn.

Kapacitansen är förstås distribuerad längs och runt om hela luftgapet. Men fysikens lagar gör en

sådan förenkling möjlig och tillåten.

spänningsändringar. När det alltså induceras en växelspänning i


potential ”tippar” åt ena eller andra hållet. I bilden tippar NDE neråt och DE uppåt.

spänningen över lagret på frisidan når till lagrets genomslagsspänning så sker förstås ett


Bild nedan:


17 V bryter oljefilmen i lagret på

orns potential lyfts cirka 17 V, vilket avspeglas i att DE också lyfter och

förhindra cirkulerande ström

urladdningar kunde ändå mätas i det oisolerade lagret. Det


lla fall vad de stora lagertillverkarna sade i sina applikationsskrifter. Kom


Bilden nedan



som två lika stora kondensatorer som är anslutna mellan rotorns mittpunkt och statorn.

hela luftgapet. Men fysikens lagar gör en

spänningsändringar. När det alltså induceras en växelspänning i


spänningen över lagret på frisidan når till lagrets genomslagsspänning så sker förstås ett


av den pågående flödesändringen. Urladdningen sker på några tiotals

flödesändringen tar upp mot en eller två mikrosekunder.

Resultatet blir att axelspänningen parallellförskjuts

spänningen över drivsidans lager ökar ytterligare. Det kan leda till ett nyt

lager – eller ej. Allt beroende på hur fettfilmens genomslagshållfastehet råkar vara i just det

ögonblicket. I detta fall sker inget sekundärt genomslag, se undre kanalen i oscilloskopbilden.

Hur skulle det se ut med ett isolerat

isolering.

Tja, eftersom drivsidans lager inte deltar i det inledande skeendet så kommer det inte heller att

påverka det. Urladdning av rotorkapacitansen kommer att ske precis som förut. Vad

på sidan med det isolerade lagret kan diskuteras. De snabba spänningssprången tar sig lätt igenom

även ganska små kapacitanser. Men, visst är låg kapacitans i urladdningskretsen gynnsam. Man kan

nog tänka sig att isolationen reducerar skadeu

evigt liv kan man inte ge.

Långa diskussioner och upprepade mätningar ledde fram till insikten att det faktiskt inte handlar om

cirkulerande ström utan om urladdning av rotorkapacitansen. Det tar allti

inlärda kunskaper. Och detta var så nytt och så helt emot ”common wisdom” att det tog ett tag innan

vi själva kunde acceptera att vi faktiskt hade en ny och korrekt modell av skademekanismen i en

omriktarmatad motor. Och ännu svårare var det att övertyga a

vanligt argument. Byt ut XXX mot lämplig kombination av bokstäverna A, G, F, K, N, R, S.

Då isolerad inbyggnad inte hjälpte, o

Lösningen blev att jorda frisidans axelände med ett SGS jordningsdon. Några bevarade registreringar

finns inte. Men att spänningen över frisidans lager blev mycket nära noll vill vi minnas.

Drivsidan isolering utfördes som ett isolerat lagersäte i stället

gav en betydligt lägre kapacitans och bidrog säkerligen till att de urladdningar i drivsidans lager, som

av den pågående flödesändringen. Urladdningen sker på några tiotals nanosekunder men

flödesändringen tar upp mot en eller två mikrosekunder.

Resultatet blir att axelspänningen parallellförskjuts i positiv riktning (pilen vid vänstra lagret)

spänningen över drivsidans lager ökar ytterligare. Det kan leda till ett nytt genomslag i drivsidans

eller ej. Allt beroende på hur fettfilmens genomslagshållfastehet råkar vara i just det


Hur skulle det se ut med ett isolerat lager i detta fall? Nästa bild visar detta. De gula fälten är

deltar i det inledande skeendet så kommer det inte heller att

påverka det. Urladdning av rotorkapacitansen kommer att ske precis som förut. Vad som sedan sker



nog tänka sig att isolationen reducerar skadeutvecklingen i det högra lagret. Men någon garanti för


cirkulerande ström utan om urladdning av rotorkapacitansen. Det tar alltid tid att göra sig fri från



årare var det att övertyga andra. ”XXX kan väl inte ha fel?


olerad inbyggnad inte hjälpte, och när vi förstått varför, så måste ytterligare något göras.


finns inte. Men att spänningen över frisidans lager blev mycket nära noll vill vi minnas.

Drivsidan isolering utfördes som ett isolerat lagersäte i stället för att sätta in ett insocoatlager. Det


nanosekunder men

(pilen vid vänstra lagret) så att

t genomslag i drivsidans

eller ej. Allt beroende på hur fettfilmens genomslagshållfastehet råkar vara i just det


lager i detta fall? Nästa bild visar detta. De gula fälten är

deltar i det inledande skeendet så kommer det inte heller att

som sedan sker



tvecklingen i det högra lagret. Men någon garanti för


d tid att göra sig fri från



XXX kan väl inte ha fel?” var ett


ch när vi förstått varför, så måste ytterligare något göras.


för att sätta in ett insocoatlager. Det


vi faktiskt kunde se, var lågenergetiska och – så vitt vi vet – inte ger några problem med det lagrets

gångtid.

Bilden nedan visar hur den isolerade inbyggnaden utfördes:

I efterhand kan sägas att de åtgärder som vidtogs egentligen var helt fel. Eftersom problemen

orsakades av common-modeströmmar som åstadkom pulserande växelfält och inducerade spänning i

motoraxeln så hade förstås ett bra common-modefilter varit den rätta lösningen. Men, dels var de

tämligen okända, dels verkade det som om det vi gjorde hade funktion. Några ytterligare samtal om

just denna drift förekom inte.

Sammanfattning 690 kW frekvensstyrd motor

1. Driften följde det klassiska mönstret med motfas spänning på de båda axeländarna. Typiskt

för motorer i 200+ kW storleksordning.

2. Isolerat inbyggt lager räckte inte. Kapacitansen mellan rotor och stator gjorde att isoleringen

inte alls hade den inverkan som den ”klassiska” teorin om lagerströmmar sade.

3. Genom att jorda axeln på motsatt sida kunde lagerskadorna reduceras till rimlig nivå. Den

låga kapacitansen i den isolerade inbyggnaden

4. Eftersom detta var ett typiskt fall av inducerad axelspänning hade ett bra common-

modefilter varit den riktiga lösningen.

”Våg” av lagerskador

I ett nybyggt kraftvärmeverk visade det sig att bland annat matarvattenpumpar och primärluftfläkt

hade kort gångtid på lagren. Typiskt utförande var motor,

Motor och pump/fläkt var monterad

När vi kontrollerade axelspänningarna visade det sig att de stora drifterna hade motfas axelspänning

och de mindre hade likfas axelspänning. En av de mindre drifterna

vi hade motfas axelspänning på de stora drifterna var väntat. Det är först när dimensionerna blir lite

större som axeln blir så lång att påtaglig spänning induceras i den Däremot var det oväntat att de

mindre drifterna skiljde sig åt. Efter litet funderande och mätande kom vi fram till att driften med låg

axelspänning hade en ledande koppling mot pumpen medan den med hög axelspänning hade

isolerad koppling. I det förra fallet fungerade pumphjulet och vattnet i pumphuset plu

kopplingen som ”jordningsborste” för motorn medan den isolerade kopplingen gjorde att all

spänning blev kvar i rotorn och sökte sig till jord via lagret.

Av dessa två nästan identiska pumpdrifter var det bara den med isolerande koppling som h

gångtid på lagren. Den med ledande koppling visade inga tendenser till förhöjd vibration.

Ledande koppling Isolerande koppling

Leverantören av kraftvärmeverket var mycket överraskad medan vi på GKE hade hunnit samla på oss

så pass mycket kunnande att vi kunde förklara (åtminstone till en del) vad som försiggick i lagren. Vad

vi inte hade så bra grepp om var hur effektiva olika mot

ovanlig framsynthet och föreslog att vi skulle prova ett antal olika metoder på de olika systemen och

låta tiden utvisa vilka metoder som fungerade. Vi valde att prova jordningsborstar, du/dt

common-modefilter. Bilderna nedan visar de olika motmedlen på plats:


hade kort gångtid på lagren. Typiskt utförande var motor, i vissa fall isolerande koppling, pump.

Motor och pump/fläkt var monterad på gemensamt stålfundament.


och de mindre hade likfas axelspänning. En av de mindre drifterna hade mycket låg axelspänning. Att



ljde sig åt. Efter litet funderande och mätande kom vi fram till att driften med låg


I det förra fallet fungerade pumphjulet och vattnet i pumphuset plus den ledande


spänning blev kvar i rotorn och sökte sig till jord via lagret.

Av dessa två nästan identiska pumpdrifter var det bara den med isolerande koppling som h


Ledande koppling Isolerande koppling



vi inte hade så bra grepp om var hur effektiva olika motmedel var. Leverantören visade prov på


låta tiden utvisa vilka metoder som fungerade. Vi valde att prova jordningsborstar, du/dt

Bilderna nedan visar de olika motmedlen på plats:


isolerande koppling, pump.


hade mycket låg axelspänning. Att



ljde sig åt. Efter litet funderande och mätande kom vi fram till att driften med låg


s den ledande


Av dessa två nästan identiska pumpdrifter var det bara den med isolerande koppling som hade kort




Leverantören visade prov på


låta tiden utvisa vilka metoder som fungerade. Vi valde att prova jordningsborstar, du/dt-filter och

Du/dt-filter (komplext) Common-modefilter Improviserad jordningsborste

Du/dt-filtret är tämligen komplext. Det innehåller inte bara reaktorer och kondensatorer utan också

dioder för begränsning och dämpning av den svängning som startas av varje PWM-puls. Utan denna

begränsning och dämpning uppstår annars högfrekvent ringning som värmer reaktorernas

järnkärnor. Dioderna är anslutna till omriktarens likspänningsmellanled och ger på så sätt en viss

”återmatning” av den energi som annars skulle ha värmt reaktorkärnorna. Någon större energivinst

ger det inte, men det minskar värmen i komponenterna.

Andra du/dt-filter av betydligt enklare slag finns. De utgörs ofta av enkla reaktorer med

parallellmotstånd som absorberar svängningsenergin. Viss värme utvecklas, men inte värre än att

dessa filter kan monteras i slutna kapslingar.

Anläggningen har följts under åren. Det visar sig att samtliga motmedel fungerar bra. I just detta fall

(400 V TN-C nät) är det alltså endast en fråga om kostnad och underhållsinsats som avgör. Det

komplexa du/dt-filtret kostade cirka 70 kSEK, common-modefiltret bjöd leverantören på och

jordningsborsten hade också tämligen låg materielkostnad på grund av att den tillverkades av ”sånt

som fanns”. Montagekostnaden blev dock ganska hög på grund av det begränsade utrymmet.

Ett faktum, som är värt att notera, är att jordningsborsten slutade fungera efter några veckor. Detta

upptäcktes vid en rutinkontroll och visade sig bero på att en isolerande beläggning bildats på axeln

(borsten går direkt mot axeln). Genom att slipa bort beläggningen med smärgelduk och ”rugga upp”

ytan så att grafiten fick fäste kunde längre gångtider åstadkommas.

Detta, att jordningsborstar kräver periodisk tillsyn, är deras stora nackdel. Detta blir allt mer tydligt ju

flera motorer som utrustas med frekvensomriktare och ju fler jordningsborstar som installeras.

Problemet är att man inte kan mäta axelspänningen med vanliga multimetrar. De aktuella

spänningarna är i och för sig tillräckligt höga, men deras utsträckning i tid är endast i undantagsfall

sådan att normala multimetrar hänger med. För att detektera pulser med 1 – 3 µs bredd krävs

bandbredd hos instrumentet upp till 500 kHz. Det är cirka tio gånger högre än någon normal

multimeter klarar av. Ett oscilloskop eller specialinstrument behövs för denna periodiska kontroll.

Sammanfattning av problemen i värmekraftverket

1. Alla maskiner var i storleksordningen 100 – 800 kW. 400 V nät.

2. I de större maskinerna dominerade motfas axelspänning. Det betyder inducerad

axelspänning.

3. Common-modefilter fungerade bra på de större maskinerna där vi mätte motfasspänning på

axlarna.

4. du/dt-filter fungerade bra oavsett storlek men blev ganska dyrt. Enklare versioner finns. De

fungerar också bra, men är ibland beroende av viss kabelkapacitans för att fungera.

5. Jordningsborste på drivsidan fungerade bra på de mindre maskinerna. Det hade troligen

också fungerat bra på frisidan eftersom det var kapacitiv koppling som dominerade.

6. Två mindre pumpdrifter betedde sig helt olika. Det visade sig att den ena driften hade

isolerande koppling medan den andra hade ledande koppling.

7. Ledande koppling gör att pumphjulet i det vattenfyllda pumphuset fungerar som

”jordningsborste”. Inga lagerskador på driften med ledande koppling.

8. Isolerande koppling gör att ”skyddseffekten” uteblir – det motsvarar flytande last. Där hade

vi också snabb skadeutveckling i motorlagren.

Pumpmotor i gruva. Potentialdifferenser i jordsystemet

I det förra fallet var det en fördel att ha en ledande koppling. Pumphjul och vatten plus pumphus

fungerade som ”jordningsborste” för den kapacitivt kopplade spänningen. Genom att leda av den

till pumphuset och därifrån via de grova rören till/från pumpen till stabil jord kunde

axelspänningen hållas låg och både motorlager och pumplager skyddas.

I en liknande installation, men nu med en konstantvarvsdrift ansluten direkt till trefasnätet utan

frekvensomriktare eller mjukstart, uppstod ändå skador på motorlagren. I detta fall kom de

mycket plötsligt – utan att man sett någon förhöjd vibration vid inspektion någon vecka tidigare.

Vid normal rondering märkte underhållspersonalen att det dundrade om pumpmotorn och den

stängdes genast av för lagerbyte.

Vid inspektion fann man en liten lokaliserad skada på innerringens yta.

Den ursprungliga skadan syns som en liten grop ovanför den röda markeringen (tillagd i

efterhand). Skadan är cirka 0,1 mm i diame

Utmanglat material från skadan syns i rullarnas riktning, ovanför skadan.

Många skadeanalytiker säger att detta är en svetsskada. Men i detta fall kan svetsning uteslutas.

Pumpen och axeln har roterat nere

på en reparationsbil som inte varit nere i den delen av gruvan på flera veckor. Något annat måste

ha hänt.

Denna motor är, som så ofta, skyddsjordad via gul/grön i motorkabeln plus försedd med en

jordlina som går till jordbocken i ställverket.

Installationen är vanlig och ”beprövad”.

knappast föreligga. Eller?

Jo, det kan det nog. Jordlinenätet i en gruva är väl definierat oc

endast i en punkt” är ofta noga efterlevd

ansluten till ett jordlinenät som är väl skiljt från sådana anläggningsdelar i gruvan som tankar och

rör. Det ligger i saken natur att just tankar och rör i en gruva har en mycket låg resistans till

verklig jord – dvs berggrunden.

Vid hög ström i jordlinenätet kommer potentialen i det att lyfta ett ansenligt antal volt. Om en

kabel exempelvis skjuts av vid sprängning så att man får


efterhand). Skadan är cirka 0,1 mm i diameter och kan därmed betraktas som en ”makroskada”.

Utmanglat material från skadan syns i rullarnas riktning, ovanför skadan.


Pumpen och axeln har roterat nere i en gruva när skadan uppstod. Närmsta svetsaggregat fanns


Denna motor är, som så ofta, skyddsjordad via gul/grön i motorkabeln plus försedd med en

jordlina som går till jordbocken i ställverket. Ledande koppling.

Installationen är vanlig och ”beprövad”. Så något problem med potentialutjämning kan väl

Jo, det kan det nog. Jordlinenätet i en gruva är väl definierat och underhållet. Principen ”jorda

endast i en punkt” är ofta noga efterlevd – så var det även i detta fall. Pumpmotorn är alltså


r att just tankar och rör i en gruva har en mycket låg resistans till

dvs berggrunden.


kabel exempelvis skjuts av vid sprängning så att man får en direkt kortslutning mellan fas och


ter och kan därmed betraktas som en ”makroskada”.


i en gruva när skadan uppstod. Närmsta svetsaggregat fanns


Denna motor är, som så ofta, skyddsjordad via gul/grön i motorkabeln plus försedd med en extra

Så något problem med potentialutjämning kan väl

h underhållet. Principen ”jorda

så var det även i detta fall. Pumpmotorn är alltså


r att just tankar och rör i en gruva har en mycket låg resistans till


en direkt kortslutning mellan fas och

nolla/jord (TN-C i denna anläggning) så är det inte ovanligt att felstället antar ungefär halva

fasspänningen. Om en ”dominerande” jordbock ligger nära felstället så kommer även dess

potential att lyfta, vilket medför att de anläggningsdelar som är anslutna till den jordbocken

lyfter ett antal, ibland ett hundratal, volt.

Man får alltså en situation där motorn lyfter ett antal volt medan pumphuset, som är anslutet till

”bergjord” ligger fast kvar på jordpotential.

Följden blir förstås en utjämningsström som flyter från motorhölje, via motorlagren och

kopplingen till pump, vatten och pumphus och därifrån via rörledningarna till fast jordpotential.

Vid ett sådant tillfälle spelar många faktorer in. En viktig faktor är förstås jordlinenätets utseende

och hur pumpmotorn är inkopplad i förhållande till felstället. En annan faktor är hur snabbt

felströmmen löser ut brytare eller säkringar. En tredje faktor är induktanser i jordlinenätet.

I det aktuella fallet kan man ganska enkelt konstatera att felströmmen varit mycket kortvarig.

Innerringens diameter är cirka 1 dm. Det ger omkrets ca 300 mm.

Felets diameter är cirka 0,1 mm. Det betyder att felet har en utsträckning som motsvarar ungefär

en tretusendel av ett varv. Motorn var en fyrpolig konstantvarvsmotor på 50 Hz. Det ger ett varv

på 40 ms – säg 30 ms för enklare räkning.

Om man förutsätter att ström under längre tid borde ge en mera utsträckt skada så kommer man

fram till att den strömpuls som orsakat skadan måste ha varit kortare än ungefär 30 ms dividerat

med 3000. Eller i mikrosekunder T = 30000/3000 = 10 mikrosekunder.

Det är en mycket kort tid. På den tiden hinner ingen brytare eller säkring ens börja fundera på att

lösa. Alltså måste det vara något annat som begränsat pulsens utsträckning i tid.

Det är här som induktansen i jordlinenätet kommer in. Och det är här man inser att

dimensionering för driftfrekventa kortslutningsströmmar inte ger något bra skydd mot snabba

strömtransienter. Det vet redan åskskyddsfolket, men eftersom åska är ett synnerligen ovanligt

fenomen i gruvor, och för all del även inomhus ovan mark, så nöjer man sig med att

dimensionera ”resistansmässigt” dvs med så grova ledare att utlösningsvillkoret är uppfyllt och

så att inga skadliga driftfrekventa potentalskillnader uppstår.

Om man utgår från att en kraftig och omedelbar kortslutningsström uppstått i jordlinenätet – hur

lång ledare behövs det för att man ska få en spänningspuls med ungefär 10 µs bredd? För att

göra saker enkla räknar vi på tidkonstanten för en 35 mm2 Cu-ledare.

Det visar sig att tidkonstanten är ganska oberoende av längden! Tidkonstanten i en LR-krets

definieras som L/R där L är induktansen i henry och R är resistansen i ohm.

Induktansen brukar anges till ca 1 µH/meter, men är mycket beroende på förläggning. Vi nöjer

oss med detta enkla värde tills vidare.

Resistansen är lika med ρ*l/A där ρ är kopparns resistivitet, l är ledarens längd och A dess area.

Med konventionella data insatta får man för en 1 m ledare med 35 mm2 area värdet 0,5 mΩ.

L/R blir alltså 1/0,5 [µH/ mΩ] = 2000 µs.

Detta är ju mycket längre puls än vi föreställt oss. Eller hur?

Frågan är om vi överhuvudtaget har rätt att föreställa oss hur lång tidkonstanten är. Det krävs ju:

1. För det första en viss spänning för att bryta igenom fettfilmen i de båda lagren – vanligen ca

tio volt per lager.

2. För det andra vet vi inte hur mycket spänning det krävs för att åstadkomma skadan.

3. För det tredje har vi väldigt dåligt reda på hur hög den faktiska spänningshöjningen i felstället

var.

4. För det fjärde gäller inte lågfrekvensresistansen i ett fall som detta – den välkända

skineffekten gör att strömmen trängs ut till ytan på ledaren så att den verkliga resistansen

för en så snabb puls kan vara både tio och hundra gånger högre än beräknat värde. Och

högre resistans ger kortare tidkonstant – kanske i närheten av våra tio mikrosekunder?

5. Och, för det femte, vet vi inte hur stor del av denna spänningshöjning som faktiskt nådde

fram till den aktuella motorn. Det kanske bara var ”toppen på isberget” som nådde fram?

Vad vi däremot vet är att de 2000 mikrosekunderna, eller om det nu handlar om 200 eller färre

mikrosekunder, med råge räcker till för att åstadkomma en skada med cirka 0,1 mm diameter.

Och det var ju det vi ville veta.

Den här typen av skada kan undvikas på många sätt.

1. En isolerande koppling förhindrar att strömmen letar sig över till pumpen och förhindrar därmed

att strömmen passerar lagret.

2. Två isolerade lager blockerar vägen från motorhölje till axel och skyddar lagren.

3. Utjämningsledare mellan motor och pump gör att strömpulsen hellre tar den vägen än genom

lager och axel. Man måste då se till att induktansen i utjämningsledaren är väsentligt mindre än

induktansen i axeln och vägen dit. Två parallella, raka ledare från fot till fot brukar alltid vara

tillfyllest. Arean har ganska liten betydelse. Välj en area som finns tillgänglig och som ger

mekanisk hållfasthet. 16 eller 25 mm2 räcker gott om man lägger parallella ledare.

Med samtliga dessa åtgärder införda

är fullt tillräckligt.

Vilken man väljer beror av flera omständigheter. Isolerade kopplingar är inte är vanliga i större

effekter. Isolerade lager är relativt dyra och det finns alltid en risk att

typ vid nästa lagerbyte. Utjämningsledare är nog det enklaste och billigaste i detta fall. Det gäller

bara att använda materielkombinationer som klarar av den ofta fuktiga och ibland korrosiva

miljön kring pumpen.

Sammanfattning

1. Potentialsprång i jordlinenät kan vara mycket kortvariga och så gott som omöjliga att mäta

om man inte har snabb mätning med väl vald triggnivå

mätningen pågående under mycket lång tid.

2. Potentialutjämning kan leda till

maskat eller trädformat, jordlinenät hjälper inte om man inte mentalt föreställer sig alla

tänkbara vägar till ”dunderjord”. Rörledningar, tankar, maskinstativ är sådana ”dunderjordar.

3. Elektriska lagerskador kan uppstå på många sätt. I detta fall genom att en enda strömpuls

med hög energi passerade lagret på grund av en enda jordslutning i kabelnätet.

4. Många möjliga motåtgärder finns:

fall! C - Potentialutjämning

5. Den valda åtgärden, potentialutjämning, är enkel och billig

fuktig/korrosiv miljö samt viss tillsyn.

införda är motorn löjligt ”överbeskyddad”. En av de tre åtgärderna


effekter. Isolerade lager är relativt dyra och det finns alltid en risk att man missar att sätta in rätt



Potentialsprång i jordlinenät kan vara mycket kortvariga och så gott som omöjliga att mäta

om man inte har snabb mätning med väl vald triggnivå – helst ”window out” –

mätningen pågående under mycket lång tid.

Potentialutjämning kan leda till överraskande resultat. Ett aldrig så väl planerat och utformat,



ska lagerskador kan uppstå på många sätt. I detta fall genom att en enda strömpuls


Många möjliga motåtgärder finns: A - Isolerande koppling B - Isolerade lager –

Potentialutjämning

Den valda åtgärden, potentialutjämning, är enkel och billig, men kräver rätt materialval i

fuktig/korrosiv miljö samt viss tillsyn.

är motorn löjligt ”överbeskyddad”. En av de tre åtgärderna


man missar att sätta in rätt



Potentialsprång i jordlinenät kan vara mycket kortvariga och så gott som omöjliga att mäta

och har

överraskande resultat. Ett aldrig så väl planerat och utformat,



ska lagerskador kan uppstå på många sätt. I detta fall genom att en enda strömpuls


– obs två i detta

, men kräver rätt materialval i

Ventilationsapplikationer – HVAC. Hjälper hybridlager?

Detta område behärskas av drivsystem i 1

länge varit att drivsystem i de effektklasserna inte har problem med lagerskador. Orsakerna till detta

är flera; dels undersöks inte havererade småmotorer i någon större omfattning

kastas helt enkelt – dels var den allmänna uppfattningen i mitten på nittiotalet (för all del, den finns

fortfarande på en del håll) att man måste upp i en viss storlek på motorerna för att inducera

tillräckligt hög spänning i axeln. Det var i samb

mätningar på mindre motorer visade att vi i stället för motfas axelspänningar hade likfas

axelspänningarna rörde sig positivt och negativt samtidigt. Här var det alltså fråga om en annan

kopplingsmekanism än den tidigare vedertagna förklaringen, att osymmetriströmmar inducerade

spänning i motoraxeln. Sådana spänningar skulle ju inte heller, enligt då förhärskande uppfattning, ha

tillräcklig amplitud i dessa mindre motorer. Det var detta som hade di

svarade på i faxet i inledningen. De var då inte beredda att inse denna felmekanism utan sysslade

med att bygga modeller av de interna kapacitanserna i lagret

gäller förståelse för skadorna och hur de bekämpas.

Eftersom detta är den applikation där flest problem finns kommer flera exempel att ges. Det första

handlar om en fläktdrift med 40 kW motor. För ventilationssidan är det en stor fläkt.

Fläkt med snabb skadeutveckling – och snabbare när

Denna fläkt var monterad på stålram med vibrationsdämpande gummifötter. Drivning via kilremmar

från motor på samma stålram. Nätspänningen var 400 V TN

monterad omriktare via skärmad kabel (Ölflex).

En kort diskussion kring denna typ av installation kommer först. Det är ett av de vanligaste sätten att

arrangera drivning till en fläkt, nämligen med direkt koppling till motoraxeln. Även instal

koppling via kilrem eller annan rem faller under denna kategori.

Det handlar alltså om en motor med ”flytande last”

utgör en elektriskt isolerad enhet. Den enda möjliga elektriska kontakten med omvärlden är via

lagren. Samma gäller vid remdriven fläkt; ingen väg till jord

. Hjälper hybridlager?

ystem i 1 – 22 kW effektområdet. Den gängse uppfattningen har


undersöks inte havererade småmotorer i någon större omfattning – de är för b

dels var den allmänna uppfattningen i mitten på nittiotalet (för all del, den finns


Det var i samband med lagerproblem på hotell och sjukhus som våra

mätningar på mindre motorer visade att vi i stället för motfas axelspänningar hade likfas


ekanism än den tidigare vedertagna förklaringen, att osymmetriströmmar inducerade


tillräcklig amplitud i dessa mindre motorer. Det var detta som hade diskuterats med SKF och som de


med att bygga modeller av de interna kapacitanserna i lagret – intressant, men föga givande

h hur de bekämpas.


handlar om en fläktdrift med 40 kW motor. För ventilationssidan är det en stor fläkt.

och snabbare när motmedel sattes in!


från motor på samma stålram. Nätspänningen var 400 V TN-C och motorn var ansluten till separat

monterad omriktare via skärmad kabel (Ölflex).

kring denna typ av installation kommer först. Det är ett av de vanligaste sätten att

arrangera drivning till en fläkt, nämligen med direkt koppling till motoraxeln. Även instal

eller annan rem faller under denna kategori.

Det handlar alltså om en motor med ”flytande last”. Det betyder att rotor, axel och ansluten last


Samma gäller vid remdriven fläkt; ingen väg till jord utom via lagren.

22 kW effektområdet. Den gängse uppfattningen har


de är för billiga,

dels var den allmänna uppfattningen i mitten på nittiotalet (för all del, den finns


and med lagerproblem på hotell och sjukhus som våra

mätningar på mindre motorer visade att vi i stället för motfas axelspänningar hade likfas – båda


ekanism än den tidigare vedertagna förklaringen, att osymmetriströmmar inducerade


skuterats med SKF och som de


intressant, men föga givande vad



C och motorn var ansluten till separat

kring denna typ av installation kommer först. Det är ett av de vanligaste sätten att

arrangera drivning till en fläkt, nämligen med direkt koppling till motoraxeln. Även installationer med

. Det betyder att rotor, axel och ansluten last


PWM-spänningen kopplas kapacitivt från statorlindning till rotorn så att rotorns potential ”hoppar

jämfota” i förhållande till jord.

Kapacitanser i en

Om motorn är bra jordad så kommer spänningen mellan axel och stator, d

att bli en reducerad avbild av summan av de tre PWM

Reduktionen beror av förhållandet mellan de två kapacitanserna lindning

stora maskiner är ytan mellan rotor och st

mindre maskiner är ytan mindre med mindre kapacitans som följd. Kapacitansen mellan lindning och

rotor ändrar sig också med maskinstorleken. Men förhållandevis mindre. Resultatet blir att kapaciti

koppling kan ge upphov till 5 – 10 procent spänning på rotorn i små (0,

medan den sällan når över 0,5 procent i större (100

Det är common-modespänningen som orsakar problem. Inte

också genom att driva strömmar till jord så att ett överlagrat växelflöde skapas i motorn och

inducerar spänning i axeln, som visades tidigare. I detta fall är det inte den inducerade spänningen

som är intressant – utan den kapacitivt kopplade.

spänningen kopplas kapacitivt från statorlindning till rotorn så att rotorns potential ”hoppar

Kapacitanser i en asynkronmotor

Om motorn är bra jordad så kommer spänningen mellan axel och stator, dvs spänningen över lagret

att bli en reducerad avbild av summan av de tre PWM-spänningarna från frekvensomriktaren.

Reduktionen beror av förhållandet mellan de två kapacitanserna lindning-rotor och rotor

stora maskiner är ytan mellan rotor och stator ”luftgapsytan” stor, vilket innebär stor kapacitans. I


rotor ändrar sig också med maskinstorleken. Men förhållandevis mindre. Resultatet blir att kapaciti

10 procent spänning på rotorn i små (0,175 kW – några kW) motorer

medan den sällan når över 0,5 procent i större (100 – 1000 kW) maskiner.

Common-modespänning.

modespänningen som orsakar problem. Inte bara genom kapacitiv koppling utan



en kapacitivt kopplade.

spänningen kopplas kapacitivt från statorlindning till rotorn så att rotorns potential ”hoppar

vs spänningen över lagret

spänningarna från frekvensomriktaren.

rotor och rotor-stator. I

stor, vilket innebär stor kapacitans. I


rotor ändrar sig också med maskinstorleken. Men förhållandevis mindre. Resultatet blir att kapacitiv

några kW) motorer

bara genom kapacitiv koppling utan



Åter till det aktuella fallet. Axelspänningen såg ut som nedan:

Det är kanal A som visar axelspänningen. Kanal B är utsignalen från ”Lill-Beppe”, en enhet som

används för att hitta EDM och avge triggsignal. Som synes triggas oscilloskopet på just denna signal.

Vi har här ett genomslag från cirka 7 V nivå, vilket är relativt lågt. Pulsen fram till genomslaget är två

mikrosekunder bred (ett typiskt värde och en av orsakerna till att vanlig multimeter inte kan

användas, de behöver betydligt längre pulser för att reagera). Genomslaget sker mycket snabbt och

avslutas med högfrekvent ringning kring noll volt.

En egendomlighet i just den här registreringen är den snabba ringning som inleder

spänningsstegringen. Men, eftersom den inte var det egentliga problemet lämnade vi den utan

avseende så länge.

Kunden hade bestämt sig för att prova att sätta in ett hybridlager. På NDE. Detta skulle, enligt vad

man hade förstått, ”bryta strömkretsen”. Det hjälpte inte att förklara att det i detta fall inte handlade

om en intern cirkulerande ström i motorn, utan om en urladdning från rotor till hölje via lagren och

att ett hybridlager troligen skulle förvärra situationen för det kvarvarande lagret så att stopp för

lagerbyte skulle behöva ske ännu oftare.

Orsaken till att man får värre och snabbare skador på lagret är att urladdningar genom lagret är en

stokastisk process. Ojämnheter i lagerbanor och kulor samt föroreningar i fett/olja gör att

urladdningar sker som en kombination av att tillräcklig spänning finns och ”tillfälle ges” dvs att en

svag punkt i isolationen uppstår. Det går säkert att räkna på detta med hjälp av avancerad

sannolikhetskalkyl, men egentligen räcker det med sunt förnuft: Tar man bort en väg för

urladdningen så kommer det att dels ta längre tid innan ”tillfälle ges” dels kommer alla

urladdningarna att ske i det oisolerade lagret.

Eftersom det var viktigt att kunden själv fick se hur det fungerade (och samtidigt få bra registreringar

till ett kommande seminarium) såg vi detta som ett utmärkt tillfälle att lära lite mer. Lagerbytet var

snabbt gjort och efter lunch kunde vi prova igen. Nu med en motor där ena lagret var försett med

keramikkulor och således perfekt isolerat. Resulterande axelspänning visas i kanal B nedan:

Även om vi hade förutsatt ökad aktivitet i kvarvarande lager blev vi förvånade över den stora

försämring som ”förbättringen” medförde. Antalet genomslag var fortfarande högt. Till yttermera

visso från en mycket högre nivå än tidigare. Detta kan behöva en förklaring:

Varför ger ett hybridlager sämre förhållanden?

Genomslagsspänningen i ett lager beror av många faktorer. Temperatur, oljekvalitet, rotationshastighet, axiallast är några av de viktigaste. Men, om man söker ett samband mellan dessa variabler och faktiskt observerad genomslagsspänning blir man snabbt besviken; det verkar inte finnas något bra och säkert samband. Orsaken är att ytterligare en faktor spelar in – och den är ofta dominerande. Det är ytfinheten på lagerbanor och kulor eller rullar. Små avvikelser eller små partiklar kan inte undvikas i en verklig applikation. Det är dessa ojämnheter och partiklar som bestämmer om ett genomslag ska ske eller ej. I det aktuella fallet hade man tidigare två lager där denna slumpvisa urladdning kunde ske. Och det ledde till att man sällan kom upp i högre spänning än 10 – 15 volt. Med hybridlager fanns endast ett ”vanligt” lager kvar, där urladdning kunde ske. Axelspänningen har alltså större ”chans” att hinna upp i högre spänning innan genomslag sker. Detta är exakt vad man kan se i bilden; pulsen är här nära fem mikrosekunder lång, jämfört med två mikrosekunder i föregående bild, vilket medför att just detta genomslag sker från 22 V nivå.

Energin i genomslaget följer formeln W[Ws] = 1/2 * U^2[V] * C[F]. Det innebär att en fördubbling av

genomslagsspänningen höjer energin i urladdningen fyra gånger och därmed orsakar betydligt större

skada än en urladdning från halva nivån.

Detta med hybridlager i en position var alltså ingen bra idé – något som kunden snabbt insåg.

Kostnaden för hybridlager var också ganska hög. Just för dessa motorer var kundens rabatterade pris

drygt 8 kSEK/styck. Och detta var ändå en av de större industrierna i Sverige. Så deras rabattsatser

var nog inte att klaga på. Att sätta in dubbla hybridlager skulle alltså ha kostat cirka 17 kSEK, enbart

för denna motor. Då dubbla hybridlager dessutom medför risk att axeln blir spänningsförande vid

lindningsfel i motorn måste den skyddsjordas på något sätt - kanske lika bra att söka andra lösningar.

Mer om denna risk i avsnittet om likströmsmaskiner.

En lösning är förstås jordningsborste på axeln. En sådan är en utmärkt bra lösning vid kapacitivt

kopplad axelspänning eftersom man inte behöver ta hänsyn till eventuella bieffekter i form av ström

som ”sticker iväg” ut i andra maskindelar, vilket lätt händer vid jordning av axlar med induktivt

kopplad spänning. Bilden visar att en mycket enkel borste tar ner spänningen mycket effektivt.

Axelspänningen är här helt eliminerad. Så till den grad att triggtillsatsen inte fann något att trigga på.

Registreringen är därför gjord i autoläge med manuell Hold. Om man kan hålla jordborsten i trim så

är detta en helt okritisk installation vad gäller EDM i lager. Så länge man håller sig under cirka tre volt

finns ingen risk över huvud taget. Och inte ens vid fem volt är risken särskilt stor eftersom energin i

de eventuella genomslagen är mycket låg.

En sista kommentar. Hur var det med den konstiga ringningen i 2 µs-pulsens början?

Jo, när vi tittade in i kopplingslådan visade det sig att ölflexskärmen inte var ansluten till motorns

jordskruv. Här har vi motsägelser igen ”Jorda skärmen endast i en punkt” är en vanlig

missuppfattning. Den kommer från ”kloka gubbar” i ljudbranschen och har säkert ett visst

berättigande om man vill undvika nätbrum i mikrofonsignaler på mikrovoltnivå. Men sådant

bekymrar vi oss inte om i motorapplikationer – här gäller det att hålla voltsignaler i schack. Och då är

det låga impedanser som gäller. Jorda motorskärmen. I båda ändar. Gärna runt om – den ofta

omtalade 360-gradersförskruvningen är faktiskt inte så dum! Bilden visar hur det ser ut i

kopplingslådan. Observera den oanslutna skärmen.

Tre svarta plus gul/grön – men ingen skärmanslutning.

Ventilationsapplikationer – HVAC. Bättre installation gav kortare gångtid på lagren!??

I detta sammanhang kan det vara intressant att titta på ännu ett oväntat resultat av en ”förbättrad”

installation. Det handlar åter om en HVAC-applikation, fläktar i en hotellbyggnad. Kilrem mellan

motor och fläkt, dvs flytande last. Lagrens gångtid var inte mer än cirka ett och ett halvt år och

fläktleverantören ”visste exakt” vad problemet var: Installatören hade inte använt EMC-

förskruvningar vid inkoppling av motorn.

EMC-förskruvningar (de mycket omtalade 360-graders förskruvningarna) har ett stort berättigande

och reducerar vissa typer av lagerskador, framför allt sådana som orsakas av så kallad

”stomspänning”. Då stomspänning aldrig kan orsaka lagerskador i en installation med flytande last –

stomspänning kräver att axeln är förbunden med jord om ström ska kunna flyta från stator/stomme

via lagren till jord – så inses lätt att en EMC-förskruvning inte skulle hjälpa i detta fall. Men

fläktleverantören var påstridig. EMC-förskruvningar skulle hjälpa. Man ansåg dessutom att en extra

jordledare borde anbringas mellan motorjord och omriktarjord – ganska onödigt med tanke på att

EMC-förskruvning plus Ölflexmantel faktiskt var en mycket bättre lågimpediv returväg för motorns

kapacitiva avledningsström.

När installatören hade satt in EMC-förskruvningar visade det sig att gångtiden minskade. Lagren höll

nu inte mer än cirka åtta månader – en halvering av gångtiden. Detta var ju lite irriterande – inte nog

med att man kostat på extra arbete, nu tvingades man byta lager nästan två gånger per år. Vem

skulle stå för denna kostnad? Fastighetsägaren vägrade, installatören vägrade – han hade ju gjort

som han blivit ombedd. Styr-och-reglerfirman vägrade. Konsulten vägrade. Omriktarleverantören

vägrade. En inte helt ovanlig situation. Det slutar ofta med att alla blir osams och att den stackars

fastighetsägaren står där med en anläggning som kommer att kosta stora pengar i underhåll. I det

här fallet var det vettiga människor inblandade och man beslöt gå till botten med saken.

GKE ombads titta på problemet. Först återställdes installationen till ursprungligt läge, dvs utan EMC-

förskruvning och utan extra jordning mellan fläktaggregatets stålram och omriktarens jordklämma.

Detta är vad vi fann:

Bilden visar axelspänning med peakvärden upp till åtta volt och RMS 1,71 V. Denna registrering är

tagen över 20 millisekunder och det är svårt att se de enskilda genomslagen. Eftersom det handlar

om en frånluftfläkt med relativt hög temperatur på luften kan man inte utesluta att genomslag sker

redan vid 7 – 8 V axelspänning.

Nästa bild visar faktiskt EDM-genomslag i detalj:

Detta genomslag sker från 11 V. Det är det ”värsta” värdet vi kunde finna i originalutförande. Tidaxel

1 µs/delning. Bilden visar ett klassiskt genomslag. Spänningsuppbyggnad under några mikrosekunder

och därefter en snabb urladdning mot noll volt. Urladdningens varaktighet är svår att läsa med den

relativt långa tidbasen, det handlar vanligen om cirka 50 nanosekunder. Det skulle motsvara en

tjugondels delning, men i just detta fall verkar tiden vara ännu kortare – kanske 30 nanosekunder.

Som nästa steg installerades EMC-förskruvningen och den extra jorden lades mellan fläktaggregatets

stålram och omriktarens jordskruv. Då såg axelspänningen ut så här:

Förbättringen ger alltså en kraftig försämring (ökning) av axelspänningen, RMS = 4,17 V. Detta är inte

enbart en ”teoretisk” mäteffekt utan bister verklighet. Den förkortade lagerlivslängden var ju redan

konstaterad när GKE kopplades in. Och anledningen till den kortare livslängden är helt enkelt att man

får högre axelspänning när motorkabelns skärm ansluts med EMC-förskruvning. Det kan tyckas

egendomligt och förnuftsvidrigt. Men det finns en enkel fysikalisk förklaring.

installationen ser ut så här:

Omriktaren är här reducerad till en störgenerator (PWM) i ett hölje med anslutning till gemensam

jordbock (gul ledare och gult jordplan). Motorn vi

röda lindningen, rotorn och den endast delvis utritade statorn. Mellan omriktarskåp och motor går

en skärmad kabel som är ansluten med kort pigtail till skåpets hölje och med en EMC

motorns kopplingslåda. Den senare är väl förbunden med statorn, vilket markeras genom att hölje

och kopplingslåda ritats som en sammanhängande enhet.

jordplanet/jordbocken via en grön ledare.

Vad som händer i systemet utan EMC

kapacitivt till rotorn via den ganska låga kapacitansen lindning

kopplas samma spänning via den ganska stora kapacitan

ansluten via en ganska högimpediv jordledare till jordbocken så kommer även statorpotentialen att

röra sig mer eller mindre i takt med rotorpotentialen.

Eftersom spänningen över lagret är skillnaden mellan r

påkänningen på lagret att vara mindre än den skulle vara om statorn låg stilla potentialmässigt.

När en EMC-förskruvning monteras kommer returvägen för statorströmmen att få en lågimpediv

krets tillbaka till omriktare/jord genom motorkabelns skärm. Resultatet blir att statorpotentialen

ligger stilla när rotorpotentialen gör sina språng, vilket resulterar i ökad spänning över lagret med

ökad EDM och minskad gångtid som följd. Och det var ju just detta man konstater

förskruvningen satts in. Det ekvivalenta schemat ändras inte mycket, se nedan.

. Men det finns en enkel fysikalisk förklaring. En förenklad bild av


jordbock (gul ledare och gult jordplan). Motorn visas med de olika delkapacitanserna mellan den


en skärmad kabel som är ansluten med kort pigtail till skåpets hölje och med en EMC-förskruvning till

pplingslåda. Den senare är väl förbunden med statorn, vilket markeras genom att hölje

och kopplingslåda ritats som en sammanhängande enhet. Motorns stomme är förbunden med

jordplanet/jordbocken via en grön ledare. Motsvarande elektriska schema visas till höger.

Vad som händer i systemet utan EMC-förskruvning är att fyrkantvågen (PWM) i lindningen kopplas

kapacitivt till rotorn via den ganska låga kapacitansen lindning-rotor (100 pF i exemplet). Samtidigt

kopplas samma spänning via den ganska stora kapacitansen lindning-stator till statorn. Om statorn är


röra sig mer eller mindre i takt med rotorpotentialen.

Eftersom spänningen över lagret är skillnaden mellan rotorpotential och statorpotential så kommer


förskruvning monteras kommer returvägen för statorströmmen att få en lågimpediv

genom motorkabelns skärm. Resultatet blir att statorpotentialen


ökad EDM och minskad gångtid som följd. Och det var ju just detta man konstaterade efter att EMC

Det ekvivalenta schemat ändras inte mycket, se nedan.

En förenklad bild av


sas med de olika delkapacitanserna mellan den


förskruvning till

pplingslåda. Den senare är väl förbunden med statorn, vilket markeras genom att hölje

Motorns stomme är förbunden med

öger.

förskruvning är att fyrkantvågen (PWM) i lindningen kopplas

rotor (100 pF i exemplet). Samtidigt

stator till statorn. Om statorn är


otorpotential och statorpotential så kommer


förskruvning monteras kommer returvägen för statorströmmen att få en lågimpediv

genom motorkabelns skärm. Resultatet blir att statorpotentialen


ade efter att EMC-

Den lilla skillnaden har ändå ganska stor betydelse. Spänningen över lagret ökar från 1,71 V till 4,17 V

RMS. Det är mer än en fördubbling.

Ovanstående resonemang betyder inte att man ska undvika EMC

påkänningen på lagret. De minskar utstrålad störnivå från installationen genom att de högfrekventa

komponenterna i PWM-signalen nu leds tillbaka till omriktaren

de leds fram till motorns linding. Och det är bra. Fram och återledning så nära varandra som möjligt

minskar ytan på ”sändarantennen” och därmed utstrålad störeffekt. Bäst blir det med en

symmetriskt uppbyggd kabel. Mer om detta sena

Andra metoder måste användas för att minska spänningen över lagret. I just detta fall passar det bra

med en jordningsborste på axeln. Antingen en klassisk borste eller en kolfiberborste. Resulterande

ekvivalenta schema visas nedan.

Jordningsborsten (svart) i sin hållare (bronsfärgad) kortsluter axel till sköld. Det tjocka svarta strecket

i schemat visar var kortslutningen verkar. Som synes kortsluts rotorn till statorn, vilket förstås

innebär att kapacitansen rotor-stator alltid är urladdad så att in


RMS. Det är mer än en fördubbling.

nde resonemang betyder inte att man ska undvika EMC-förskruvningar – även om de ökar


signalen nu leds tillbaka till omriktaren genom skärmen på samma kabel som



symmetriskt uppbyggd kabel. Mer om detta senare.


Antingen en klassisk borste eller en kolfiberborste. Resulterande

(svart) i sin hållare (bronsfärgad) kortsluter axel till sköld. Det tjocka svarta strecket


stator alltid är urladdad så att ingen urladdning via lagret kan ske.


även om de ökar


men på samma kabel som




Antingen en klassisk borste eller en kolfiberborste. Resulterande

(svart) i sin hållare (bronsfärgad) kortsluter axel till sköld. Det tjocka svarta strecket


gen urladdning via lagret kan ske.

Sammanfattning av praktikfall ”Kapacitiv koppling med flytande last”

1. Rotor och ansluten last är isolerade från jord. Det är detta som är ”flytande last”.

2. Kopplingen sker kapacitivt från statorlind

3. Statorn är mer eller mindre väljordad.

4. ”Halvbra” jord ger mindre lagerskador.

5. ”Helbra” jord (skärmad, symmetrisk kabel med EMC

6. EMC-förskruvningen kan inte tas bort

7. Enkelt motmedel är jordningsborste eller kolfiberring.

8. Mera komplext motmedel är olika filter eller omriktare med sinusutgång.

Sammanfattning av praktikfall ”Kapacitiv koppling med flytande last”

Rotor och ansluten last är isolerade från jord. Det är detta som är ”flytande last”.

Kopplingen sker kapacitivt från statorlindning till rotor.

Statorn är mer eller mindre väljordad.

”Halvbra” jord ger mindre lagerskador.

”Helbra” jord (skärmad, symmetrisk kabel med EMC-förskruvning) ger mera lagerskador.

förskruvningen kan inte tas bort – behövs för att minska störningar.

ordningsborste eller kolfiberring.

Mera komplext motmedel är olika filter eller omriktare med sinusutgång.

Rotor och ansluten last är isolerade från jord. Det är detta som är ”flytande last”.

förskruvning) ger mera lagerskador.

Stomspänning – utjämningsledare hjälper

”Stomspänning” är ett ord som vi själva hittat på – tror vi. I USA har man börjat använda ordet ”Back-

feed” och det säger också en del av vad det handlar om. I det här fallet handlade det om en pressdrift

på ungefär 800 kW i en pappersmaskin. Problem med lagerskador i växeln, men även i motorn.

Först ska vi titta på fenomenet stomspänning. Hur den uppstår och hur den ser ut:

Om man detaljstuderar en frekvensomriktarmatad asynkronmotor med en normal FKK motorkabel

och koncentrerar sig på kabelns egenskaper samt kapacitansen mellan statorlinding och stomme så

ser det ekvivalenta schemat ut ungefär som nedan.

Vågimpedansen har inget med kabelns egenskaper vid 50 eller 60 Hz att göra utan är roten ur kvoten

mellan induktans och kapacitans per längdenhet. Den sätts slentrianmässigt lika med 50 ohm. Det är

samma siffra som används vid EMC-mätningar när man sätter in ett så kallat LISN (Line Impedance

Stabilizing Network). Fyrkantgeneratorn genererar en fyrkantvåg med snabba switchflanker som tar

sig via kabeln till statorlindningen. Statorlindningen har kapacitans till statorjärnet. Det innebär att de

snabba flankerna tar sig igenom kapacitansen till stommen. Stommen är i sin tur förbunden med jord

via PE i kabeln. I en normal FKK har PE ganska stor induktans, säg ca 1 µH per meter. Det blir totalt 50

µH.

All induktans motsätter sig snabba strömändringar. Det betyder att de snabba flanker som kopplas

till stommen har svårt att ta sig via PE tillbaka till jord. Det blir helt enkelt ganska mycket av flankerna

kvar på motorhöljet. Ungefär som nedan.

Om man zoomar i kurvformen ser man att varje switchflank ger upphov till en liten transient.

Varannan transient startar uppåt (positiv switchflank) och varannan startar neråt (negativ

switchflank). Ytterligare zoomning visar att frekvensen i transienten är cirka 200 kHz (se 1/dx i

datablocket)

Denna spänning finns alltså på motorns hölje. Den finns där därför att den har en impedans (PE-

ledaren) till jord. Om nu denna spänning hittar ett bättre sätt att ta sig till jord så är den inte

dummare än att den utnyttjar det sättet.

En väg som ofta erbjuder sig är via motoraxeln till den drivna maskinen. Den drivna maskinen – en

pump, en pappersmaskinssektion, en del av ett valsverk eller annat tungt maskineri – har nästan

alltid mycket bra kontakt med jord. Men för att komma ut på axeln och till maskinen måste

spänningen slå igenom fettfilmen i lagret. Eftersom spänningen har ett bra toppvärde, mer än 100 V i

detta ganska renodlade fall – den är vanligen lägre i verkligheten där parallellresistanser ofta finns

så är fettfilmen med sina krav på 10

sig till jord via maskinen.

Ofta förblir kontakten/genomslagsplatsen ledande någon eller några mikrosekunder efter det

egentliga genomslaget, men man kan också se fall där två genomslag följer tätt inpå va

från den positiva delen av transienten och ett från den

måste förhindras.

Den drivna maskinen längst till höger är stumt jordad via maskinlinjal, byggnadsstål, röranslutningar

och så vidare. Kopplingar mellan motor och växel är ledande. Ingen potentialutjämning mellan motor

och växel eller mellan växel och maskin. Men, och detta är viktigt, det fanns centralsmörjning till

växeln. Oljerören erbjöd en effektiv och lågimpediv väg till jord.

Ett antal lösningar på problemet kan tänkas:

1. Sätt in isolerade lager i motorn.

2. Sätt in isolerade lager i växeln.

3. Sätt in isolerande koppling mellan motor och växel.

4. Lägg utjämningsledare mellan motor och växel.

5. Förbättra (sänk) impedansen i PE

6. Sätt in filter på omriktarutgången

a. Common-modefilter?

b. Du/dt-filter?

c. Sinusfilter?

Då detta är en av de vanligaste ”problemsituationerna” ska vi ägna den en del energi. Svaret är inte

alldels självklart.

den är vanligen lägre i verkligheten där parallellresistanser ofta finns

så är fettfilmen med sina krav på 10 – 15 volt inget problem. EDM-genomslaget sker och flanken tar


egentliga genomslaget, men man kan också se fall där två genomslag följer tätt inpå va

från den positiva delen av transienten och ett från den negativa delen. Sådant är förstås inte bra och


ngar mellan motor och växel är ledande. Ingen potentialutjämning mellan motor


växeln. Oljerören erbjöd en effektiv och lågimpediv väg till jord.

al lösningar på problemet kan tänkas:

Sätt in isolerade lager i motorn.

Sätt in isolerade lager i växeln.

Sätt in isolerande koppling mellan motor och växel.

Lägg utjämningsledare mellan motor och växel.

Förbättra (sänk) impedansen i PE-kretsen

filter på omriktarutgången

modefilter?


den är vanligen lägre i verkligheten där parallellresistanser ofta finns –

genomslaget sker och flanken tar


egentliga genomslaget, men man kan också se fall där två genomslag följer tätt inpå varandra. Ett

delen. Sådant är förstås inte bra och


ngar mellan motor och växel är ledande. Ingen potentialutjämning mellan motor



Isolerade lager. Att sätta in isolerade lager kan tyckas vara en effektiv åtgärd. Det har emellertid visat

sig vara en del problem med detta. Förutom att man riskerar att få in standardlager vid byte av lager

så visar det sig att isolerade lager inte hjälper i ett sådant här fall. Orsaken är egentligen självklar –

men kan behöva belysas något. Först en bild av ett isolerat lager (tack, SKF!):

Det finns två typer av Insocoatlager – med isolering på ytterringen och med isolering på innerringen.

Bilden visar ett med innerringen isolerad. Det vanligaste är dock att isoleringen ligger på ytterringen.

Isoleringen består av ett lager sputtrad aluminiumoxid. Det är en bra isolator, men också ett bra

dielektrikum. Aluminiumoxid (Al2O3) används bland annat i elektrolytkondensatorer där materialet

ger hög kapacitans på liten volym. Där är skikten mycket tunna. I lagersammanhang används tjockare

skikt. Vanligen 50 eller 100 µm. Den skikttjockleken gör att ett Insocoatisolerat lager har en

kapacitans som ligger mellan 5 och 20 nanofarad (nF).

Hmm.. Verkar inte det bekant? Kapacitansen mellan lindning och statorjärn ligger ju i ungefär samma

socken – 10 nF i exemplet. Om nu lagrets isolering har samma kapacitans och kapacitansen mellan

lindning och statorjärn släpper igenom så mycket ström att man har mer än hundra volt på statorn så

måste väl lagrets kapacitans göra det också?

Jo, det är så. Om man tittar på frekvensen i det aktuella exemplet så var den ca 200 kHz. 225 kHz om

man ska vara noga. Impedansen (växelströmsmotståndet) i en kondensator bestäms av formeln Z =

1/(2*PI*f*C). Med aktuella värden insatta får man Z = 1/(6,28*225000*10^-8) eller uträknat 70 ohm.

Det är ju inte något bra isolationsvärde och faktum är att isolerade lager inte fungerar speciellt bra i

en sådan här applikation. De förlänger gångtiden, ibland upp till fyra fem gånger, men en riktigt

effektiv lösning är det inte. Isolerade lager är mycket bra i mera lågfrekventa tillämpningar, men när

man har med snabba flanker med högt frekvensinnehåll att göra kan man bli negativt överraskad.

Genom att välja isolerade lager med isoleringen på innerringen kan få bättre resultat. Anledningen är

att man har mindre yta mellan axel och innerring än mellan ytterring och lagersäte. Man kan räkna

med ungefär halva kapacitansen. Genom att sätta in invändigt isolerade lager vinner man också att

lagret isoleras även termiskt från den varma motoraxeln så att temperaturen i lagret hålls nere.

Isolering på ytterringen gör ju tvärt om – den minskar värmeövergången från lager till lagersäte så att

kylningen försämras och lagrets temperatur ökar. Ytterligare en fördel är att man har en tätare

passning mellan innerring och axel än man har mellan ytterring och lagersäte. Man slipper den

slipning av lagersätet som (ryktesvis) kan uppstå om man har keramiskt material på ytterringen och

den rör sig på grund av lösare passning.

Oberoende av var de isolerade lagren sätts in (motor eller växel) så ska båda axeländarna isoleras.

Här handlar det ju inte om att bryta upp en cirkulerande ström utan att förhindra att

stomspänningen kommer ut på axeln eller från axel genom växelns lager. Två isolerade lager alltså.

Observera att två lager parallellt ger dubbla kapacitansen. De 70 ohmen blir då plötsligt 35 ohm och

idén med isolerade lager i den här applikationen verkar ännu mindre bra.

Isolerande koppling. Tanken med den isolerade kopplingen är att bryta upp strömmens väg till den

jordade växeln. I motsats till Insocoatisoleringen handlar det nu om rejäla avstånd och tjocklekar på

isolationsmaterialet. Kapacitansen hos normala isolerade kopplingar är sällan mer än 0,1 – 0,3 nF och

det är kapacitanser som är trettio till hundra gånger lägre än Insocoatlagrens. Faktiskt sextio till

tvåhundra gånger lägre än de dubbla lagrens totala kapacitans.

Så det är lätt att konstatera att en isolerande koppling är en bra lösning. Problemet är att det inte

alltid finns isolerade kopplingar som klarar effekt och varvtal. Den termiska miljön kan också vara ett

problem eftersom kopplingarna ofta arbetar i ganska hög omgivningstemperatur och dessutom har

egen förlusteffekt som ytterligare ökar temperaturen.

Detta kan vara en orsak till att man inte ser isolerade kopplingar alltför ofta. Behovet av sådana

kopplingar i samband med frekvensomriktardrifter bör dock driva fram nya lösningar. Var

uppmärksam på sådana! De kan komma till nytta.

Isolerade kopplingar. Ca 600 kW 2000 RPM, hamnkran och ca 100 kW 1500 RPM, MAVA-pump

Utjämningsledare. Ett bra och enkelt sätt att åtgärda problemet är att släppa fram strömmen på

andra vägar än genom lager och axel. Man kan säga att man gör en by-pass. Om vi återvänder till

fallet med ”svetsskadan” i början av detta kapitel så minns vi att det gäller att skapa en väg som har

lägre impedans än vägen genom lager och axel. Vi ordnade det genom att lägga ett par parallella

utjämningsledare mellan motorfot och pumphusets fot. Det ger låg impedans och ledarna följer

strömmens naturliga väg.

I det nu aktuella fallet måste man vara beredd på att motivera mycket klart och tydligt att

utjämningsledarna ska gå på samma sätt. Från motorfot till växellådsfot. Det innebär att de kommer

att gå mer eller mindre i luften. Det är inget som någon blir glad av. Nej, ledarna kommer troligen att

klamras från motor ner efter motorfundamentet, bilas och gjutas över i golvet fram till

växelfundamentet. Eftersom det är dyrt att bila så kommer de två utjämningsledarna med största

sannolikhet att läggas i en enda ränna i golvet – vilket i stort sett är detsamma som att lägga en

ensam ledare – med högre induktans som resultat. På växelfundamentet kommer de sedan att

klamras tillsammans upp till växeln där de delas ut till fram och bakkant på växeln.

Problemet med denna typ av förläggning är att den visserligen ser proffsig och seriös ut – men den

har så stor induktans att man lika gärna kunde låta

Documents

GKE Elektronik AB - Seminariehandbok EDM 4 EDM del 1.pdf · 2019. 12. 6. · Leverantören av kraftvärmeverket var mycket överraskad medan vi på GKE hade hunnit samla på oss så