Lagerströme und was man dagegen tun kann

Lagerströme und was man dagegen tun kann

Bei manchen Motor-Frequenzumrichter-Anwendungen führen bestimmte Montage- und Betriebsbedingungen zu Lagerströmen. Vereinzelt stellen Anlagenbetreiber in der Prozessindustrie fest, dass solche Lagerströme bei ihren Niederspannungsmotoren auftreten, vor allem, wenn die Motoren mit Frequenzumrichtern betrieben werden. Wenn keine Überprüfung erfolgt und nichts unternommen wird, können diese Lagerströme nur wenige Monate nach der Inbetriebnahme zu Schäden an den Lagern führen. Mit einer einfachen Prüfung während der Inbetriebnahme kann dem jedoch entgegengewirkt werden.

Lagerströme sind kein neues Phänomen. Es gibt Berichte über dadurch bei Elektromotoren verursachte Lagerschäden, die bis in die 1930er-Jahre zurückgehen. Was verursacht Lagerströme? Die Quelle ihrer Entstehung ist die über das Lager induzierte Spannung. Die hohe Schaltfrequenz moderner AC-Antriebe kann zur Entstehung hochfrequenter Stromimpulse in den Lagern führen. Wenn die Energie dieser Impulse hoch genug ist, treten Metallpartikel aus den Kugeln und dem Laufring in das Schmiermittel über. Dieses Phänomen ist als Funkenerosion bekannt. Auch andere Verbraucher im Netz mit schnellen Schaltflanken beziehungsweise hochfrequenten Stromanteilen in Verbindung mit einem unzureichenden HF-Erdungskonzept können die Ursache von Lagerströmen sein. Dies führt zu einem vorzeitigen Verschleiß und schließlich zum vorzeitigen Ausfall – in manchen Fällen innerhalb weniger Monate nach der Montage. Normalerweise haben Lager bei einem im Dauerbetrieb laufenden Industriemotor eine Lebensdauer von mindestens fünf Jahren.

In den meisten Fällen sind die ersten Anzeichen für einen Lagerstrom ein erhöhter Geräuschpegel und stärkere Vibrationen. Mit der entsprechenden Schulung und der passenden Ausrüstung kann die Spannung zwischen Motorwelle und Gehäuse gemessen werden. ABB empfiehlt, dass diese Messung Teil der Inbetriebnahme sein sollte. Es gibt keine genaue Regel, wie hoch eine akzeptable Wellenspannung sein darf, außerdem wird dieser Wert je nach Motor-Frequenzumrichter-Paket und Art der Anlage variieren. Wer Fragen zu dieser Messung hat, dem kann ABB Unterstützung bieten und auch die Montage des Gesamtsystems überprüfen. Lagerströme können von ABB-Fachleuten mithilfe von Spezialgeräten festgestellt und gemessen werden. Der ABB-Service verfügt über eine umfangreiche Erfahrung mit diesen Messungen an Motoren und Antriebssystemen in den verschiedensten Anwendungen weltweit.

Je nach Größe des Motors, Erdung von Gehäuse und Welle, Elektroinstallation und spezifischen elektronischen Eigenschaften des Frequenzumrichters können Lagerströme auf drei verschiedene Arten entstehen:

  • Kreisströme in größeren Motoren ab Baugröße 280
  • Erdungsströme der Welle können entstehen, wenn der Rotor geerdet ist
  • Kapazitive Ableitströme bis Baugröße 280.

Lösungsansätze für Maßnahmen

Es gibt keine technische Patentlösung für alle Anlagen, bei denen man davon ausgeht, dass Lagerströme ein Problem darstellen. Vielmehr geht es darum, aus einer Reihe möglicher Lösungen diejenige auszuwählen, die der konkreten Anwendung optimal entspricht. Dabei ist die Größe des Motors das entscheidende Kriterium. Wenn ein Anwender Probleme mit Lagerströmen in einem ordnungsgemäß installierten System feststellt, dann gibt es für ihn verschiedene einfache Maßnahmen, die er ergreifen kann, um die Probleme zu beheben:

  1. Isoliertes Lager auf der B-Seite
    Eine wirkungsvolle Lösung für Motoren ab IEC-Baugröße 280 ist das Ersetzen des B-seitigen Lagers durch ein isoliertes Lager, das Kreisströme im Lager verhindert.
  2. Einsatz eines Gleichtaktfilters in Verbindung mit einem Frequenzumrichter
    Bei größeren Motoren mit einer Nennleistung über 350 kW (ab IEC-Baugröße 400) reduziert ein Gleichtaktfilter Gleichtaktströme und damit auch das Risiko von Lagerströmen.
  3. Erdung und Verkabelung von Transformator, Frequenzumrichter, Motor und Laststrang
    ABB empfiehlt bei allen Anlagen und besonders bei Motoren mit einer Motornennleistung über 30 kW den Einsatz von Erdungs- und Motoranschlusskabeln mit symmetrischer PE-Abschirmung (Schutzerdung) über das ganze System hinweg, da dadurch die Motorwellen- und Gehäusespannungen stark abgeschwächt werden. Dabei handelt es sich um ein bewährtes Verfahren, auch dort, wo davon ausgegangen wird, dass Lagerströme keine Rolle spielen. Es sollte auch die erste Maßnahme bei großen Motoren sein, noch vor dem Einbau eines Gleichtaktfilters.
  4. Im Inneren eingebaute Wellenerdungsbürste
    Der Einbau einer Wellenerdungsbürste ist eine effektive Maßnahme. Sie leitet den Strom über die Bürste und nicht durch das Lager zur Erde. Das schützt den Motor selbst und die ganze Anlage. Ein separater Einbausatz ist bei ABB erhältlich.
  5. Isolierte Lager sowohl auf der A- als auch auf der B-Seite
    Der Einsatz von Lagern mit isolierten Buchsen oder Wälzkörpern auf beiden Seiten des Motors stellt sicher, dass durch die Lager kein Strom zur Erde fließen kann.

Lagerströme können vermieden werden

Obwohl Lagerströme ein Problem darstellen können, sind sie nur bei einer sehr geringen Anzahl von Motorlagerausfällen die Ursache. Die häufigsten Ursachen für Lagerausfälle sind mechanische Probleme wie zum Beispiel übermäßig hohe Axial- und Radiallasten, mangelnde oder unzureichende Schmierung oder Fremdkörper bzw. Feuchtigkeit im Lager. Ist ein Lagerstrom vorhanden, gibt es keine Patentlösung. Es ist entscheidend, dass der Kunde sowie der Motoren- und Antriebslieferant bei der Suche nach einer geeigneten Lösung für eine konkrete Anwendung zusammenarbeiten. Der erste wichtige Schritt im Sinne der Best Practice wird immer das Sicherstellen der Verwendung der richtigen Erdungs- und Anschlusskabel sein. Neue Lösungen in Form von Wellenerdungsbürsten und Hybridlagern bieten vielversprechende Aussichten für die kostengünstige Verhinderung der potenziell schädlichen Auswirkungen der Lagerströme.

Die meisten Nutzer von Industriemotoren sollten sich über kapazitive Lagerströme keine unnötigen Sorgen machen, denn sie kommen nur sehr selten vor und sind zumeist auf Motoren mit einer Baugröße unter IEC250/NEMA 400 beschränkt. Wenn man allerdings ein Problem vermutet, lassen sich Lagerströme leicht überprüfen und beseitigen.

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