Методы повышения надёжности работы подшипниковых узлов в тяговых асинхронных машинах

Виктор [Viktor] Дмитриевич [D.] Тулупов [Tulupov]; Михаил [Mikhail] Александрович [A.] Слепцов [Sleptsov]; Александрс [Aleksandrs] Айнарович [A.] Бриедис [Briedis]

doi:10.24160/1993-6982-2021-2-60-70

Виктор [Viktor] Дмитриевич [D.] Тулупов [Tulupov]
Михаил [Mikhail] Александрович [A.] Слепцов [Sleptsov]
Александрс [Aleksandrs] Айнарович [A.] Бриедис [Briedis]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2021-2-60-70

Ключевые слова: преобразователь частоты и напряжения, подшипниковый ток, тяговый привод, подшипник

Аннотация

Рассмотрена проблема выходов из строя тяговых машин на электроподвижном составе по причине электроэрозии подшипников. Повреждения подшипников тяговых машин в результате прохождения электрического тока известны давно, но последнее время данный вид повреждений участился, поскольку преобразователи частоты и напряжения для управления трехфазными асинхронными двигателями получили широкое распространение на электроподвижном составе.

Представлен обзор причин возникновения паразитных токов и их источников, генерируемых в тяговых машинах с частотным управлением. Прохождение электрического тока через подшипники качения происходит в области контакта элементов качения с внутренним или наружным кольцом, соответственно, в результате повреждаются поверхности качения металлических компонентов подшипника и снижается качество смазочных материалов.

Для исследования и анализа подшипниковых токов определены «паразитные емкости», присутствующие в тяговых машинах, и способы их расчёта, поскольку они влияют на генерацию паразитных токов. Паразитными емкостями тяговых машин являются: емкость между обмотками статора и пакетом активной стали статора, емкость между обмотками статора и ротором, емкость между ротором и пакетом активной стали статора, емкости подшипников. С электрической точки зрения подшипники также можно рассматривать как емкости. Пока между внутренним и наружным кольцом и телами качения существует непрерывная смазочная пленка, подшипники действуют как конденсаторы. Разность потенциалов на элементах подшипника приводит к электростатическим разрядам и, следовательно, к токам разряда.

Один из способов повышения надёжности подшипниковых узлов тяговых машин —применение изолированных подшипников. Выполнены расчёт и анализ изменения сопротивления подшипников с керамическим покрытием и гибридными телами качения в зависимости от частоты прикладываемого напряжения и рабочей температуры. Сделаны выводы о целесообразности применения гибридных подшипников с кольцами из подшипниковой стали и телами качения из подшипникового нитрида кремния (Si3N4).

Сведения об авторах

Виктор [Viktor] Дмитриевич [D.] Тулупов [Tulupov]

доктор технических наук, профессор кафедры электротехнических комплексов автономных объектов и электрического транспорта НИУ «МЭИ»

Михаил [Mikhail] Александрович [A.] Слепцов [Sleptsov]

кандидат технических наук, профессор кафедры электротехнических комплексов автономных объектов и электрического транспорта НИУ «МЭИ»

Александрс [Aleksandrs] Айнарович [A.] Бриедис [Briedis]

магистр техники и технологии, аспирант, ассистент кафедры электротехнических комплексов автономных объектов и электрического транспорта НИУ «МЭИ», e-mail: aleksandrs_briedis@mail.ru

Литература

1. Mutze A. Bearing Currents in Inverter Fed AC-motors. Aachen: TU-Darmstadt, 2004.
2. Busse D., Erdman J.M., Kerkman R.J., Schlegel D., Skibinski G. The Effects of PWM Voltage Source Inverters on the Mechanical Perfomence of Rolling Bearings // IEEE Trans. Industry Appl. 1997. V. 33. No. 2. Pp. 567—576.
3. Wittek E., Kriese M., Tischmacher H., Gatterman S., Poll G. Capacitances and Lubricant Film Thicknesses of Motor Bearings Under Different Operating Conditions // Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010. Pp. 1—6.
4. Muetze A. Calculation of Motor Capacitances for Prediction of the Voltage Across the Bearings in Machines of Inverter-Based Driven Systems // IEEE Trans Industry Appl. 2007. V. 43. No. 3. Pp. 665—672.
5. Tischmacher H., Gattermann S. Bearing Currents in Converter Operation // Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010. Pp. 784—791.
6. Bruser P. Untersuchungen Uber die Elastohydrodynamishe Schmierfilmdicke bei Elliptischen Hertzschen Kontaktflachen. Braunschweig, 1972.
7. Baly H. Rebung Fettgeschmierter Walzlager. Hannover, 2005.
8. Magdun O.N. Calculation of High-frequency Current Distributions in Inverter-fed Electrical Machines. Darmstad, 2012.
9. Jablonka K., Glovnea R., Bongaerts J. Evaluation of EHD Films by Electrical Capacitance // J. Physics D: Appl. Phys. 2012. V. 45. No. 38. P. 385301.
10. Hamrock B.J., Dowson D. Ball Bearing Lubrication. The Elastohydrodynamics of Elliptical Contacts. N.-Y.: Wiley&Sons, 1981.
11. Hausberg V. Elektrishe Lagerbeanspruchung Umrichtergespeister Induktionsmaschinen. Hannover, 2002.
12. Wiedemann E., Kellenberger W. Konstruktion Elektrischer Maschinen. Berlin: Heidelberg, 1967.
13. Busse D., Erdman J., Kerkman R.J., Schlegel D., Skibinski G. Bearing Currents and Their Relationship to PWM Drives // IEEE Trans. Power Electronics. 1997. V. 12. No. 2. Pp. 243—252.
---
Для цитирования: Тулупов В.Д., Слепцов М.А., Бриедис А.А. Методы повышения надёжности работы подшипниковых узлов в тяговых асинхронных машинах // Вестник МЭИ. 2021. № 2. С. 60—70. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-2-60-70.
#
1. Mutze A. Bearing Currents in Inverter Fed AC-motors. Aachen: TU-Darmstadt, 2004.
2. Busse D., Erdman J.M., Kerkman R.J., Schlegel D., Skibinski G. The Effects of PWM Voltage Source Inverters on the Mechanical Perfomence of Rolling Bearings. IEEE Trans. Industry Appl. 1997;33; 2:567—576.
3. Wittek E., Kriese M., Tischmacher H., Gatterman S., Poll G. Capacitances and Lubricant Film Thicknesses of Motor Bearings Under Different Operating Conditions. Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010:1—6.
4. Muetze A. Calculation of Motor Capacitances for Prediction of the Voltage Across the Bearings in Machines of Inverter-Based Driven Systems. IEEE Trans Industry Appl. 2007;43; 3:665—672.
5. Tischmacher H., Gattermann S. Bearing Currents in Converter Operation. Proc. XIX Intern. Conf. Electrical Machines. 2010:784—791.
6. Bruser P. Untersuchungen Uber die Elastohydrodynamishe Schmierfilmdicke bei Elliptischen Hertzschen Kontaktflachen. Braunschweig, 1972.
7. Baly H. Rebung Fettgeschmierter Walzlager. Hannover, 2005.
8. Magdun O.N. Calculation of High-frequency Current Distributions in Inverter-fed Electrical Machines. Darmstad, 2012.
9. Jablonka K., Glovnea R., Bongaerts J. Evaluation of EHD Films by Electrical Capacitance. J. Physics D: Appl. Phys. 2012;45;38:385301.
10. Hamrock B.J., Dowson D. Ball Bearing Lubrication. The Elastohydrodynamics of Elliptical Contacts. N.-Y.: Wiley&Sons, 1981.
11. Hausberg V. Elektrishe Lagerbeanspruchung Umrichtergespeister Induktionsmaschinen. Hannover, 2002.
12. Wiedemann E., Kellenberger W. Konstruktion Elektrischer Maschinen. Berlin: Heidelberg, 1967.
13. Busse D., Erdman J., Kerkman R.J., Schlegel D., Skibinski G. Bearing Currents and Their Relationship to PWM Drives. IEEE Trans. Power Electronics. 1997;12;2:243—252.
---
For citation: Tulupov V.D., Sleptsov M.A., Briedis A.A. Ways to Improve the Reliability of Bearings in Traction Induction Machines. Bulletin of MPEI. 2021;2:60—70. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-2-60-70.