مقدمه
موتورهای القایی یکی از پرکاربردترین تجهیزات در صنایع مختلف هستند که به دلیل ویژگی‌های مثبت خود مانند ساختار ساده، هزینه کم، و کارایی بالا، در سیستم‌های مختلف از جمله سیستم‌های کنترل سرعت استفاده می‌شوند. در بسیاری از کاربردها، این موتورها با استفاده از اینورترهای سه‌فاز تغذیه می‌شوند تا امکان کنترل سرعت و گشتاور موتور فراهم شود. اما تغذیه موتورهای القایی با اینورتر سه فاز منجر به بروز مشکلات جدیدی می‌شود که یکی از مهم‌ترین آن‌ها، پدیده جریان بلبرینگ (Bearing Current Phenomenon) است. این پدیده می‌تواند موجب تخریب و سایش بلبرینگ‌ها شود و عمر مفید موتور را کاهش دهد.
بلبرینگ در موتورهای القایی
جریان بلبرینگ: ماهیت و دلایل بروز
جریان بلبرینگ به جریانی گفته می‌شود که از طریق بلبرینگ‌های موتور عبور می‌کند. این جریان‌ها معمولاً به دلیل وجود ولتاژهای ناخواسته در دو طرف بلبرینگ ایجاد می‌شوند. در سیستم‌های تغذیه شده با اینورتر، به دلیل استفاده از کلیدزنی با فرکانس بالا و تولید هارمونیک‌های ولتاژ، شرایط برای شکل‌گیری این ولتاژها و در نتیجه جریان‌های بلبرینگ فراهم می‌شود. در ادامه دلایل اصلی این پدیده را بررسی می‌کنیم:
- اثر کلیدزنی با فرکانس بالا در اینورترها: اینورترهای سه‌فاز با کلیدزنی سریع (به کمک تکنولوژی‌هایی مانند IGBT) برای تولید ولتاژ و فرکانس متغیر کار می‌کنند. این کلیدزنی‌ها باعث ایجاد نوسانات فرکانس بالا در سیستم می‌شود که می‌تواند در مدارهای نزدیک به بلبرینگ نفوذ کند و باعث ایجاد جریان در بلبرینگ‌ها شود.
- ولتاژ محور (Shaft Voltage): یکی از عوامل اصلی در ایجاد جریان بلبرینگ، اختلاف ولتاژ بین شفت موتور و بدنه است. ولتاژ محور به دلیل نامتعادلی الکتریکی و مغناطیسی در موتور ایجاد می‌شود و می‌تواند از طریق بلبرینگ‌ها تخلیه شود و جریان الکتریکی ایجاد کند.
- اثر خازنی بلبرینگ: بلبرینگ‌ها به دلیل ساختار مکانیکی خود به عنوان یک خازن عمل می‌کنند. این خاصیت خازنی، مخصوصاً در سرعت‌های بالا و هنگامی که موتور با اینورتر تغذیه می‌شود، منجر به شارژ و تخلیه پیوسته ولتاژ روی بلبرینگ‌ها می‌شود که در نهایت باعث ایجاد جریان‌های گذرا می‌گردد.
اثرات مخرب جریان بلبرینگ
جریان‌های الکتریکی عبوری از بلبرینگ‌ها باعث ایجاد گرما و سایش مکانیکی می‌شوند که می‌تواند به مرور زمان باعث آسیب‌های جدی شود. اثرات اصلی این پدیده عبارت‌اند از:
- سایش الکتریکی و مکانیکی بلبرینگ‌ها: عبور جریان از بلبرینگ‌ها باعث تولید جرقه‌های الکتریکی می‌شود که موجب ایجاد خوردگی و حفره‌های میکروسکوپی روی سطح بلبرینگ‌ها می‌شود. این فرآیند به مرور زمان به تخریب بلبرینگ منجر خواهد شد.
- گرمایش بیش از حد: جریان‌های الکتریکی باعث افزایش دما در بلبرینگ‌ها می‌شوند که به تدریج می‌تواند باعث نرم شدن روانکارها و در نهایت خرابی مکانیکی بلبرینگ شود.
- کاهش عمر بلبرینگ و موتور: با توجه به سایش و گرمایش ناشی از جریان‌های بلبرینگ، عمر مفید بلبرینگ‌ها به شدت کاهش می‌یابد که این موضوع می‌تواند منجر به توقف‌های ناگهانی در سیستم و افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری شود.
بلبرینگ در موتورهای القایی
روش‌های کاهش جریان بلبرینگ
برای کاهش و جلوگیری از پدیده جریان بلبرینگ در موتورهای القایی تغذیه شده با اینورتر سه فاز، راهکارهای مختلفی پیشنهاد شده است:
- استفاده از بلبرینگ‌های عایق‌دار (Insulated Bearings): بلبرینگ‌های عایق‌دار به گونه‌ای طراحی شده‌اند که اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهند و از تخریب بلبرینگ جلوگیری می‌کنند.
- استفاده از فیلترهای EMI: فیلترهای الکترومغناطیسی (EMI) می‌توانند فرکانس‌های بالای ناخواسته ناشی از کلیدزنی اینورتر را کاهش دهند و در نتیجه ولتاژهای ناخواسته در بلبرینگ‌ها را به حداقل برسانند.
- استفاده از حلقه‌های زمین محور (Shaft Grounding Rings): این حلقه‌ها جریان‌های الکتریکی ناخواسته را از محور موتور به زمین هدایت می‌کنند و از عبور جریان از طریق بلبرینگ‌ها جلوگیری می‌کنند.
- بهبود طراحی اینورتر و موتور: اینورترها و موتورهایی که به صورت ویژه برای کاربردهای حساس به جریان بلبرینگ طراحی شده‌اند، دارای ویژگی‌هایی مانند فرکانس‌های کلیدزنی بهینه و کاهش نوسانات فرکانس بالا هستند.
نتیجه‌گیری
جریان بلبرینگ در موتورهای القایی تغذیه شده با اینورتر سه فاز یکی از مشکلات مهم است که می‌تواند به کاهش عمر بلبرینگ‌ها و توقف ناگهانی سیستم‌ها منجر شود. این پدیده به دلیل وجود ولتاژهای ناخواسته و فرکانس‌های بالا در سیستم ایجاد می‌شود، اما با استفاده از راهکارهای مختلف مانند بلبرینگ‌های عایق‌دار، فیلترهای EMI و حلقه‌های زمین، می‌توان این جریان‌ها را کاهش داد و عمر مفید موتور و بلبرینگ‌ها را افزایش داد. انتخاب صحیح اینورتر و موتور نیز نقش مهمی در کاهش این پدیده دارد.
