Bearing Currents in Induction Motor Drives

Prądy łożyskowe w układach napędowych z silnikami indukcyjnym

dr hab. inż. Jarosław GUZIŃSKi, mgr inż. Krzysztof ŁUKSZA

Abstract

The paper presents problems appearing in electrical drive systems with induction motors supplied from voltage inverters. Attention was drawn to the increasing number of motor faults in converter drives. The causes resulting from the nature of the converter power supply are indicated. The main attention was paid to the bearing current, which is responsible for the majority of machine faults. Types of bearing currents are presented as well as an introduction to explaining the physical phenomena. The methods of protecting motors against bearing currents were listed. An exemplary solution of the zero-component flter is presented.

Streszczenie

W pracy przedstawiono problemy występujące w układach napędowych z silnikami indukcyjnymi zasilanymi z falownika napięcia. Zwrócono uwagę na rosnącą liczbę uszkodzeń silników w napędach przekształtnikowych. Wskazano przyczyny wynikające z charakteru zasilania przekształtnikowego silnika. Główną uwagę poświęcono prądowi łożyskowemu, który odpowiada za większość awarii maszyn. Przedstawiono rodzaje prądów łożyskowych, wyjaśniając fzykę zjawisk. Wymieniono sposoby ochrony silników przed oddziaływaniem prądów łożyskowych. Zaprezentowano przykładowe rozwiązanie fltru składowej zerowej.

Keywords

voltage inverter, induction motor, bearing current, common mode flter

Słowa kluczowe

falownik napięcia, silnik indukcyjny, prąd łożyskowy, fltr składowej zerowej

Rys. / Fig.

Bibliografia / Bilbiography

[1] H. Abu-Rub, A.Iqbal, J. Guzinski: "High Performance Control of AC Drives with Matlab / Simulink Models". Wiley, 2012.
[2] J. Guzinski, H. Abu-Rub, P. Strankowski: "Variable Speed AC Drives with Inverter Output Filters," John Wiley & Sons (2015). [3] I. Palma, P. Enjeti: "An inverter output filter to mitigate dv/dt effects in PWM drive systems," Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC’02, 10-14 marzec 2002, Dallas (Teksas), USA.
[4] E. Musiał: "Zabezpieczanie silników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości". Biuletyn SEP INPE „Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2004, nr 59-60, s. 3-35.
[5] A. Muetze, “Bearing currents in inverter-fed AC motors,” Ph.D. dissertation, Darmstadt Univ. Technol., Aachen, Germany, 2004.
[6] J.M. Erdman, R.J. Kerkman, D.W. Schlegel, G.L. Skibinski: "Effect of PWM v inverters on AC motor bearing currents and shaft voltages", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No 2, March/April 1996, pp. 250-259.
[7] J. Guzinski: "Układy napędowe z silnikami indukcyjnymi i filtrami wyjściowymi falowników napięcia. Zagadnienia wybrane". Seria Monografie nr 115, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2011. [8] David E. Steen, "Motor shaft grounding can enhance reliability in your inverter-fed motor", Control Engineering, 20 September 2013
[9] P.J. Tavner: "Review of condition monitoring of rotating electrical machines", IET Electric Power Applications, Vol. 2, No. 4, July 2008.
[10] S. Manoharan, N. Devarajan, S.M. Deivasahayam, G. Ranganathan: „Review on efficiency improvement in squirrel cage induction motor by using dcr technology”, Journal of Electrical Engineering, vol. 60, no. 4, 2009.
[11] C.T. Kowalski: "Diagnostyka układów napędowych z silnikiem indukcyjnym z zastosowaniem metod sztucznej inteligencji," Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
[12] J. Guziński: "Zastosowanie dławika składowej zerowej w falownikowym napędzie silnika indukcyjnego". Miesięcznik techniczno - informacyjny Napędy i Sterowanie. Nr 3 - Marzec 2011.
[13] J. Guziński: "Narażenia napięciowe silników indukcyjnych zasilanych z falowników napięcia". Miesięcznik techniczno - informacyjny Napędy i Sterowanie. Nr 1 - Styczeń 2013.
[14] J. Guzinski, P. Strankowski: "Sterowanie falownikami napięcia ograniczające prądy łożyskowe". Miesięcznik techniczno - informacyjny Napędy i Sterowanie. Nr 2 - Luty 2014.
[15] A. Muetze, A. Binder: "Calculation of influence of insulated bearings and insulated inner bearing seats on circulating bearing currents in machines of inverter-based drive systems", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 42 , No 4, July/August 2006.
[16] A. Muetze, A. Binder: "High frequency stator ground currents of inverter-fed squirrel-cage induction motors up to 500 kW", 10th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE’03, 2–4 September 2003, Toulouse, France.
[17] A. Muetze, A. Binder: "Practical rules for assessment of inverter-induced bearing currents in inverter-fed ac motors up to 500 kW", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54 , No 3, June 2007, pp. 1614–1622.
[18] A. Binder, A. Muetze: "Scaling effects of inverter-induced bearing currents in AC machines", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 44, No. 3, May/June 2008.
[19] Xuejiao Ren, Ruifang Liu, Erle Yang, "Modelling of the Bearing Breakdown Resistance in Bearing Currents Problem of AC Motors", Energies, No. 12, 2019, doi:10.3390/en12061121.
[20] D. Busse, J. Erdman, R. Kerkman, D. Schlegel, G. Skibinski: "Characteristics of shaft voltage and bearing currents", IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 3, No 6, November/December 1997, pp. 21-31.
[21] A. Muetze, A. Binder: "Don’t lose Your bearings. Mitigation techniques for bearing currents in inverter-supplied drive systems". IEEE Industry Applications magazine, Vol. 12, No 4, July/August 2006, pp. 22-31.
[22] Z. Krzemień: "Praca łożysk tocznych przy rozruchu oraz przy niewielkich prędkościach obrotowych silnika indukcyjnego", Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, BOBRME Komel, nr 74/2006.
[23] B. Drak, P. Zientek: "Wpływ prądów łożyskowych na uszkodzenia łożysk tocznych silników indukcyjnych dużej mocy." Napędy i Sterowanie, nr 12, grudzień 2007.
[24] P.I. Nippes, E.S. Galano: "Understanding shaft voltage and grounding currents of turbine generators". 2005.
[25] T. Plazenet, T. Boileau, C. Caironi, B. Nahid-Mobarakeh: "An Overview of Shaft Voltages and Bearing Currents in Rotating Machines," IEEE Industry Applications Society Annual Meeting IAS 2016, 2-6 October 2016, Portland, USA.
[26] D. Macdonald: "A practical guide to understanding bearing damage related to PWM drives, Pulp and Paper Industry", PPIC, Annual Technical Conference - PPIC , 1998, pp. 159-165.
[27] AEGIS: "Bearing protection handbook. Electro Static Technology", An ITW Company, Edition 3, 2019.
[28] S. Ogasawara, H. Akagi: "Modeling and damping of high-frequency leakage currents in PWM inverter-fed ac motor drive systems". IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 22, No. 5, September/October 1996.
[29] H. Akagi, H. Hasegawa, T. Doumoto: "Design and performance of a passive EMI filter for use with a voltage-source PWM inverter having sinusoidal output voltage and zero common-mode voltage". IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, No. 4, July 2004.
[30] J. Guziński, Z. Krzemiński: "Filtr wyjściowy falownika napięcia". Miesięcznik techniczno-informacyjny „Napędy i Sterowanie” nr 4 (75), kwiecień 2005.
[31] Sun Y, Esmaeli A., Sun L.: "A new method to mitigate the adverse effects of PWM inverter". 1st IEEE Conference on Industrial Electronic and Applications, ICIEA’06, 24–26 maja 2006, Singapur.
[32] M. Łukiewski: "Dławiki silnikowe", Napędy i Sterowania, 4/2001.
[33] J. Zitselsberger, W. Hofmann: "Reduction of bearing currents by using asymmetric space-vector-based switching patterns, European Conference on Power Electronics and Applications", EPE’03, 2–4 September 2003, Toulouse, France.
[34] J. Zitzelsberger, W. Hofmann: "Reduction of bearing currents in inverter fed drive applications by using sequentially positioned pulse modulation," EPE Journal, Vol. 14, No. 4, November 2004.
[35] E. Ün, A.M. Hava:“Performance analysis and comparison of reduced common mode voltage PWM and standard PWM techniques for three-phase voltage source inverters,” 21st Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC'06, 19-23 March 2006, Dallas, USA.
[36] MAGNETEC: COOL BLUE® – Tape wound cores. Dostępny w Internecie: http://www.coolbluecore.com/magnetec.htm.
[37] D.F. Busse, J.M. Erdman, R.J. Kerkman, D.W. Schlegel, G.L. Skibinski: "An evaluation of the electrostatic shielded induction motor: a solution for rotor shaft voltage buildup and bearing current", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, No. 6, November/December 1997.
[38] Sine wave filter solutions for motor drive applications. Application note. Schaffner, 2012.
[39] Bearing currents in modern AC drives. Technical guide No. 5. ABB, 2011.
[40] Wang Xu, Huang Kaizheng, Xu Bin: "A New Inverter Output Passive Filter Topology for PWM Motor Drives". The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments ICEMI’2007, August 16-18, 2007, Xian, China.
[41] J. Guziński, P. Strankowski: "Pięciofazowy zintegrowany filtr sinusoidalny i składowej wspólnej falownika napięcia". Patent RP, nr 226485, Politechnika Gdańska, Gdańsk,.2014