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Urbane Mine Europa
Nachdem die erste europaweite Datenbank für Sekundär-Rohstoffe online ging, können erste Rückschlüsse gezogen werden.
Bei Entladungs-Lagerströmen entsteht die Lagerspannung, da die Gleichtaktspannung über verschiedene Kapazitäten zur Erde geleitet wird und entsprechend dem Spannungsteiler auch ein Teil der Gleichtaktspannung über dem Lager abfällt (Abb. 2). Überschreitet diese Lagerspannung einen bestimmten Wert, so bricht das Schmiermittel durch, und es fliesst ein Entladungsstrom. Die Stromstärke dieser Entladungs-Lagerströme ist relativ unabhängig von der Maschinengrösse. Da jedoch die Kontaktfläche und damit die Strom-Durchtrittfläche bei kleinen Maschinen entsprechend kleiner ist, sind die Stromdichten hier viel kritischer. Lagerschäden durch Entladungs-Lagerströme treten somit hauptsächlich bei Maschinen kleiner und mittlerer Leistung bis etwa 20 kW auf. Die Lagerspannung wird dabei für eine gegebene Maschine hauptsächlich durch die Höhe der Gegentaktspannung bestimmt. Bei der Speisung mit einem dreiphasigen Umrichter mit Zwischenkreisspannung 560 V treten mit hoher Wahrscheinlichkeit Entladungs-Lagerströme auf, die das Lager schädigen.
Doch auch grosse Maschinen sind durch Lagerstrom gefährdet. Durch die Umrichter-Speisung entsteht um die Welle ein zirkulärer magnetischer Fluss. Da sich dieser Fluss hochfrequent ändert, führt er zu einer Spannung in der Welle. Es bilden sich somit über den beiden Lagern gegengleiche Spannungen aus. Bei kleinen Maschinen sind diese Lagerspannungen unter anderem aufgrund der kurzen Welle so klein, dass keine schädlichen Lagerströme auftreten. Bei mittleren und grossen Maschinen ab einigen Kilowatt können jedoch die Lagerspannungen so gross werden, dass der Schmierfilm durchbricht und ein zirkulärer Lagerstrom im Kreis «Welle — Lager NDE — Gehäuse — Lager DE — Welle» fliesst. Die Stromdichte der zirkulären Lagerströme nimmt mit der Maschinengrösse tendenziell zu. Die Lagerspannung wird dabei für eine gegebene Maschine hauptsächlich durch die Flankensteilheit der Gegentaktspannung bestimmt.
Eine zusätzliche Gefährdung entsteht bei allen Maschinengrössen bei einer schlechten Erdung des Gehäuses. Wenn die Erdungsimpedanz über die Welle und die Arbeitsmaschine deutlich kleiner ist als über die Gehäuse-Erdung, fliesst ein Teil des Gleichtaktstromes als Rotor-Erdstrom vom Gehäuse über den Weg «Motorlager —Kopplung — Lager der Last» ab und schädigt dabei die Lager. Dieser Lagerstrom-Typ kann bei Maschinen jeglicher Grösse auftreten. Die Lagerspannung wird dabei für eine gegebene Maschine hauptsächlich durch die Flankensteilheit der Gegentaktspannung bestimmt.
Die gängigsten Massnahmen, um Maschinen vor Lagerströmen zu schützen, sind dabei:
– Reduzierung der Gleichtaktspannung durch Filter oder Pulsmuster
– Hybrid- oder Keramiklager: Bei zirkulierenden Lagerströmen reicht ein NDE-Hybrid-Lager, bei den anderen Typen schützen nur zwei Hybrid-Lager
– Kohlebürsten, Wellenerdungsringe: Bei Entladungs-Lagerströmen reicht eine Kohlebürste, bei den anderen Typen schützen nur zwei Bürsten. Bei Rotor-Erdströmen besteht die Gefahr, dass die Lager der Lastmaschine beschädigt werden
– Pulsmuster-Filter, welche die Flankensteilheit (du/dt) reduzieren: Pulsmuster-Filter wirken nicht bei Entladungsströmen
– Gleichtaktdrosseln: Gleichstromdrosseln wirken nicht bei Entladungsströmen
– Sicherstellung einer guten hochfrequenten Gehäuse-Erdung zur Vermeidung von Rotor-Erdströmen, zum Beispiel durch Verwendung geschirmter Kabel
Bei grösseren Maschinen werden die aufgezeigten Massnahmen bereits häufig umgesetzt. Bei kleinen Maschinen jedoch herrscht teilweise Unsicherheit, ob die Massnahmen wirksam sind. Im Rahmen des BFE-Projektes «Zustandsüberwachung von Lagerströmen in elektrischen Maschinen» läuft daher am Institut für Mechatronische Systeme an der ZHAW ein Langzeitversuch, bei dem elf baugleiche Motoren mit Umrichter-Speisung in unterschiedlichen Konfigurationen (z. B. verschiedene Erdungsarten oder Filter) betrieben werden. Zur Laufzeit werden die Wellenspannungen und Vibrationsmuster aufgezeichnet, um das Auftreten der Lagerströme zu dokumentieren. Zudem werden nach mehreren Monaten Dauerbetrieb die Lager der Maschinen untersucht, um die Wirksamkeit der Gegenmassnahmen zu dokumentieren. Damit soll auch für kleine Maschinen der Weg für den sicheren Einsatz von Umrichtern geebnet werden.
zhaw.ch
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