In elektrischen Maschinen mit Umrichterspeisung entstehen Lagerströme wegen der auftretenden Gleichtaktspannung und wegen hochfrequenten Ableitströmen. Diese schädigen die Lagersysteme und führen zu vorzeitigen Ausfällen. Dadurch wird die Energieeinsparung, welche durch den Einsatz von Frequenzumrichter erzielt werden kann, geschmälert oder gar zunichte gemacht.
Das Projekt “Zustandsüberwachung von Lagerströmen in elektrischen Maschinen” befasst sich mit denjenigen Lagerstrom-Problemen, welche durch die Umrichterspeisung von elektrischen Maschinen entstehen. Die Schädigung der Lagersysteme sollte dabei durch geeignete Gegenmassnahmen verhindert werden oder durch eine Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) frühzeitig erkannt werden.
Im Rahmen einer Vorstudie konnte festgestellt werden, dass das Thema Lagerströme sehr aktuell ist. Gegenmassnahmen sind zwar insbesondere bei grösseren Maschinen bekannt, die Wirksamkeit der Massnahmen wird aber häufig in Frage gestellt. Auch ist das Wissen bei kleinen Maschinen noch nicht gleich vertieft.
Die Entstehung der Lagerströme und der aktuelle Stand der Technik zur Verringerung oder gar Verhinderung der Lagerströme wurde zusammengefasst. Um die Wirksamkeit der Gegenmassnahmen zu demonstrieren, wurde am Institut für Mechatronische Systeme (IMS) ein Langzeitversuch durchgeführt, bei dem elf baugleiche Motor/Inverter-Systeme kleiner Leistung mit unterschiedlichen Konfigurationen (wie zum Beispiel verschiedene Erdungsarten) betrieben wurden. Dabei wurden Lagerspannungen sowie Vibrationsmuster aufgezeichnet. Die neu entwickelte Bewertung der Lagerstrom-Gefährdung wurde durch Simulationen und durch die Theorie gestützt und zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit der optischen Auswertung der Lager. Der Langzeitversuch hat gezeigt, dass auch kleine Maschinen durch Lagerströme geschädigt werden. Die Erdungsart hat dabei nur bei der Verhinderung von Rotor-Erdströmen einen Einfluss, nicht aber bei den Entladungslagerströmen. Auch konnte gezeigt werden, dass eine Gleichtaktdrossel die Schädigung durch Endladungslagerströme sogar verstärken kann. Durch Erdungsbürstenringe und isolierte Lager können Lagerströme verhindert werden.
Durch den Langzeitversuch wurde auch gezeigt, dass sich die Schädigung durch Lagerströme schon frühzeitig im Vibrationsmuster zeigt. Die Lager können bei ersten Anzeichen von Schädigung noch Wochen weiterbetrieben werden, so dass mit dem angestrebten Condition Monitoring zwar der Schaden am Lager nicht verhindert werden kann, aber es können rechtzeitig Gegenmassnahmen oder das Auswechseln der Lager in die Wege geleitet werden.
Obwohl die Trends in der Varianz des Vibrationssignales sehr gut mit den Gefährdungszahlen und den optischen Auswertungen übereinstimmen, sind für eine frühzeitige Detektion von Lagerströmen weitere Parameter nötig. Für eine frühzeitige und ursachenbezogene Überwachung sollen daher Spektrogramme verwendet werden, wobei der Algorithmus für die Detektion über ein neuronales Netzwerk gewonnen werden soll. Die aus den Feldversuchen und dem Langzeitversuch gewonnen Daten sind jedoch für ein Training des neuronalen Netzwerkes noch zu klein. Aktuell werden mehr Daten beschaffen, ein Update zum aktuellen Condition Monitoring zur ursachenbezogenen Erkennung von Lagerströmen ist für 2019 geplant.
Durch den Einsatz von geeigneten Massnahmen lassen sich Lagerströme verhindern, und durch ein Condition Monitoring kann die (langfristige) Wirksamkeit der Massnahmen überprüft werden. Dem Einsatz von Frequenzumrichtern zur Energieeinsparung stellt sich somit nichts entgegen.
