De frequentie-omzetter (FO) en de elektromotor vormen een mooi duo wanneer het gaat om efficiënte, regelbare aandrijftechniek bij pompen. Toch is het niet alles goud wat er blinkt. Een FO kan de bedrijfszekerheid van motorlageringen ernstig ondermijnen. Vervroegde motorlagerschade door elektrische stroomdoorgang is een nog vaak onbegrepen problematiek. Het staat bekend onder de naam ‘zwerfstroom’ of ‘commonmode stroom’. Waarom gaat het mis en is er een remedie?
Commonmodespanning
In toepassingen zonder FO wordt een elektromotor direct gevoed vanuit een symmetrisch driefasen draaistroomnet. Commonmodespanning wordt gedefinieerd als de gemiddelde som van de spanning aan de U, V en W klemmen van de motor ten opzichte van een gemeenschappelijk referentiepunt (afb. 2). Voor de hand ligt als referentiepunt het ‘groengeel’ aardpotentiaal te kiezen. Een kenmerk van een symmetrisch, driefasen draaistroomnet is dat op elk moment de commonmodespanning precies nul is. Voor de motor geldt dan dat het momentele spanningsverschil tussen ‘koper’ (de statorwikkeling) en ‘ijzer’ (het motorframe), met daartussen het statorwikkeling isolatiemateriaal op elk moment nul is. In het pre-FO tijdperk was commonmodespanning daarom geen punt van aandacht. Geheel anders werd de situatie met de komst van de FO.
Asymmetrische voeding
Een FO is van nature geen symmetrisch driefasensysteem. Bij een FO-elektromotorcombinatie wordt er door de FO inverter voortdurend een gelijkspanning geschakeld tussen de drie fasewikkelingen van de motor. Dit gebeurt in een heel hoog tempo en wel zodanig dat de motor een quasi symmetrisch ‘draaistroomnet’ met een gewenste frequentie en spanning aangeboden krijgt. Daarmee draait de pomp op het gewenste toerental. Door de asymmetrische aard van dit ‘nieuwe net’ ontstaat er een commonmodespanning ongelijk nul. De commonmodespanning ziet er dan uit zoals afbeelding 1 laat zien (‘zwart’). Gedurende de tijdspanne dat de commonmodespanning een constante waarde heeft, gebeurt er niets bijzonders. Maar elke keer wanneer de FO inverter schakelt, ontstaat er een snelle spanningsvariatie dU/dt over het statorwikkelingisolatiemateriaal. Dit materiaal gedraagt zich bij hoge frequenties als een geleidende condensator. Er loopt kortstondig een hoogfrequent lekstroom i = ∆i van FO naar aarde, ‘paars’ in afbeelding 1. Deze lekstroom heet de commonmodestroom. Deze wordt gemeten door een Rogowsky current clamp te clippen om de drie aders van de kabel (afb. 2). Via allerlei ‘aarde’ wegen en het sterpunt van de nettransformator loopt de lekstroom naar input FO. Zo wordt de commonmode stroomkring gesloten. De heengaande en teruggaande stroom in de kabel tussen FO inverter en motor is niet meer gelijk (afb. 2).
Tot zover gebeurt er eigenlijk nog steeds niets bijzonders. Het statorwikkelingisolatiemateriaal wordt feitelijk voortdurend getest door de FO inverter. Er is evenwel geen sprake van een mogelijk di-elektrisch of thermisch bedrijfszekerheidrisico.
Commonmodespanning en stroom zijn bij gelijkblijvend schakelregiem van de FO onafhankelijk van uitgangsfrequentie, dus ook toerental en elektrisch vermogen.
Asspanning
In de rotor gebeurt echter wél iets bijzonders. Door de heel sterke, magnetische koppeling tussen stator en rotor wordt er tijdens het schakelen van de FO een spanningsverschil geïnduceerd over de aseinden van de rotor: de asspanning. Nu kan er een kritieke situatie ontstaan. In theorie kan er een stroom gaan circuleren door as, motorframe en beide lagers. In theorie circuleert die stroom er niet omdat oliefilm en eventueel geïsoleerd lager dit voorkomen. Echter deze beide componenten kunnen zich voor hoge dU/dt variaties gedragen als een geleidende condensator. Waardoor er toch stroom circuleert door de lagers.
Remedie: commonmodefilter
Een uiterst effectieve, prijsgunstige en onderhoudsvrije remedie is de toepassing van een commonmodefilter bestaande uit enkele ferrietkernen (afb. 4). De common mode stroom piekwaarde en uitslingerfrequentie nemen aanzienlijk af (afb. 3). Dit geldt dan ook voor de geïnduceerde asspanning en uiteindelijk ook voor de circulerende lagerstroom. Waarmee de standtijd van de lagering weer een normaal niveau kan bereiken.
Dit is de laatste bijdrage van Arie Mol in PompNL. Hij gaat nu echt genieten van zijn pensioen.