Nástup frekvenčních měničů (VFD) způsobil revoluci v řízení průmyslové automatizace a energetické účinnosti motorů. VFD jsou v průmyslové výrobě prakticky nepostradatelné a dokonce i v každodenním životě se staly nedílnou součástí výtahů a klimatizací s proměnnou-frekvenční frekvencí. VFD pronikly do všech koutů výroby a každodenního života. Přinesly však také bezprecedentní výzvy, přičemž jedním z nejvýznamnějších problémů je poškození motoru.
Mnozí již pozorovali fenomén VFD poškozujících motory. Například výrobce čerpadel nedávno čelil častým zprávám od zákazníků o poruchách čerpadel, ke kterým došlo v záručních lhůtách. Dříve byly produkty tohoto výrobce známé svou spolehlivostí. Vyšetřování odhalilo, že všechna poškozená čerpadla byla poháněna frekvenčním měničem.
Přestože problematika poškození motoru vyvolaného VFD-zaznamenává pozornost, základní mechanismy zůstávají nejasné a preventivní opatření jsou z velké části neznámá. Tento článek si klade za cíl tyto nejistoty řešit.
Poškození motorů způsobené VFD
Poškození motorů VFD se projevuje dvěma primárními způsoby: poškozením vinutí statoru a poškozením ložisek, jak je znázorněno na obrázku 1. K takovému poškození obvykle dochází v časovém rámci od několika týdnů do více než jednoho roku. Konkrétní doba trvání závisí na mnoha faktorech, včetně značky VFD, značky motoru, jmenovitého výkonu motoru, nosné frekvence VFD, délky kabelu mezi VFD a motorem a okolní teploty. Předčasné selhání motoru způsobuje podnikům značné ekonomické ztráty. Tyto ztráty zahrnují nejen náklady na opravy a výměnu, ale co je ještě důležitější, finanční dopad neočekávaných výpadků výroby. Proto při použití VFD k pohonu motorů vyžaduje otázka poškození motoru značnou pozornost.
Rozdíly mezi měničem s proměnnou frekvencí a měničem s lineárním kmitočtem
Abychom pochopili, proč jsou motory s proměnným kmitočtem náchylnější k poškození za podmínek měniče kmitočtu, musíme nejprve pochopit rozdíly mezi napětím dodávaným měničem kmitočtu a napětím kmitočtu sítě. Pak je třeba pochopit, jak tyto rozdíly nepříznivě ovlivňují motor.
Abychom pochopili, proč jsou motory náchylnější k poškození za podmínek pohonu VFD ve srovnání s provozem na -frekvenční síti, musíme nejprve prozkoumat rozdíly mezi napětím dodávaným z VFD a napětím ve -frekvenční síti. Potom musíme pochopit, jak tyto rozdíly negativně ovlivňují motor.
Základní struktura frekvenčního měniče je znázorněna na obrázku 2 a obsahuje dvě hlavní části: obvod usměrňovače a obvod měniče. Obvod usměrňovače tvoří výstupní obvod stejnosměrného napětí pomocí standardních diod a filtračních kondenzátorů. Obvod invertoru převádí toto stejnosměrné napětí na pulsní -šířkově modulovanou napěťovou vlnu (napětí PWM). V důsledku toho je napěťová křivka pohánějící motor z VFD pulsní křivka s různou šířkou pulsu, nikoli sinusová napěťová křivka. Pohon motoru tímto pulzním napětím je základní příčinou poškození motoru.
Mechanismus poškození měniče vinutí statoru motoru
Když se pulsní napětí šíří kabely, neodpovídající impedance mezi kabelem a zátěží způsobuje odrazy na konci zátěže. Tyto odrazy vedou k superpozici dopadajících a odražených vln, což generuje výrazně vyšší napětí. Jejich amplituda může dosáhnout až dvojnásobku napětí stejnosměrné sběrnice-přibližně trojnásobku vstupního napětí měniče-, jak je znázorněno na obrázku 3. Příliš vysoká špička napětí aplikovaná na vinutí statoru motoru způsobují napěťové rázy. Časté přepětí mohou vést k předčasnému selhání motoru.
Skutečná životnost motoru poháněného frekvenčním měničem poté, co byl vystaven napěťovým špičkám, závisí na mnoha faktorech, včetně teploty, znečištění, vibrací, napětí, nosné frekvence a výrobního procesu izolace cívky.
Čím vyšší je nosný kmitočet frekvenčního měniče, tím blíže se průběh výstupního proudu blíží sinusovce. Tím se snižuje provozní teplota motoru, čímž se prodlužuje životnost izolace. Vyšší nosná frekvence však znamená více špičkových napětí generovaných za sekundu, což má za následek častější dopady na motor. Obrázek 4 ukazuje, jak se životnost izolace mění s délkou kabelu a nosnou frekvencí. Graf ukazuje, že u 200stopého kabelu zvýšení nosné frekvence z 3 kHz na 12 kHz (čtyřnásobné zvýšení) snižuje životnost izolace z přibližně 80 000 hodin na 20 000 hodin (čtyřnásobné snížení).
Vliv nosné frekvence na izolaci
Čím vyšší je teplota motoru, tím kratší je životnost izolace. Jak je znázorněno na obrázku 5, když teplota stoupne na 75 stupňů, životnost motoru se zkrátí pouze na 50 %. Motory poháněné frekvenčními měniči (VFD) jsou vystaveny výrazně vyšším teplotám ve srovnání s motory poháněnými frekvenčním napětím ze sítě, a to kvůli PWM napětí obsahujícímu vyšší podíl vysoko-frekvenčních složek.
Mechanismus poškození ložisek motoru měničem frekvence
Příčinou poškození frekvenčního měniče ložisek motoru je tok proudu ložisky, ke kterému dochází v přerušovaně připojeném stavu. Přerušovaně připojené obvody generují oblouky a tyto oblouky spálí ložiska.
Dvě hlavní příčiny indukují tok proudu ložisky střídavého motoru: za prvé, indukované napětí z vnitřní nerovnováhy elektromagnetického pole; druhé, vysokofrekvenční-cesty proudu vytvořené rozptylovou kapacitou.
V ideálním střídavém indukčním motoru je vnitřní magnetické pole symetrické. Když jsou proudy ve třech -fázových vinutích stejné a fázově -posunuty o 120 stupňů, na hřídeli motoru se neindukuje žádné napětí. Když však výstupní napětí PWM z měniče způsobí asymetrii magnetického pole v motoru, na hřídeli se indukuje napětí. Toto napětí se obvykle pohybuje od 10 do 30 V, v závislosti na napětí měniče-vyšší napětí měniče má za následek vyšší napětí na hřídeli. Pokud toto napětí překročí izolační pevnost mazacího oleje v ložisku, vytvoří se elektrická cesta. Jak se hřídel otáčí, izolace mazacího oleje periodicky přerušuje tok proudu. Tento proces připomíná spínací činnost mechanického spínače, generující oblouk, který eroduje povrchy hřídele, kuliček a kroužků ložisek a tvoří důlky. Bez vnějších vibrací způsobí drobné důlky minimální dopad. V kombinaci s vnějšími vibracemi však vytváří drážky, které výrazně zhoršují chod motoru.
Experimenty navíc ukazují, že napětí na hřídeli také souvisí se základní frekvencí výstupního napětí měniče. Čím nižší je základní frekvence, tím vyšší je napětí na hřídeli, což má za následek vážnější poškození ložisek.
Během počáteční provozní fáze, kdy je teplota maziva nízká, se amplitudy proudu pohybují od 5 do 200 mA. Takto nízké proudy nezpůsobují žádné poškození ložisek. Avšak po delším provozu, kdy teplota maziva stoupá, mohou špičkové proudy dosáhnout 5 až 10 A. To vyvolává jiskření a tvoří mikro-jamky na povrchu ložisek.
Ochrana vinutí statoru motoru
Když délky kabelů překročí 30 metrů, moderní frekvenční měniče (VFD) nevyhnutelně generují špičaté napětí na svorkách motoru, což zkracuje životnost motoru. Poškození motoru předcházejí dva přístupy: použití motorů s vyšší odolností proti průrazu izolace vinutí (běžně nazývané motory kompatibilní s VFD-) nebo implementace opatření ke snížení špiček napětí. První je vhodný pro nové projekty, zatímco druhý je ideální pro dovybavení stávajících motorů.
V současné době se používají čtyři běžné metody ochrany motoru:
(1) Instalace tlumivek na výstup měniče: Toto je nejčastěji používaný přístup. Mějte však na paměti, že i když je účinný pro kratší kabely (pod 30 metrů), jeho výkon může být někdy suboptimální, jak je znázorněno na obrázku 6(c).
(2) Instalace dv/dt filtru na výstup střídače: Toto je vhodné pro kabely o délce do 300 metrů. Ačkoli je o něco dražší než reaktory, poskytuje výrazně lepší výsledky, jak je znázorněno na obrázku 6(d).
(3) Instalace sinusového filtru na výstup měniče: Toto je nejideálnější řešení. Převedením pulzního napětí PWM na napětí sinusové vlny motor pracuje za podmínek shodných s podmínkami síťového frekvenčního napětí. Tento přístup zcela řeší problém s vrcholovým napětím (špičkové napětí se nevyskytuje bez ohledu na délku kabelu).
(4) Instalace tlumiče špiček na rozhraní kabelového-motoru: Nevýhodou předchozích opatření je, že tlumivky nebo filtry se stávají objemnými, těžkými a drahými-motory. Navíc jak tlumivky, tak filtry způsobují poklesy napětí, které snižují výstupní moment motoru. Použití invertorového absorbéru špiček napětí překonává tato omezení. Absorbér přepětí SVA vyvinutý Institutem 706 Druhé akademie CASIC využívá pokročilou výkonovou elektroniku a inteligentní řídicí technologii, díky čemuž je ideálním řešením pro prevenci poškození motoru. Kromě toho tlumič přepětí SVA také chrání ložiska motoru.