Fremkomsten av frekvensomformere (VFD) har revolusjonert industriell automasjonskontroll og motorenergieffektivitet. VFD-er er praktisk talt uunnværlige i industriell produksjon, og selv i dagliglivet har de blitt integrerte komponenter i heiser og klimaanlegg med variabel-frekvens. VFD-er har gjennomsyret hvert hjørne av produksjonen og dagliglivet. Imidlertid har de også introdusert enestående utfordringer, med motorskade som en av de mest fremtredende problemene.
Mange har allerede observert fenomenet med VFD-er som skader motorer. For eksempel har en pumpeprodusent nylig møtt hyppige rapporter fra kunder om pumpefeil som oppstår innenfor garantiperioder. Tidligere var denne produsentens produkter kjent for deres pålitelighet. Undersøkelser viste at alle de skadede pumpene ble drevet av frekvensomformere.
Selv om problemet med VFD-indusert motorskade får oppmerksomhet, er de underliggende mekanismene fortsatt uklare, og forebyggende tiltak er stort sett ukjente. Denne artikkelen tar sikte på å adressere disse usikkerhetene.
Skade på motorer forårsaket av VFD-er
Skader på motorer fra VFD-er manifesterer seg på to primære måter: skade på statorviklingen og lagerskade, som illustrert i figur 1. Slike skader oppstår vanligvis innenfor en tidsramme som varierer fra flere uker til over et år. Den spesifikke varigheten avhenger av en rekke faktorer, inkludert VFD-merke, motormerke, motoreffekt, VFD-bærefrekvens, kabellengde mellom VFD og motor og omgivelsestemperatur. For tidlig motorsvikt påfører bedrifter betydelige økonomiske tap. Disse tapene omfatter ikke bare reparasjons- og erstatningskostnader, men, mer kritisk, den økonomiske konsekvensen av uventet produksjonsstans. Derfor, når du bruker VFD-er for å drive motorer, krever spørsmålet om motorskade betydelig oppmerksomhet.
Forskjeller mellom variabel frekvensomformer og linjefrekvensomformer
For å forstå hvorfor linjefrekvensmotorer er mer utsatt for skade under forhold med variabel frekvens, må man først forstå forskjellene mellom spenningen som leveres av en variabel frekvensomformer og linjefrekvensspenning. Deretter må man forstå hvordan disse forskjellene påvirker motoren negativt.
For å forstå hvorfor motorer er mer utsatt for skade under VFD-driftsforhold sammenlignet med linje-frekvensdrift, må vi først undersøke forskjellene mellom spenningen som leveres av en VFD og linje-frekvensspenning. Vi må da forstå hvordan disse forskjellene påvirker motoren negativt.
Den grunnleggende strukturen til en omformer med variabel frekvens er vist i figur 2, som omfatter to hovedseksjoner: likeretterkretsen og omformerkretsen. Likeretterkretsen danner en likespenningsutgangskrets ved bruk av standarddioder og filterkondensatorer. Inverterkretsen konverterer denne likespenningen til en puls-breddemodulert spenningsbølgeform (PWM-spenning). Følgelig er spenningsbølgeformen som driver motoren fra VFD en pulsbølgeform med varierende pulsbredde, ikke en sinusformet spenningsbølgeform. Å drive motoren med denne pulserende spenningen er den grunnleggende årsaken til motorskade.
Mekanisme for inverterskade på motorstatorviklinger
Når pulsspenninger forplanter seg gjennom kabler, forårsaker mistilpasset impedans mellom kabelen og lasten refleksjoner ved lastenden. Disse refleksjonene resulterer i superposisjon av innfallende og reflekterte bølger, og genererer betydelig høyere spenninger. Amplituden deres kan nå opp til det dobbelte av DC-bussspenningen-omtrent tre ganger vekselretterens inngangsspenning-som illustrert i figur 3. For høye piggspenninger som påføres motorens statorviklinger forårsaker spenningsstøt. Hyppige overspenningsstøt kan føre til for tidlig motorsvikt.
Den faktiske levetiden til en motor drevet av en variabel frekvensomformer etter å ha blitt utsatt for spenningsspiker avhenger av en rekke faktorer, inkludert temperatur, forurensning, vibrasjon, spenning, bærefrekvens og produksjonsprosessen til spoleisolasjonen.
Jo høyere bærefrekvensen til frekvensomformeren er, jo nærmere utgangsstrømmens bølgeform nærmer seg en sinusbølge. Dette reduserer motorens driftstemperatur, og forlenger dermed isolasjonens levetid. Imidlertid betyr en høyere bærefrekvens flere piggspenninger generert per sekund, noe som resulterer i hyppigere støt på motoren. Figur 4 illustrerer hvordan isolasjonens levetid varierer med kabellengde og bærefrekvens. Grafen indikerer at for en 200-fots kabel reduserer en økning av bærefrekvensen fra 3 kHz til 12 kHz (en firedobling) isolasjonslevetiden fra omtrent 80 000 timer til 20 000 timer (en firedobling).
Effekt av bærefrekvens på isolasjon
Jo høyere motortemperatur, jo kortere isolasjonslevetid. Som vist i figur 5, når temperaturen stiger til 75 grader, reduseres motorens levetid til bare 50 %. Motorer drevet av frekvensomformere (VFD) opplever betydelig høyere temperaturer sammenlignet med de som drives av nettfrekvensspenning, på grunn av PWM-spenningen som inneholder en høyere andel høyfrekvente komponenter.
Mekanisme for skade på motorlager med variabel frekvens
Årsaken til skade på motorlagre med variabel frekvensdrift er strømmen av strøm gjennom lagrene, som oppstår i en periodisk tilkoblet tilstand. Intermitterende tilkoblede kretser genererer lysbuer, og disse lysbuene brenner ut lagrene.
To primære årsaker induserer strømflyt gjennom AC-motorlagre: For det første indusert spenning fra intern elektromagnetisk feltubalanse; andre høyfrekvente-strømbaner skapt av strøkapasitans.
I en ideell AC-induksjonsmotor er det interne magnetfeltet symmetrisk. Når strømmene i de tre-faseviklingene er like og fase-forskyves med 120 grader, induseres ingen spenning på motorakselen. Men når PWM-spenningen fra omformeren forårsaker magnetfeltasymmetri i motoren, induseres spenning på akselen. Denne spenningen varierer vanligvis fra 10 til 30V, avhengig av drivspenningen-, gir høyere drivspenning høyere akselspenning. Hvis denne spenningen overstiger isolasjonsstyrken til smøreoljen i lageret, dannes en elektrisk bane. Når akselen roterer, avbryter smøreoljens isolasjon med jevne mellomrom strømmen. Denne prosessen ligner koblingshandlingen til en mekanisk bryter, og genererer buedannelse som eroderer overflatene til akselen, kulene og lagerbanene, og danner groper. Uten ytre vibrasjoner forårsaker mindre gropdannelse minimal påvirkning. Men når det kombineres med ytre vibrasjoner, skaper det spor som vesentlig svekker motordriften.
I tillegg indikerer eksperimenter at spenningen på akselen også er relatert til den grunnleggende frekvensen til omformerens utgangsspenning. Jo lavere grunnfrekvensen er, desto høyere er spenningen på akselen, noe som resulterer i mer alvorlig lagerskade.
Under den første driftsfasen når smøremiddeltemperaturen er lav, varierer strømamplitudene fra 5 til 200 mA. Slike lave strømmer forårsaker ingen lagerskade. Etter langvarig drift, ettersom smøremiddeltemperaturen stiger, kan toppstrømmer nå 5 til 10 A. Dette induserer buedannelse og danner mikro-groper på lageroverflater.
Beskytter motorens statorviklinger
Når kabellengder overstiger 30 meter, genererer moderne frekvensomformere (VFD) uunngåelig spikespenninger ved motorterminalene, noe som forkorter motorens levetid. To tilnærminger forhindrer motorskade: bruk av motorer med høyere viklingsisolasjonsnedbrytningsstyrke (ofte kalt VFD-kompatible motorer) eller implementering av tiltak for å redusere spikespenninger. Førstnevnte er egnet for nye prosjekter, mens sistnevnte er ideell for ettermontering av eksisterende motorer.
For tiden brukes fire vanlige motorbeskyttelsesmetoder:
(1) Installering av reaktorer ved inverterutgangen: Dette er den mest brukte metoden. Vær imidlertid oppmerksom på at selv om den er effektiv for kortere kabler (under 30 meter), kan ytelsen noen ganger være suboptimal, som vist i figur 6(c).
(2) Installering av et dv/dt-filter ved inverterutgangen: Dette er egnet for kabellengder under 300 meter. Selv om det er litt dyrere enn reaktorer, gir det betydelig forbedrede resultater, som vist i figur 6(d).
(3) Installere et sinusbølgefilter ved omformerutgangen: Dette er den mest ideelle løsningen. Ved å konvertere PWM-pulsspenningen til en sinusbølgespenning, fungerer motoren under forhold som er identiske med linjefrekvensspenningen. Denne tilnærmingen løser spikespenningsproblemet fullstendig (spikespenninger vil ikke oppstå uavhengig av kabellengde).
(4) Installere en spikespenningsabsorber ved kabel-motorgrensesnittet: Ulempene med de tidligere tiltakene er at reaktorer eller filtre blir klumpete, tunge og kostbare for motorer med høy-effekt. I tillegg forårsaker både reaktorer og filtre spenningsfall som reduserer motorens utgangsmoment. Bruk av en inverter spike spenningsabsorber overvinner disse begrensningene. SVA-overspenningsdemperen utviklet av 706 Institute of the Second Academy of CASIC bruker avansert kraftelektronikk og intelligent kontrollteknologi, noe som gjør den til en ideell løsning for å forhindre motorskade. I tillegg beskytter SVA overspenningsdemper også motorlagrene.