Přestože je fenoménu frekvenčního měniče poškozujícího motor stále více věnována pozornost, lidé stále nemají jasno v tom, jaký mechanismus tento jev způsobuje, natož jak mu předejít.
Poškození motoru způsobené frekvenčním měničem
Poškození motoru způsobené frekvenčním měničem zahrnuje dva aspekty: poškození vinutí statoru a poškození ložisek. K tomuto druhu poškození obvykle dochází během několika týdnů až několika měsíců a konkrétní čas souvisí s mnoha faktory, jako je značka frekvenčního měniče, značka motoru, výkon motoru, nosná frekvence frekvence. měnič, délka kabelu mezi měničem kmitočtu a motorem a okolní teplota. Předčasné náhodné poškození motoru přináší produkci podniku obrovské ekonomické ztráty.
Tento druh ztráty nepředstavují pouze náklady na údržbu a výměnu motoru, ale co je důležitější, ekonomické ztráty způsobené neočekávaným zastavením výroby. Při použití frekvenčního měniče k pohonu motoru je proto nutné věnovat problematice poškození motoru dostatečnou pozornost.
Rozdíl mezi frekvenčním měničem a frekvenčním měničem
Abychom pochopili mechanismus, kterým jsou střídavé motory náchylnější k poškození za podmínek pohonu s proměnnou frekvencí, je nutné nejprve porozumět rozdílům mezi napětím motorů poháněných pohony s proměnnou frekvencí a napětím motorů poháněných napájecí frekvencí. Pak je důležité pochopit, jak tento rozdíl nepříznivě ovlivňuje motor.
Základní struktura frekvenčního měniče zahrnuje dvě části: obvod usměrňovače a obvod střídače. Obvod usměrňovače je výstupní obvod stejnosměrného napětí složený z obyčejných diod a filtračních kondenzátorů. Obvod invertoru převádí stejnosměrné napětí na pulsně šířkově modulovanou napěťovou křivku (napětí PWM). Proto je napěťový průběh, který pohání motor pomocí frekvenčního měniče, pulzní průběh s různou šířkou pulzu, nikoli sinusový průběh napětí. Pohon motoru pulzním napětím je základním důvodem, proč je motor náchylný k poškození.
Mechanismus měniče poškozující vinutí statoru motoru
Když je pulzní napětí přenášeno kabelem, pokud impedance kabelu neodpovídá impedanci zátěže, dojde na konci zátěže k odrazům. Výsledkem těchto odrazů je superpozice dopadající vlny a odražené vlny, což má za následek vyšší napětí. Amplituda tohoto napětí může dosahovat až dvojnásobku napětí stejnosměrné sběrnice, což je přibližně trojnásobek vstupního napětí střídače. Nadměrné špičkové napětí aplikované na cívky statoru motoru může způsobit napěťové rázy na cívkách a časté přepěťové rázy mohou vést k předčasnému selhání motoru.
Skutečná životnost motoru poháněného frekvenčním měničem je ovlivněna mnoha faktory, včetně teploty, znečištění, vibrací, napětí, nosné frekvence a výrobního procesu izolace cívky.
Čím vyšší je nosná frekvence měniče, tím blíže je průběh výstupního proudu sinusovce, což snižuje provozní teplotu motoru a prodlužuje životnost izolace. Vyšší nosná frekvence však znamená více špičkových napětí generovaných za sekundu a větší dopady na motor. Obrázek 4 ukazuje změnu životnosti izolace s délkou kabelu a nosnou frekvencí. U kabelu o délce 200 stop se při zvýšení nosné frekvence z 3 kHz na 12 kHz (čtyřnásobná změna) životnost izolace sníží z přibližně 80 000 hodin na 20 000 hodin (čtyřnásobný rozdíl).
Čím vyšší je teplota motoru, tím kratší je životnost izolace. Když teplota stoupne na 75 °C, životnost motoru je pouze 50 %. Motory poháněné frekvenčními měniči mají díky přítomnosti více vysokofrekvenčních složek v PWM napětí mnohem vyšší teploty ve srovnání s motory poháněnými napájecím frekvenčním napětím.
Mechanismus, jak frekvenční měnič poškozuje ložiska motoru
Důvodem poškození ložisek motoru frekvenčním měničem je to, že ložisky protéká proud a tento proud je v přerušovaně připojeném stavu. Přerušovaně připojený obvod vytvoří oblouk, který spálí ložiska.
Pro proud procházející ložisky komunikačního motoru existují dva hlavní důvody. Za prvé, indukované napětí generované nerovnováhou vnitřního elektromagnetického pole. Za druhé, vysokofrekvenční proudová cesta způsobená rozptylovou kapacitou.
Vnitřní magnetické pole ideálního komunikačního indukčního motoru je symetrické. Když jsou proudy třífázových vinutí stejné a mají fázový rozdíl 120 stupňů, nebude se na hřídeli motoru indukovat žádné napětí. Když však výstupní napětí PWM z měniče způsobí nerovnováhu ve vnitřním magnetickém poli motoru, na hřídeli se indukuje napětí. Velikost napětí se pohybuje od 10 do 30V v závislosti na hnacím napětí. Čím vyšší je hnací napětí, tím vyšší je napětí na hřídeli.
Když napětí překročí izolační pevnost mazacího oleje v ložisku, vytvoří se dráha elektrického proudu. Během otáčení hřídele v určitém okamžiku izolace mazacího oleje přeruší proud. Tento proces je podobný procesu zapínání a vypínání mechanického spínače, který generuje oblouk a spálí povrch hřídele, koule a misky hřídele, čímž se vytvoří krátery. Pokud nedochází k žádné vnější vibraci, malé krátery nebudou mít významný dopad. Pokud však dojde k externím vibracím, vytvoří se drážky, které značně ovlivňují činnost motoru.
Experimenty navíc ukázaly, že napětí na hřídeli souvisí také se základní frekvencí výstupního napětí měniče. Čím nižší je základní frekvence, tím vyšší je napětí na hřídeli a tím vážnější je poškození ložiska.
V počáteční fázi provozu motoru, kdy je teplota mazacího oleje nízká, je amplituda proudu mezi 5-200 mA, takto malý proud nezpůsobí žádné poškození ložisek. Nicméně, jak motor běží po určitou dobu a teplota mazacího oleje stoupá, může špičkový proud dosáhnout 5-10A, což způsobí jiskření a vytvoří malé důlky na povrchu součástí ložisek.
Ochrana vinutí statoru motoru
Když délka kabelu přesáhne 30 metrů, moderní frekvenční měniče budou nevyhnutelně generovat špičkové napětí na konci motoru, čímž se zkrátí životnost motoru. Aby se zabránilo poškození motoru, existují dva přístupy: jedním je použití motoru s vyšším izolačním odporovým napětím pro vinutí (obecně označovaný jako motor s proměnnou frekvencí) a druhým je přijmout opatření ke snížení špičkového napětí. První přístup je vhodný pro nově budované projekty, zatímco druhý přístup je vhodný pro dovybavení stávajících motorů.
V současné době existují čtyři běžně používané metody ochrany motoru:
1) Na výstupní svorku frekvenčního měniče nainstalujte tlumivku: Toto opatření se běžně používá, ale je třeba poznamenat, že tento způsob má určitý vliv na kratší kabely (méně než 30 metrů), ale někdy účinek není ideální.
2) Nainstalujte dv/dt filtr na výstup frekvenčního měniče: Toto opatření je vhodné pro situace, kdy je délka kabelu menší než 300 metrů. Cena je o něco vyšší než u reaktoru, ale efekt se výrazně zlepšil.
3) Nainstalujte sinusový vlnový filtr na výstup měniče: Toto opatření je nejideálnější. Protože zde se pulzní napětí PWM převádí na napětí sinusové vlny, motor pracuje za stejných podmínek jako napětí napájecí frekvence a problém špičkového napětí je zcela vyřešen (i když je kabel dlouhý, nedojde k žádné špičce Napětí).
4) Nainstalujte tlumiče přepětí na rozhraní mezi kabelem a motorem: Nevýhodou předchozích opatření je, že když má motor vysoký výkon, objem a hmotnost reaktoru nebo filtru jsou velké, cena je vysoká. Kromě toho reaktor a filtr způsobí určitý pokles napětí, který ovlivní výstupní točivý moment motoru. Použitím tlumiče přepětí frekvenčního měniče lze tyto nevýhody překonat.
