Beschädigung des Elektromotors durch den Frequenzumrichter

Obwohl dem Phänomen, dass der Frequenzumrichter den Motor beschädigt, immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt wird, herrscht immer noch Unklarheit über den Mechanismus, der dieses Phänomen verursacht, ganz zu schweigen davon, wie man es verhindern kann.

Schäden am Motor durch den Frequenzumrichter

Die durch den Frequenzumrichter verursachten Schäden am Motor umfassen zwei Aspekte: Schäden an der Statorwicklung und Schäden an den Lagern. Diese Art von Schaden tritt im Allgemeinen innerhalb weniger Wochen bis mehreren Monaten auf, und der spezifische Zeitpunkt hängt von vielen Faktoren ab, wie der Marke des Frequenzumrichters, der Marke des Motors, der Leistung des Motors und der Trägerfrequenz der Frequenz Umrichter, die Kabellänge zwischen Frequenzumrichter und Motor und die Umgebungstemperatur. Der frühe Unfallschaden am Motor führt zu enormen wirtschaftlichen Verlusten für die Produktion des Unternehmens.

Bei dieser Art von Verlust handelt es sich nicht nur um die Kosten für die Wartung und den Austausch des Motors, sondern, was noch wichtiger ist, um den wirtschaftlichen Verlust, der durch einen unerwarteten Produktionsstopp verursacht wird. Daher muss bei der Verwendung eines Frequenzumrichters zum Antrieb des Motors ausreichend auf die Frage einer Motorschädigung geachtet werden.

Der Unterschied zwischen Frequenzumrichter und Netzfrequenzantrieb

Um den Mechanismus zu verstehen, durch den Wechselstrommotoren unter Bedingungen mit Frequenzumrichtern anfälliger für Schäden sind, müssen zunächst die Unterschiede zwischen der Spannung von Motoren, die von Frequenzumrichtern angetrieben werden, und der Spannung von Motoren, die von der Netzfrequenz angetrieben werden, verstanden werden. Dann ist es wichtig zu verstehen, wie sich dieser Unterschied negativ auf den Motor auswirkt.

Der Grundaufbau des Frequenzumrichters besteht aus zwei Teilen: der Gleichrichterschaltung und der Wechselrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung ist eine Gleichspannungs-Ausgangsschaltung, die aus gewöhnlichen Dioden und Filterkondensatoren besteht. Die Wechselrichterschaltung wandelt die Gleichspannung in eine pulsweitenmodulierte Spannungswellenform (PWM-Spannung) um. Daher ist die Spannungswellenform, die den Motor mit dem Frequenzumrichter antreibt, eine Impulswellenform mit variierender Impulsbreite und keine sinusförmige Spannungswellenform. Der Antrieb des Motors mit Impulsspannung ist der Hauptgrund dafür, dass der Motor anfällig für Schäden ist.

Der Mechanismus des Wechselrichters beschädigt die Statorwicklung des Motors

Wenn Impulsspannung über ein Kabel übertragen wird und die Impedanz des Kabels nicht mit der Impedanz der Last übereinstimmt, kommt es am Lastende zu Reflexionen. Das Ergebnis dieser Reflexionen ist die Überlagerung der einfallenden Welle und der reflektierten Welle, was zu einer höheren Spannung führt. Die Amplitude dieser Spannung kann bis zum Doppelten der DC-Busspannung betragen, was etwa dem Dreifachen der Eingangsspannung des Wechselrichters entspricht. Eine zu hohe Spitzenspannung, die an den Spulen des Motorstators anliegt, kann zu Spannungsschlägen an den Spulen führen, und häufige Überspannungsschläge können zu einem vorzeitigen Motorausfall führen.

Die tatsächliche Lebensdauer eines von einem Frequenzumrichter angetriebenen Motors wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Temperatur, Verschmutzung, Vibration, Spannung, Trägerfrequenz und der Herstellungsprozess der Spulenisolierung.

Je höher die Trägerfrequenz des Wechselrichters ist, desto näher kommt die Wellenform des Ausgangsstroms einer Sinuswelle, was die Betriebstemperatur des Motors senkt und die Lebensdauer der Isolierung verlängert. Eine höhere Trägerfrequenz bedeutet jedoch, dass pro Sekunde mehr Spitzenspannungen erzeugt werden und dass der Motor stärker belastet wird. Abbildung 4 zeigt die Variation der Isolationslebensdauer je nach Kabellänge und Trägerfrequenz. Wenn bei einem 200-Fuß-Kabel die Trägerfrequenz von 3 kHz auf 12 kHz ansteigt (eine vierfache Änderung), verringert sich die Lebensdauer der Isolierung von etwa 80.000 Stunden auf 20.000 Stunden (eine vierfache Differenz).

Je höher die Temperatur des Motors ist, desto kürzer ist die Lebensdauer der Isolierung. Bei einem Temperaturanstieg auf 75 °C beträgt die Lebensdauer des Motors nur noch 50 %. Motoren, die mit Frequenzumrichtern betrieben werden, weisen aufgrund des Vorhandenseins von mehr Hochfrequenzkomponenten in der PWM-Spannung viel höhere Temperaturen auf als Motoren, die mit Netzfrequenzspannung betrieben werden.

Der Mechanismus, wie der Frequenzumrichter die Motorlager beschädigt

Der Grund für die Beschädigung der Motorlager durch den Frequenzumrichter liegt darin, dass Strom durch die Lager fließt und dieser Strom sich in einem intermittierenden verbundenen Zustand befindet. Der intermittierend verbundene Stromkreis erzeugt einen Lichtbogen, der die Lager verbrennt.

Es gibt zwei Hauptgründe für den Stromfluss durch die Lager des Kommunikationsmotors. Erstens die induzierte Spannung, die durch das Ungleichgewicht des internen elektromagnetischen Feldes entsteht. Zweitens der Hochfrequenzstrompfad, der durch Streukapazität verursacht wird.

Das interne Magnetfeld des idealen Kommunikationsinduktionsmotors ist symmetrisch. Wenn die Ströme der dreiphasigen Wicklungen gleich sind und einen Phasenunterschied von 120 Grad aufweisen, wird an der Motorwelle keine Spannung induziert. Wenn jedoch die vom Wechselrichter ausgegebene PWM-Spannung ein Ungleichgewicht im internen Magnetfeld des Motors verursacht, wird an der Welle eine Spannung induziert. Die Höhe der Spannung liegt je nach Antriebsspannung zwischen 10 und 30 V. Je höher die Antriebsspannung, desto höher ist die Spannung an der Welle.

Wenn die Spannung die Isolationsfestigkeit des Schmieröls im Lager überschreitet, entsteht ein elektrischer Strompfad. Während der Drehung der Welle unterbricht die Isolierung des Schmieröls zu einem bestimmten Zeitpunkt den Strom. Dieser Vorgang ähnelt dem Ein-Aus-Vorgang eines mechanischen Schalters, der einen Lichtbogen erzeugt und die Oberfläche von Schaft, Kugel und Schafttopf verbrennt, wodurch Krater entstehen. Wenn es keine externen Vibrationen gibt, haben kleine Krater keine nennenswerten Auswirkungen. Bei äußeren Vibrationen bilden sich jedoch Rillen, die den Betrieb des Motors stark beeinträchtigen.

Darüber hinaus haben Experimente gezeigt, dass die Spannung an der Welle auch mit der Grundfrequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters zusammenhängt. Je niedriger die Grundfrequenz ist, desto höher ist die Spannung an der Welle und desto schwerwiegender ist der Lagerschaden.

In der Anfangsphase des Motorbetriebs, wenn die Schmieröltemperatur niedrig ist, liegt die Stromamplitude zwischen 5 und 200 mA. Ein so geringer Strom verursacht keine Schäden an den Lagern. Wenn der Motor jedoch längere Zeit läuft und die Schmieröltemperatur ansteigt, kann der Spitzenstrom 5–10 A erreichen, was zu Lichtbogenbildung und der Bildung kleiner Löcher auf der Oberfläche der Lagerkomponenten führt.

Schutz der Motorstatorwicklungen

Wenn die Kabellänge 30 Meter überschreitet, erzeugen moderne Frequenzumrichter zwangsläufig Spitzenspannungen auf der Motorseite, was die Lebensdauer des Motors verkürzt. Um Schäden am Motor zu verhindern, gibt es zwei Ansätze: Der eine besteht darin, einen Motor mit einer höheren Isolationsfestigkeitsspannung für die Wicklung zu verwenden (im Allgemeinen als Motor mit variabler Frequenz bezeichnet), und der andere darin, Maßnahmen zur Reduzierung der Spitzenspannung zu ergreifen. Der erstere Ansatz eignet sich für Neubauprojekte, während der letztere Ansatz für die Nachrüstung vorhandener Motoren geeignet ist.

Derzeit gibt es vier häufig verwendete Methoden zum Motorschutz:

1) Installieren Sie eine Drossel am Ausgangsanschluss des Frequenzumrichters: Diese Maßnahme wird häufig verwendet. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Methode bei kürzeren Kabeln (weniger als 30 Meter) einen gewissen Effekt hat, der Effekt jedoch manchmal nicht ideal ist.

2) Installieren Sie einen du/dt-Filter am Ausgang des Frequenzumrichters: Diese Maßnahme eignet sich für Situationen, in denen die Kabellänge weniger als 300 Meter beträgt. Der Preis ist etwas höher als der eines Reaktors, die Wirkung wurde jedoch deutlich verbessert.

3) Installieren Sie einen Sinusfilter am Ausgang des Wechselrichters: Diese Maßnahme ist am idealsten. Da hier die PWM-Impulsspannung in eine Sinuswellenspannung umgewandelt wird, arbeitet der Motor unter den gleichen Bedingungen wie die Netzfrequenzspannung und das Problem der Spitzenspannung ist vollständig gelöst (selbst wenn das Kabel lang ist, gibt es keine Spitze). Stromspannung).

4) Installieren Sie Überspannungsableiter an der Schnittstelle zwischen Kabel und Motor: Die Nachteile der vorherigen Maßnahmen bestehen darin, dass bei hoher Motorleistung das Volumen und Gewicht der Drossel oder des Filters groß ist und der Preis hoch ist. Darüber hinaus verursachen die Drossel und der Filter einen gewissen Spannungsabfall, der sich auf das Ausgangsdrehmoment des Motors auswirkt. Durch den Einsatz eines Frequenzumrichter-Überspannungsableiters können diese Nachteile überwunden werden.