Αν και δίνεται ολοένα και μεγαλύτερη προσοχή στο φαινόμενο του μετατροπέα συχνότητας που καταστρέφει τον κινητήρα, οι άνθρωποι εξακολουθούν να είναι ασαφείς σχετικά με τον μηχανισμό που προκαλεί αυτό το φαινόμενο, πόσο μάλλον πώς να το αποτρέψουν.
Ζημιά στον κινητήρα που προκαλείται από τον μετατροπέα συχνότητας
Η ζημιά στον κινητήρα που προκαλείται από τον μετατροπέα συχνότητας περιλαμβάνει δύο πτυχές: ζημιά στην περιέλιξη του στάτη και ζημιά στα ρουλεμάν. Αυτό το είδος βλάβης συμβαίνει γενικά μέσα σε λίγες εβδομάδες έως αρκετούς μήνες και ο συγκεκριμένος χρόνος σχετίζεται με πολλούς παράγοντες όπως η μάρκα του μετατροπέα συχνότητας, η μάρκα του κινητήρα, η ισχύς του κινητήρα, η συχνότητα φορέα της συχνότητας μετατροπέα, το μήκος του καλωδίου μεταξύ του μετατροπέα συχνότητας και του κινητήρα και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η πρόωρη τυχαία βλάβη στον κινητήρα επιφέρει τεράστιες οικονομικές απώλειες στην παραγωγή της επιχείρησης.
Αυτό το είδος απώλειας δεν είναι μόνο το κόστος συντήρησης και αντικατάστασης του κινητήρα, αλλά το πιο σημαντικό, η οικονομική απώλεια που προκαλείται από απροσδόκητη διακοπή παραγωγής. Επομένως, όταν χρησιμοποιείτε μετατροπέα συχνότητας για την οδήγηση του κινητήρα, είναι απαραίτητο να δίνετε επαρκή προσοχή στο θέμα της ζημιάς του κινητήρα.
Η διαφορά μεταξύ κίνησης μεταβλητής συχνότητας και μετάδοσης συχνότητας γραμμής
Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό με τον οποίο οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος είναι πιο επιρρεπείς σε ζημιά κάτω από συνθήκες μεταβλητής συχνότητας κίνησης, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πρώτα τις διαφορές μεταξύ της τάσης των κινητήρων που οδηγούνται από κινητήρες μεταβλητής συχνότητας και της τάσης των κινητήρων που κινούνται από τη συχνότητα ισχύος. Στη συνέχεια, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς αυτή η διαφορά επηρεάζει αρνητικά τον κινητήρα.
Η βασική δομή του μετατροπέα συχνότητας περιλαμβάνει δύο μέρη: το κύκλωμα ανορθωτή και το κύκλωμα μετατροπέα. Το κύκλωμα ανορθωτή είναι ένα κύκλωμα εξόδου συνεχούς τάσης που αποτελείται από συνηθισμένες διόδους και πυκνωτές φιλτραρίσματος. Το κύκλωμα μετατροπέα μετατρέπει την τάση συνεχούς ρεύματος σε μια κυματομορφή τάσης διαμορφωμένης με πλάτος παλμού (τάση PWM). Επομένως, η κυματομορφή τάσης που οδηγεί τον κινητήρα με τον μετατροπέα συχνότητας είναι μια κυματομορφή παλμού με ποικίλο πλάτος παλμού, όχι μια ημιτονοειδής κυματομορφή τάσης. Η οδήγηση του κινητήρα με παλμική τάση είναι ο βασικός λόγος για τον οποίο ο κινητήρας είναι επιρρεπής σε ζημιά.
Ο μηχανισμός του μετατροπέα καταστρέφει την περιέλιξη του στάτορα του κινητήρα
Όταν η παλμική τάση μεταδίδεται μέσω ενός καλωδίου, εάν η σύνθετη αντίσταση του καλωδίου δεν ταιριάζει με την σύνθετη αντίσταση του φορτίου, θα εμφανιστούν αντανακλάσεις στο άκρο του φορτίου. Το αποτέλεσμα αυτών των ανακλάσεων είναι η υπέρθεση του προσπίπτοντος κύματος και του ανακλώμενου κύματος, με αποτέλεσμα υψηλότερη τάση. Το πλάτος αυτής της τάσης μπορεί να φτάσει έως και το διπλάσιο της τάσης διαύλου συνεχούς ρεύματος, η οποία είναι περίπου τριπλάσια από την τάση εισόδου του μετατροπέα. Η υπερβολική τάση αιχμής που εφαρμόζεται στα πηνία του στάτη του κινητήρα μπορεί να προκαλέσει κραδασμούς τάσης στα πηνία και οι συχνές κρούσεις υπέρτασης μπορεί να οδηγήσουν σε πρόωρη βλάβη του κινητήρα.
Η πραγματική διάρκεια ζωής ενός κινητήρα που κινείται από έναν μετατροπέα συχνότητας επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας, της ρύπανσης, των κραδασμών, της τάσης, της συχνότητας φορέα και της διαδικασίας κατασκευής της μόνωσης του πηνίου.
Όσο μεγαλύτερη είναι η φέρουσα συχνότητα του μετατροπέα, τόσο πιο κοντά είναι η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου σε ένα ημιτονοειδές κύμα, το οποίο μειώνει τη θερμοκρασία λειτουργίας του κινητήρα και παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης. Ωστόσο, μια υψηλότερη συχνότητα φορέα σημαίνει περισσότερες τάσεις αιχμής που παράγονται ανά δευτερόλεπτο και περισσότερες επιπτώσεις στον κινητήρα. Το σχήμα 4 δείχνει τη διακύμανση της διάρκειας ζωής της μόνωσης με το μήκος του καλωδίου και τη συχνότητα φορέα. Για ένα καλώδιο 200 ποδιών, όταν η συχνότητα φορέα αυξάνεται από 3 kHz σε 12 kHz (4 φορές αλλαγή), η διάρκεια ζωής της μόνωσης μειώνεται από περίπου 80.000 ώρες σε 20.000 ώρες (4 φορές διαφορά).
Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του κινητήρα, τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής της μόνωσης. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει στους 75°C, η διάρκεια ζωής του κινητήρα είναι μόνο 50%. Οι κινητήρες που κινούνται από μετατροπείς συχνότητας, λόγω της παρουσίας περισσότερων εξαρτημάτων υψηλής συχνότητας στην τάση PWM, έχουν πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τους κινητήρες που κινούνται από την τάση συχνότητας ισχύος.
Ο μηχανισμός του πώς ο μετατροπέας συχνότητας βλάπτει τα ρουλεμάν του κινητήρα
Ο λόγος για τη ζημιά στα ρουλεμάν του κινητήρα από τον μετατροπέα συχνότητας είναι ότι υπάρχει ρεύμα που ρέει μέσα από τα ρουλεμάν και αυτό το ρεύμα βρίσκεται σε διακοπτόμενη συνδεδεμένη κατάσταση. Το διακοπτόμενο συνδεδεμένο κύκλωμα θα δημιουργήσει ένα τόξο, το οποίο καίει τα ρουλεμάν.
Υπάρχουν δύο κύριοι λόγοι για τους οποίους το ρεύμα διαρρέει τα ρουλεμάν του κινητήρα επικοινωνίας. Πρώτον, η επαγόμενη τάση που δημιουργείται από την ανισορροπία του εσωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Δεύτερον, η διαδρομή ρεύματος υψηλής συχνότητας που προκαλείται από την αδέσποτη χωρητικότητα.
Το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο του ιδανικού επαγωγικού κινητήρα επικοινωνίας είναι συμμετρικό. Όταν τα ρεύματα των τριφασικών περιελίξεων είναι ίσα και έχουν διαφορά φάσης 120 μοιρών, δεν θα προκληθεί τάση στον άξονα του κινητήρα. Ωστόσο, όταν η έξοδος τάσης PWM από τον μετατροπέα προκαλεί ανισορροπία στο εσωτερικό μαγνητικό πεδίο του κινητήρα, θα προκληθεί τάση στον άξονα. Το μέγεθος της τάσης κυμαίνεται από 10 έως 30 V, ανάλογα με την τάση οδήγησης. Όσο υψηλότερη είναι η τάση οδήγησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στον άξονα.
Όταν η τάση υπερβαίνει την αντοχή μόνωσης του λιπαντικού λαδιού στο ρουλεμάν, σχηματίζεται μια διαδρομή ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά την περιστροφή του άξονα, κάποια στιγμή, η μόνωση του λιπαντικού διακόπτει το ρεύμα. Αυτή η διαδικασία είναι παρόμοια με τη διαδικασία on-off ενός μηχανικού διακόπτη, ο οποίος δημιουργεί ένα τόξο και καίει την επιφάνεια του άξονα, της σφαίρας και της λεκάνης του άξονα, σχηματίζοντας κρατήρες. Εάν δεν υπάρχει εξωτερική δόνηση, οι μικροί κρατήρες δεν θα έχουν σημαντική επίδραση. Ωστόσο, εάν υπάρχει εξωτερικός κραδασμός, θα δημιουργηθούν αυλακώσεις, οι οποίες επηρεάζουν πολύ τη λειτουργία του κινητήρα.
Επιπλέον, πειράματα έδειξαν ότι η τάση στον άξονα σχετίζεται επίσης με τη θεμελιώδη συχνότητα της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Όσο χαμηλότερη είναι η θεμελιώδης συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στον άξονα και τόσο πιο σοβαρή είναι η ζημιά στο ρουλεμάν.
Στο αρχικό στάδιο της λειτουργίας του κινητήρα, όταν η θερμοκρασία του λιπαντικού λαδιού είναι χαμηλή, το πλάτος του ρεύματος είναι μεταξύ 5-200 mA, ένα τόσο μικρό ρεύμα δεν θα προκαλέσει καμία ζημιά στα ρουλεμάν. Ωστόσο, καθώς ο κινητήρας λειτουργεί για ένα χρονικό διάστημα και η θερμοκρασία του λιπαντικού λαδιού αυξάνεται, το ρεύμα αιχμής μπορεί να φτάσει τα 5-10A, το οποίο θα δημιουργήσει τόξο και θα σχηματίσει μικρά κοιλώματα στην επιφάνεια των εξαρτημάτων του ρουλεμάν.
Όταν το μήκος του καλωδίου υπερβαίνει τα 30 μέτρα, οι σύγχρονοι μετατροπείς συχνότητας θα παράγουν αναπόφευκτα μέγιστη τάση στο άκρο του κινητήρα, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Για να αποφευχθεί η ζημιά στον κινητήρα, υπάρχουν δύο προσεγγίσεις: η μία είναι η χρήση κινητήρα με υψηλότερη τάση αντοχής μόνωσης για την περιέλιξη (γενικά αναφέρεται ως κινητήρας μεταβλητής συχνότητας) και η άλλη είναι η λήψη μέτρων για τη μείωση της τάσης αιχμής. Η πρώτη προσέγγιση είναι κατάλληλη για πρόσφατα κατασκευασμένα έργα, ενώ η δεύτερη προσέγγιση είναι κατάλληλη για την εκ των υστέρων τοποθέτηση υφιστάμενων κινητήρων.
Επί του παρόντος, υπάρχουν τέσσερις ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για την προστασία του κινητήρα:
1) Εγκαταστήστε έναν αντιδραστήρα στο τερματικό εξόδου του μετατροπέα συχνότητας: Αυτό το μέτρο χρησιμοποιείται συνήθως, αλλά πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η μέθοδος έχει κάποια επίδραση σε μικρότερα καλώδια (λιγότερα από 30 μέτρα), αλλά μερικές φορές το αποτέλεσμα δεν είναι ιδανικό.
2) Εγκαταστήστε ένα φίλτρο dv/dt στην έξοδο του μετατροπέα συχνότητας: Αυτό το μέτρο είναι κατάλληλο για περιπτώσεις όπου το μήκος του καλωδίου είναι μικρότερο από 300 μέτρα. Η τιμή είναι ελαφρώς υψηλότερη από αυτή ενός αντιδραστήρα, αλλά το αποτέλεσμα έχει βελτιωθεί σημαντικά.
3) Εγκαταστήστε ένα φίλτρο ημιτονοειδών κυμάτων στην έξοδο του μετατροπέα: Αυτό το μέτρο είναι το ιδανικότερο. Επειδή εδώ, η τάση παλμού PWM μετατρέπεται σε τάση ημιτονοειδούς κύματος, ο κινητήρας λειτουργεί υπό τις ίδιες συνθήκες με την τάση συχνότητας ισχύος και το πρόβλημα της τάσης αιχμής λύνεται πλήρως (ακόμα και αν το καλώδιο είναι μακρύ, δεν θα υπάρχει αιχμή Τάση).
4) Εγκαταστήστε απορροφητές υπέρτασης στη διεπαφή μεταξύ του καλωδίου και του κινητήρα: Τα μειονεκτήματα των προηγούμενων μέτρων είναι ότι όταν ο κινητήρας έχει υψηλή ισχύ, ο όγκος και το βάρος του αντιδραστήρα ή του φίλτρου είναι μεγάλα, η τιμή είναι υψηλή. Επιπλέον, ο αντιδραστήρας και το φίλτρο θα προκαλέσουν μια ορισμένη πτώση τάσης, επηρεάζοντας τη ροπή εξόδου του κινητήρα. Με τη χρήση ενός απορροφητή τάσης υπέρτασης μετατροπέα συχνότητας, αυτά τα μειονεκτήματα μπορούν να ξεπεραστούν.
Μετάβαση στο περιεχόμενο 
