Daños al motor eléctrico por el convertidor de frecuencia.

Aunque se presta cada vez más atención al fenómeno del convertidor de frecuencia que daña el motor, la gente todavía no tiene claro el mecanismo que causa este fenómeno, y mucho menos cómo prevenirlo.

Daños al motor causados ​​por el convertidor de frecuencia.

El daño al motor causado por el convertidor de frecuencia incluye dos aspectos: daño al devanado del estator y daño a los cojinetes. Este tipo de daño generalmente ocurre dentro de unas pocas semanas a varios meses, y el tiempo específico está relacionado con muchos factores como la marca del convertidor de frecuencia, la marca del motor, la potencia del motor, la frecuencia portadora de la frecuencia. convertidor de frecuencia, la longitud del cable entre el convertidor de frecuencia y el motor y la temperatura ambiente. Los daños accidentales prematuros al motor provocan enormes pérdidas económicas a la producción de la empresa.

Este tipo de pérdida no es sólo el costo de mantenimiento y reemplazo del motor, sino más importante aún, la pérdida económica causada por una parada inesperada de la producción. Por lo tanto, cuando se utiliza un convertidor de frecuencia para accionar el motor, es necesario prestar suficiente atención al problema del daño del motor.

La diferencia entre el variador de frecuencia y el variador de frecuencia de línea.

Para comprender el mecanismo por el cual los motores de CA son más propensos a sufrir daños en condiciones de variador de frecuencia, es necesario comprender primero las diferencias entre el voltaje de los motores impulsados ​​por variadores de frecuencia y el voltaje de los motores impulsados ​​por la frecuencia industrial. Entonces, es importante entender cómo esta diferencia afecta negativamente al motor.

La estructura básica del convertidor de frecuencia incluye dos partes: el circuito rectificador y el circuito inversor. El circuito rectificador es un circuito de salida de voltaje CC compuesto por diodos ordinarios y condensadores de filtrado. El circuito inversor convierte el voltaje de CC en una forma de onda de voltaje modulada por ancho de pulso (voltaje PWM). Por lo tanto, la forma de onda de voltaje que acciona el motor con el convertidor de frecuencia es una forma de onda de pulso con ancho de pulso variable, no una forma de onda de voltaje sinusoidal. Conducir el motor con voltaje de pulso es la razón fundamental por la cual el motor es propenso a dañarse.

El mecanismo del inversor daña el devanado del estator del motor.

Cuando se transmite voltaje de pulso a través de un cable, si la impedancia del cable no coincide con la impedancia de la carga, se producirán reflexiones en el extremo de la carga. El resultado de estas reflexiones es la superposición de la onda incidente y la onda reflejada, dando como resultado un voltaje más alto. La amplitud de este voltaje puede alcanzar hasta el doble del voltaje del bus de CC, que es aproximadamente tres veces el voltaje de entrada del inversor. Un voltaje pico excesivo aplicado a las bobinas del estator del motor puede provocar descargas de voltaje en las bobinas, y las descargas de sobretensión frecuentes pueden provocar fallas prematuras del motor.

La vida útil real de un motor impulsado por un convertidor de frecuencia está influenciada por muchos factores, incluida la temperatura, la contaminación, la vibración, el voltaje, la frecuencia portadora y el proceso de fabricación del aislamiento de la bobina.

Cuanto mayor sea la frecuencia portadora del inversor, más cercana estará la forma de onda de la corriente de salida a una onda sinusoidal, lo que reduce la temperatura de funcionamiento del motor y prolonga la vida útil del aislamiento. Sin embargo, una frecuencia portadora más alta significa que se generan más voltajes máximos por segundo y más impactos en el motor. La Figura 4 muestra la variación de la vida útil del aislamiento con la longitud del cable y la frecuencia portadora. Para un cable de 200 pies, cuando la frecuencia portadora aumenta de 3 kHz a 12 kHz (un cambio de 4 veces), la vida útil del aislamiento disminuye de aproximadamente 80 000 horas a 20 000 horas (una diferencia de 4 veces).

Cuanto mayor sea la temperatura del motor, más corta será la vida útil del aislamiento. Cuando la temperatura sube a 75°C, la vida útil del motor es sólo del 50%. Los motores accionados por convertidores de frecuencia, debido a la presencia de más componentes de alta frecuencia en el voltaje PWM, tienen temperaturas mucho más altas en comparación con los motores accionados por voltaje de frecuencia industrial.

El mecanismo por el cual el convertidor de frecuencia daña los cojinetes del motor.

El motivo del daño a los cojinetes del motor causado por el convertidor de frecuencia es que hay corriente que fluye a través de los cojinetes y esta corriente está en un estado de conexión intermitente. El circuito conectado intermitentemente generará un arco que quemará los rodamientos.

Hay dos razones principales por las que la corriente fluye a través de los cojinetes del motor de comunicación. Primero, el voltaje inducido generado por el desequilibrio del campo electromagnético interno. En segundo lugar, la trayectoria de la corriente de alta frecuencia causada por la capacitancia parásita.

El campo magnético interno del motor de inducción de comunicación ideal es simétrico. Cuando las corrientes de los devanados trifásicos son iguales y tienen una diferencia de fase de 120 grados, no se inducirá voltaje en el eje del motor. Sin embargo, cuando la salida de voltaje PWM del inversor provoca un desequilibrio en el campo magnético interno del motor, se inducirá un voltaje en el eje. La magnitud del voltaje varía de 10 a 30 V, dependiendo del voltaje de conducción. Cuanto mayor sea el voltaje de accionamiento, mayor será el voltaje en el eje.

Cuando el voltaje excede la resistencia del aislamiento del aceite lubricante en el rodamiento, se forma una ruta de corriente eléctrica. Durante la rotación del eje, en un momento determinado, el aislamiento del aceite lubricante interrumpe la corriente. Este proceso es similar al proceso de encendido y apagado de un interruptor mecánico, que genera un arco y quema la superficie del eje, la bola y la taza del eje, formando cráteres. Si no hay vibraciones externas, los pequeños cráteres no tendrán un impacto significativo. Sin embargo, si hay vibración externa, se formarán ranuras, lo que afecta en gran medida el funcionamiento del motor.

Además, los experimentos han demostrado que la tensión en el eje también está relacionada con la frecuencia fundamental de la tensión de salida del inversor. Cuanto menor sea la frecuencia fundamental, mayor será el voltaje en el eje y más grave será el daño al rodamiento.

En la etapa inicial de funcionamiento del motor, cuando la temperatura del aceite lubricante es baja, la amplitud de la corriente está entre 5 y 200 mA; una corriente tan pequeña no causará ningún daño a los cojinetes. Sin embargo, a medida que el motor funciona durante un período de tiempo y la temperatura del aceite lubricante aumenta, la corriente máxima puede alcanzar 5-10 A, lo que generará arcos y formará pequeños hoyos en la superficie de los componentes del rodamiento.

Protección de los devanados del estator del motor.

Cuando la longitud del cable supera los 30 metros, los convertidores de frecuencia modernos inevitablemente generarán un voltaje máximo en el extremo del motor, acortando la vida útil del motor. Para evitar daños al motor, existen dos enfoques: uno es utilizar un motor con una tensión soportada de aislamiento más alta para el devanado (generalmente denominado motor de frecuencia variable) y el otro es tomar medidas para reducir el voltaje máximo. El primer enfoque es adecuado para proyectos de nueva construcción, mientras que el segundo enfoque es adecuado para modernizar motores existentes.

Actualmente, existen cuatro métodos comúnmente utilizados para la protección de motores:

1) Instalar un reactor en el terminal de salida del convertidor de frecuencia: Esta medida se usa comúnmente, pero cabe señalar que este método tiene cierto efecto en cables más cortos (menos de 30 metros), pero a veces el efecto no es el ideal.

2) Instalar un filtro duv/dt a la salida del convertidor de frecuencia: Esta medida es adecuada para situaciones donde la longitud del cable es inferior a 300 metros. El precio es ligeramente superior al de un reactor, pero el efecto ha mejorado significativamente.

3) Instalar un filtro de onda sinusoidal a la salida del inversor: Esta medida es la más ideal. Porque aquí, el voltaje del pulso PWM se convierte en un voltaje de onda sinusoidal, el motor funciona en las mismas condiciones que el voltaje de frecuencia industrial y el problema del voltaje máximo se resuelve por completo (incluso si el cable es largo, no habrá pico Voltaje).

4) Instalar amortiguadores de sobretensión en la interfaz entre el cable y el motor: Los inconvenientes de las medidas anteriores son que cuando el motor tiene una potencia elevada, el volumen y peso del reactor o filtro es grande, el precio es elevado. Además, el reactor y el filtro provocarán una cierta caída de voltaje, lo que afectará el par de salida del motor. Estos inconvenientes se pueden superar utilizando un amortiguador de sobretensión del convertidor de frecuencia.