Bien que le phénomène d'endommagement du moteur par le convertisseur de fréquence retienne de plus en plus l'attention, les gens ne savent toujours pas exactement le mécanisme à l'origine de ce phénomène, et encore moins comment l'empêcher.
Dommages au moteur causés par le variateur de fréquence
Les dommages causés au moteur par le variateur de fréquence comprennent deux aspects : les dommages à l'enroulement du stator et les dommages aux roulements. Ce type de dommage se produit généralement en quelques semaines à plusieurs mois, et le délai spécifique est lié à de nombreux facteurs tels que la marque du variateur de fréquence, la marque du moteur, la puissance du moteur, la fréquence porteuse de la fréquence. convertisseur de fréquence, la longueur du câble entre le variateur de fréquence et le moteur et la température ambiante. Les dommages accidentels précoces causés au moteur entraînent d'énormes pertes économiques pour la production de l'entreprise.
Ce type de perte ne concerne pas seulement le coût de maintenance et de remplacement du moteur, mais, plus important encore, la perte économique causée par un arrêt inattendu de la production. Par conséquent, lors de l’utilisation d’un variateur de fréquence pour entraîner le moteur, il est nécessaire d’accorder suffisamment d’attention au problème des dommages au moteur.
La différence entre un variateur de fréquence et un variateur de fréquence
Pour comprendre le mécanisme par lequel les moteurs à courant alternatif sont plus susceptibles d'être endommagés dans des conditions de variateur de fréquence, il est nécessaire de comprendre d'abord les différences entre la tension des moteurs entraînés par des variateurs de fréquence et la tension des moteurs entraînés par la fréquence industrielle. Ensuite, il est important de comprendre comment cette différence affecte négativement le moteur.
La structure de base du convertisseur de fréquence comprend deux parties : le circuit redresseur et le circuit onduleur. Le circuit redresseur est un circuit de sortie de tension continue composé de diodes ordinaires et de condensateurs de filtrage. Le circuit inverseur convertit la tension continue en une forme d'onde de tension modulée en largeur d'impulsion (tension PWM). Par conséquent, la forme d'onde de tension qui entraîne le moteur avec le convertisseur de fréquence est une forme d'onde d'impulsion avec une largeur d'impulsion variable, et non une forme d'onde de tension sinusoïdale. Faire fonctionner le moteur avec une tension d'impulsion est la raison fondamentale pour laquelle le moteur est sujet aux dommages.
Le mécanisme de l'onduleur endommage l'enroulement du stator du moteur
Lorsque la tension d'impulsion est transmise via un câble, si l'impédance du câble ne correspond pas à l'impédance de la charge, des réflexions se produiront à l'extrémité de la charge. Le résultat de ces réflexions est la superposition de l’onde incidente et de l’onde réfléchie, entraînant une tension plus élevée. L'amplitude de cette tension peut atteindre jusqu'à deux fois la tension du bus DC, soit environ trois fois la tension d'entrée de l'onduleur. Une tension de crête excessive appliquée aux bobines du stator du moteur peut provoquer des chocs de tension dans les bobines, et des chocs de surtension fréquents peuvent entraîner une panne prématurée du moteur.
La durée de vie réelle d'un moteur entraîné par un variateur de fréquence est influencée par de nombreux facteurs, notamment la température, la pollution, les vibrations, la tension, la fréquence porteuse et le processus de fabrication de l'isolation de la bobine.
Plus la fréquence porteuse de l'onduleur est élevée, plus la forme d'onde du courant de sortie est proche d'une onde sinusoïdale, ce qui réduit la température de fonctionnement du moteur et prolonge la durée de vie de l'isolation. Cependant, une fréquence porteuse plus élevée signifie davantage de tensions de crête générées par seconde et davantage d'impacts sur le moteur. La figure 4 montre la variation de la durée de vie de l'isolation en fonction de la longueur du câble et de la fréquence porteuse. Pour un câble de 200 pieds, lorsque la fréquence porteuse augmente de 3 kHz à 12 kHz (un changement de 4 fois), la durée de vie de l'isolation diminue d'environ 80 000 heures à 20 000 heures (une différence de 4 fois).
Plus la température du moteur est élevée, plus la durée de vie de l'isolation est courte. Lorsque la température atteint 75°C, la durée de vie du moteur n'est que de 50 %. Les moteurs entraînés par des convertisseurs de fréquence, en raison de la présence de composants plus haute fréquence dans la tension PWM, ont des températures beaucoup plus élevées que les moteurs entraînés par une tension à fréquence industrielle.
Le mécanisme par lequel le variateur de fréquence endommage les roulements du moteur
La raison pour laquelle les roulements du moteur sont endommagés par le variateur de fréquence est qu'un courant circule à travers les roulements et que ce courant est dans un état de connexion intermittent. Le circuit connecté par intermittence générera un arc qui brûlera les roulements.
Le courant circulant dans les roulements du moteur de communication a deux raisons principales. Premièrement, la tension induite générée par le déséquilibre du champ électromagnétique interne. Deuxièmement, le chemin de courant haute fréquence provoqué par une capacité parasite.
Le champ magnétique interne du moteur à induction de communication idéal est symétrique. Lorsque les courants des enroulements triphasés sont égaux et présentent une différence de phase de 120 degrés, aucune tension ne sera induite sur l'arbre du moteur. Cependant, lorsque la tension PWM émise par l'onduleur provoque un déséquilibre dans le champ magnétique interne du moteur, une tension sera induite sur l'arbre. L'amplitude de la tension varie de 10 à 30 V, en fonction de la tension de commande. Plus la tension de commande est élevée, plus la tension sur l'arbre est élevée.
Lorsque la tension dépasse la force d’isolation de l’huile lubrifiante dans le roulement, un chemin de courant électrique se forme. Lors de la rotation de l'arbre, à un certain moment, l'isolation de l'huile lubrifiante interrompt le courant. Ce processus est similaire au processus marche-arrêt d'un interrupteur mécanique, qui génère un arc et brûle la surface de l'arbre, de la bille et du bol de l'arbre, formant des cratères. S’il n’y a pas de vibration externe, les petits cratères n’auront pas d’impact significatif. Cependant, s’il y a des vibrations externes, des rainures se formeront, ce qui affectera grandement le fonctionnement du moteur.
De plus, des expériences ont montré que la tension sur l'arbre est également liée à la fréquence fondamentale de la tension de sortie de l'onduleur. Plus la fréquence fondamentale est basse, plus la tension sur l'arbre est élevée et plus les dommages aux roulements sont graves.
Dans la phase initiale de fonctionnement du moteur, lorsque la température de l'huile lubrifiante est basse, l'amplitude du courant est comprise entre 5 et 200 mA, un courant aussi faible ne causera aucun dommage aux roulements. Cependant, à mesure que le moteur tourne pendant un certain temps et que la température de l'huile lubrifiante augmente, le courant de pointe peut atteindre 5 à 10 A, ce qui générera des arcs électriques et formera de petits creux sur la surface des composants du roulement.
Lorsque la longueur du câble dépasse 30 mètres, les convertisseurs de fréquence modernes génèrent inévitablement une tension de pointe à l'extrémité du moteur, raccourcissant ainsi la durée de vie du moteur. Pour éviter d'endommager le moteur, il existe deux approches : l'une consiste à utiliser un moteur avec une tension de tenue d'isolement plus élevée pour l'enroulement (généralement appelé moteur à fréquence variable) et l'autre consiste à prendre des mesures pour réduire la tension de crête. La première approche convient aux projets de construction récente, tandis que la seconde approche convient à la modernisation des moteurs existants.
Actuellement, il existe quatre méthodes couramment utilisées pour la protection des moteurs :
1) Installer une self à la borne de sortie du variateur de fréquence : Cette mesure est couramment utilisée, mais il convient de noter que cette méthode a un certain effet sur les câbles plus courts (moins de 30 mètres), mais parfois l'effet n'est pas idéal.
2) Installez un filtre du/dt à la sortie du variateur de fréquence : Cette mesure est adaptée aux situations où la longueur du câble est inférieure à 300 mètres. Le prix est légèrement supérieur à celui d'un réacteur, mais l'effet a été nettement amélioré.
3) Installez un filtre à onde sinusoïdale à la sortie de l'onduleur : Cette mesure est la plus idéale. Parce qu'ici, la tension d'impulsion PWM est convertie en tension d'onde sinusoïdale, le moteur fonctionne dans les mêmes conditions que la tension à fréquence industrielle et le problème de la tension de crête est complètement résolu (même si le câble est long, il n'y aura pas de tension de crête). tension).
4) Installer des absorbeurs de surtensions à l'interface entre le câble et le moteur : Les inconvénients des mesures précédentes sont que lorsque le moteur a une puissance élevée, le volume et le poids du réacteur ou du filtre sont importants, le prix est élevé. De plus, le réacteur et le filtre provoqueront une certaine chute de tension, affectant le couple de sortie du moteur. En utilisant un absorbeur de surtension du convertisseur de fréquence, ces inconvénients peuvent être surmontés.
