נזק למנוע החשמלי על ידי ממיר התדרים

למרות שהתופעה של ממיר תדר הפוגע במנוע מקבלת יותר ויותר תשומת לב, לאנשים עדיין לא ברור מהו המנגנון הגורם לתופעה זו, שלא לדבר על איך למנוע אותה.

נזק למנוע שנגרם על ידי ממיר התדרים

הנזק למנוע שנגרם על ידי ממיר התדר כולל שני היבטים: פגיעה בפיתול הסטטור ופגיעה במיסבים. נזק מסוג זה מתרחש בדרך כלל תוך מספר שבועות עד מספר חודשים, והזמן הספציפי קשור לגורמים רבים כגון המותג של ממיר התדר, מותג המנוע, עוצמת המנוע, תדר הנשא של התדר. ממיר, אורך הכבל בין ממיר התדר למנוע, וטמפרטורת הסביבה. הנזק המקרי המוקדם למנוע מביא הפסדים כלכליים עצומים לייצור המפעל.

סוג זה של אובדן הוא לא רק עלות תחזוקת המנוע והחלפתו, אלא יותר מכך, ההפסד הכלכלי הנגרם מהפסקת ייצור בלתי צפויה. לכן, כאשר משתמשים בממיר תדרים להנעת המנוע, יש צורך להקדיש תשומת לב מספקת לנושא הנזק למנוע.

ההבדל בין כונן תדר משתנה לבין כונן תדר קו

כדי להבין את המנגנון שבאמצעותו מנועי AC נוטים יותר לנזק בתנאי כונן בתדר משתנה, יש צורך להבין תחילה את ההבדלים בין המתח של מנועים המונעים על ידי כוננים בתדר משתנה לבין המתח של מנועים המונעים על ידי תדר ההספק. לאחר מכן, חשוב להבין כיצד ההבדל הזה משפיע לרעה על המנוע.

המבנה הבסיסי של ממיר התדרים כולל שני חלקים: מעגל המיישר ומעגל המהפך. מעגל המיישר הוא מעגל פלט מתח DC המורכב מדיודות רגילות ומקבלי סינון. מעגל המהפך ממיר את מתח DC לצורת גל מתח מאופנן ברוחב פולס (מתח PWM). לכן, צורת גל המתח שמניעה את המנוע עם ממיר התדרים היא צורת גל פעימה עם רוחב פולס משתנה, ולא צורת גל מתח סינוסואידאלית. הנעת המנוע עם מתח דופק היא הסיבה הבסיסית לכך שהמנוע נוטה לנזק.

המנגנון של המהפך פוגע בפיתול הסטטור של המנוע

כאשר מתח דופק מועבר דרך כבל, אם עכבת הכבל אינה תואמת את עכבת העומס, יתרחשו השתקפויות בקצה העומס. התוצאה של השתקפויות אלו היא סופרפוזיציה של הגל הנוצר והגל המוחזר, וכתוצאה מכך מתח גבוה יותר. המשרעת של מתח זה יכולה להגיע עד פי שניים ממתח האוטובוס DC, שהוא בערך פי שלושה ממתח הכניסה של המהפך. מתח שיא מוגזם המופעל על סלילי הסטטור של המנוע עלול לגרום לזעזועים במתח לסלילים, וזעזועים תכופים של מתח יתר עלולים להוביל לכשל מנוע מוקדם מדי.

תוחלת החיים בפועל של מנוע המונע על ידי ממיר תדרים מושפעת מגורמים רבים, כולל טמפרטורה, זיהום, רעידות, מתח, תדר נושא ותהליך הייצור של בידוד סליל.

ככל שתדר הנשא של המהפך גבוה יותר, כך צורת הגל של זרם המוצא קרובה יותר לגל סינוס, מה שמפחית את טמפרטורת הפעולה של המנוע ומאריך את חיי הבידוד. עם זאת, תדר נושא גבוה יותר פירושו יותר מתחי שיא שנוצרים בשנייה והשפעות רבות יותר על המנוע. איור 4 מציג את השונות של חיי הבידוד עם אורך הכבל ותדירות הספק. עבור כבל של 200 רגל, כאשר תדר המוביל עולה מ-3kHz ל-12kHz (שינוי פי 4), חיי הבידוד יורדים מכ-80,000 שעות ל-20,000 שעות (הפרש של פי 4).

ככל שהטמפרטורה של המנוע גבוהה יותר, חיי הבידוד קצרים יותר. כאשר הטמפרטורה עולה ל-75 מעלות צלזיוס, תוחלת החיים של המנוע היא רק 50%. למנועים המונעים על ידי ממירי תדר, בשל נוכחותם של יותר רכיבים בתדר גבוה במתח ה-PWM, יש טמפרטורות גבוהות בהרבה בהשוואה למנועים המונעים על ידי מתח תדר הספק.

המנגנון של האופן שבו ממיר התדרים פוגע במיסבי המנוע

הסיבה לפגיעה במיסבי המנוע על ידי ממיר התדרים היא שזרם זורם דרך המסבים, וזרם זה נמצא במצב מחובר לסירוגין. המעגל המחובר לסירוגין יפיק קשת, אשר שורפת את המסבים.

ישנן שתי סיבות עיקריות לזרם הזורם דרך המיסבים של מנוע התקשורת. ראשית, המתח המושרה שנוצר מחוסר האיזון של השדה האלקטרומגנטי הפנימי. שנית, נתיב הזרם בתדר גבוה הנגרם על ידי קיבול תועה.

השדה המגנטי הפנימי של מנוע אינדוקציית התקשורת האידיאלי הוא סימטרי. כאשר הזרמים של הפיתולים התלת פאזיים שווים ובעלי הפרש פאזה של 120 מעלות, לא יושרה מתח על ציר המנוע. עם זאת, כאשר פלט מתח PWM מהמהפך גורם לחוסר איזון בשדה המגנטי הפנימי של המנוע, יושרה מתח על הציר. גודל המתח נע בין 10 ל-30V, תלוי במתח ההנעה. ככל שמתח ההנעה גבוה יותר, כך המתח על הפיר גבוה יותר.

כאשר המתח עולה על חוזק הבידוד של שמן הסיכה במיסב, נוצר נתיב זרם חשמלי. במהלך סיבוב הפיר, ברגע מסוים, הבידוד של שמן הסיכה קוטע את הזרם. תהליך זה דומה לתהליך הדלקה-כיבוי של מתג מכני, שיוצר קשת ושורף את פני הפיר, הכדור וקערת הפיר, ויוצרים מכתשים. אם אין רטט חיצוני, למכתשים קטנים לא תהיה השפעה משמעותית. עם זאת, אם יש רטט חיצוני, יווצרו חריצים שמשפיעים מאוד על פעולת המנוע.

בנוסף, ניסויים הראו שהמתח על הפיר קשור גם לתדר הבסיסי של מתח המוצא של המהפך. ככל שהתדר הבסיסי נמוך יותר, כך המתח על הציר גבוה יותר, ונזק המיסבים חמור יותר.

בשלב הראשוני של פעולת המנוע, כאשר טמפרטורת שמן הסיכה נמוכה, משרעת הזרם היא בין 5-200mA, זרם כה קטן לא יגרום נזק למיסבים. עם זאת, כאשר המנוע פועל במשך תקופה מסוימת וטמפרטורת שמן הסיכה עולה, שיא הזרם יכול להגיע ל-5-10A, דבר שייצור קשתות ויצור בורות קטנים על פני השטח של רכיבי המיסבים.

הגנה על פיתולי סטטור מנוע

כאשר אורך הכבל עולה על 30 מטר, ממירי תדר מודרניים ייצרו בהכרח מתח שיא בקצה המנוע, ויקצרו את אורך חיי המנוע. כדי למנוע נזק למנוע, ישנן שתי גישות: האחת היא להשתמש במנוע עם מתח עמידות בידוד גבוה יותר עבור הפיתול (המכונה בדרך כלל מנוע בתדר משתנה), והשנייה היא לנקוט באמצעים להפחתת מתח שיא. הגישה הראשונה מתאימה לפרויקטים שנבנו לאחרונה, בעוד שהגישה השנייה מתאימה לחידוש מנועים קיימים.

נכון לעכשיו, ישנן ארבע שיטות נפוצות להגנה על מנוע:

1) התקנת כור במסוף המוצא של ממיר התדרים: אמצעי זה נפוץ, אך יש לציין כי לשיטה זו יש השפעה מסוימת על כבלים קצרים יותר (פחות מ-30 מטר), אך לעיתים ההשפעה אינה אידיאלית.

2) התקן מסנן dv/dt ביציאה של ממיר התדרים: מידה זו מתאימה למצבים בהם אורך הכבל קטן מ-300 מטר. המחיר מעט גבוה מזה של כור, אבל ההשפעה שופרה משמעותית.

3) התקן מסנן גל סינוסואידי במוצא המהפך: מדד זה הוא האידיאלי ביותר. מכיוון שכאן מתח הפולס PWM מומר למתח גל סינוסואידי, המנוע פועל באותם תנאים כמו מתח תדר ההספק, ובעיית מתח שיא נפתרת לחלוטין (גם אם הכבל ארוך, לא יהיה שיא מתח).

4) התקנת בולמי מתח נחשול בממשק שבין הכבל למנוע: החסרונות של האמצעים הקודמים הם שכאשר למנוע יש הספק גבוה, הנפח והמשקל של הכור או המסנן גדולים, המחיר גבוה. בנוסף, הכור והמסנן יגרמו לירידת מתח מסוימת, המשפיעה על מומנט המוצא של המנוע. על ידי שימוש בבולם מתח נחשולי ממיר תדר, ניתן להתגבר על החסרונות הללו.