Meski fenomena konverter frekuensi merusak motor semakin diwaspadai, namun masyarakat masih belum mengetahui mekanisme penyebab fenomena tersebut, apalagi cara pencegahannya.
Kerusakan pada motor disebabkan oleh konverter frekuensi
Kerusakan motor akibat konverter frekuensi meliputi dua aspek yaitu kerusakan belitan stator dan kerusakan bantalan. Kerusakan semacam ini umumnya terjadi dalam beberapa minggu hingga beberapa bulan, dan waktu spesifiknya terkait dengan banyak faktor seperti merek konverter frekuensi, merek motor, daya motor, frekuensi pembawa frekuensi. konverter, panjang kabel antara konverter frekuensi dan motor, dan suhu sekitar. Kerusakan awal yang tidak disengaja pada motor membawa kerugian ekonomi yang sangat besar pada produksi perusahaan.
Kerugian semacam ini bukan hanya biaya perawatan dan penggantian motor, namun yang lebih penting adalah kerugian ekonomi akibat penghentian produksi yang tidak terduga. Oleh karena itu, pada saat menggunakan konverter frekuensi untuk menggerakkan motor, masalah kerusakan motor perlu mendapat perhatian yang cukup.
Perbedaan antara penggerak frekuensi variabel dan penggerak frekuensi saluran
Untuk memahami mekanisme dimana motor AC lebih rentan terhadap kerusakan pada kondisi penggerak frekuensi variabel, pertama-tama perlu dipahami perbedaan antara tegangan motor yang digerakkan oleh penggerak frekuensi variabel dan tegangan motor yang digerakkan oleh frekuensi daya. Kemudian, penting untuk memahami bagaimana perbedaan ini berdampak buruk pada motor.
Struktur dasar konverter frekuensi mencakup dua bagian: rangkaian penyearah dan rangkaian inverter. Rangkaian penyearah merupakan rangkaian keluaran tegangan DC yang terdiri dari dioda biasa dan kapasitor penyaringan. Rangkaian inverter mengubah tegangan DC menjadi bentuk gelombang tegangan termodulasi lebar pulsa (tegangan PWM). Oleh karena itu, bentuk gelombang tegangan yang menggerakkan motor dengan konverter frekuensi adalah bentuk gelombang pulsa dengan lebar pulsa yang bervariasi, bukan bentuk gelombang tegangan sinusoidal. Menggerakan motor dengan tegangan pulsa merupakan penyebab mendasar mengapa motor rentan mengalami kerusakan.
Mekanisme inverter merusak belitan stator motor
Ketika tegangan pulsa disalurkan melalui kabel, jika impedansi kabel tidak sesuai dengan impedansi beban, maka akan terjadi pantulan pada ujung beban. Hasil pemantulan tersebut berupa superposisi gelombang datang dan gelombang pantul sehingga menghasilkan tegangan yang lebih tinggi. Amplitudo tegangan ini dapat mencapai dua kali tegangan bus DC, yaitu kira-kira tiga kali lipat tegangan masukan inverter. Tegangan puncak yang berlebihan yang diterapkan pada kumparan stator motor dapat menyebabkan guncangan tegangan pada kumparan, dan guncangan tegangan lebih yang sering terjadi dapat menyebabkan kegagalan motor prematur.
Umur aktual motor yang digerakkan oleh konverter frekuensi dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk suhu, polusi, getaran, tegangan, frekuensi pembawa, dan proses pembuatan isolasi kumparan.
Semakin tinggi frekuensi pembawa inverter, semakin dekat bentuk gelombang arus keluaran ke gelombang sinus, yang mengurangi suhu pengoperasian motor dan memperpanjang umur insulasi. Namun, frekuensi pembawa yang lebih tinggi berarti lebih banyak tegangan puncak yang dihasilkan per detik dan lebih banyak dampak pada motor. Gambar 4 menunjukkan variasi umur isolasi dengan panjang kabel dan frekuensi pembawa. Untuk kabel sepanjang 200 kaki, ketika frekuensi pembawa meningkat dari 3kHz menjadi 12kHz (perubahan 4 kali lipat), umur isolasi berkurang dari sekitar 80.000 jam menjadi 20.000 jam (perbedaan 4 kali lipat).
Semakin tinggi suhu motor, semakin pendek umur isolasinya. Saat suhu naik hingga 75°C, umur motor hanya 50%. Motor yang digerakkan oleh konverter frekuensi, karena adanya lebih banyak komponen frekuensi tinggi pada tegangan PWM, memiliki temperatur yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan motor yang digerakkan oleh tegangan frekuensi daya.
Mekanisme bagaimana konverter frekuensi merusak bantalan motor
Penyebab rusaknya bantalan motor oleh konverter frekuensi adalah adanya arus yang mengalir melalui bantalan, dan arus ini dalam keadaan tersambung terputus-putus. Sirkuit yang terhubung secara terputus-putus akan menghasilkan busur, yang membakar bantalan.
Ada dua alasan utama arus mengalir melalui bantalan motor komunikasi. Pertama, tegangan induksi yang dihasilkan oleh ketidakseimbangan medan elektromagnetik internal. Kedua, jalur arus frekuensi tinggi yang disebabkan oleh kapasitansi liar.
Medan magnet internal motor induksi komunikasi ideal adalah simetris. Ketika arus belitan tiga fasa sama dan mempunyai beda fasa 120 derajat, tidak ada tegangan yang diinduksi pada poros motor. Namun bila tegangan keluaran PWM dari inverter menyebabkan ketidakseimbangan medan magnet internal motor, maka akan terjadi tegangan induksi pada poros. Besarnya tegangan berkisar antara 10 hingga 30V, tergantung tegangan penggerak. Semakin tinggi tegangan penggerak maka semakin tinggi pula tegangan pada porosnya.
Ketika tegangan melebihi kekuatan isolasi minyak pelumas pada bantalan, maka terbentuklah jalur arus listrik. Selama putaran poros, pada saat tertentu, isolasi minyak pelumas memutus arus. Proses ini mirip dengan proses on-off pada saklar mekanis, yang menghasilkan busur dan membakar permukaan poros, bola, dan mangkuk poros sehingga membentuk kawah. Jika tidak ada getaran luar, kawah kecil tidak akan berdampak signifikan. Namun jika terjadi getaran luar maka akan terbentuk alur-alur yang sangat mempengaruhi pengoperasian motor.
Selain itu, percobaan menunjukkan bahwa tegangan pada poros juga berhubungan dengan frekuensi dasar tegangan keluaran inverter. Semakin rendah frekuensi dasar, semakin tinggi tegangan pada poros, dan semakin parah kerusakan bantalan.
Pada tahap awal pengoperasian motor, ketika temperatur oli pelumas rendah, amplitudo arus antara 5-200mA, arus sekecil itu tidak akan menyebabkan kerusakan pada bantalan. Namun seiring berjalannya motor dalam jangka waktu tertentu dan temperatur oli pelumas meningkat, arus puncak dapat mencapai 5-10A, yang akan menimbulkan busur api dan membentuk lubang-lubang kecil pada permukaan komponen bantalan.
Perlindungan belitan stator motor
Ketika panjang kabel melebihi 30 meter, konverter frekuensi modern pasti akan menghasilkan tegangan puncak di ujung motor, sehingga memperpendek umur motor. Untuk mencegah kerusakan pada motor, ada dua pendekatan: satu adalah dengan menggunakan motor dengan tegangan ketahanan isolasi yang lebih tinggi untuk belitannya (umumnya disebut sebagai motor frekuensi variabel), dan yang lainnya adalah dengan mengambil tindakan untuk mengurangi tegangan puncak. Pendekatan pertama cocok untuk proyek yang baru dibangun, sedangkan pendekatan kedua cocok untuk retrofit motor yang sudah ada.
Saat ini, ada empat metode perlindungan motor yang umum digunakan:
1) Pasang reaktor pada terminal keluaran konverter frekuensi: Tindakan ini umum digunakan, namun perlu dicatat bahwa metode ini mempunyai efek tertentu pada kabel yang lebih pendek (kurang dari 30 meter), namun terkadang efeknya tidak ideal.
2) Pasang filter dv/dt pada output konverter frekuensi: Ukuran ini cocok untuk situasi dimana panjang kabel kurang dari 300 meter. Harganya sedikit lebih tinggi dibandingkan harga reaktor, namun efeknya telah meningkat secara signifikan.
3) Pasang filter gelombang sinusoidal pada keluaran inverter: Ukuran ini adalah yang paling ideal. Karena di sini tegangan pulsa PWM diubah menjadi tegangan gelombang sinusoidal, motor bekerja pada kondisi yang sama dengan tegangan frekuensi daya, dan masalah tegangan puncak teratasi sepenuhnya (walaupun kabelnya panjang, tidak akan ada puncaknya). tegangan).
4) Pasang peredam tegangan lonjakan pada antarmuka antara kabel dan motor: Kelemahan dari tindakan sebelumnya adalah ketika motor memiliki daya yang tinggi, volume dan berat reaktor atau filter besar, dan harganya mahal. Selain itu, reaktor dan filter akan menyebabkan penurunan tegangan tertentu sehingga mempengaruhi torsi keluaran motor. Dengan menggunakan penyerap tegangan lonjakan konverter frekuensi, kelemahan ini dapat diatasi.
