Sebbene si presti sempre più attenzione al fenomeno del danneggiamento del motore da parte del convertitore di frequenza, non è ancora chiaro il meccanismo che causa questo fenomeno, per non parlare di come prevenirlo.
Danni al motore causati dal convertitore di frequenza
Il danno al motore causato dal convertitore di frequenza comprende due aspetti: danno all'avvolgimento dello statore e danno ai cuscinetti. Questo tipo di danno si verifica generalmente nell'arco di poche settimane o diversi mesi e il tempo specifico è legato a molti fattori come la marca del convertitore di frequenza, la marca del motore, la potenza del motore, la frequenza portante del convertitore di frequenza. convertitore di frequenza, la lunghezza del cavo tra il convertitore di frequenza e il motore e la temperatura ambiente. Il danno accidentale precoce al motore comporta enormi perdite economiche per la produzione dell'impresa.
Questo tipo di perdita non riguarda solo il costo di manutenzione e sostituzione del motore, ma, cosa ancora più importante, la perdita economica causata da un'improvvisa interruzione della produzione. Pertanto, quando si utilizza un convertitore di frequenza per azionare il motore, è necessario prestare sufficiente attenzione al problema dei danni al motore.
La differenza tra convertitore di frequenza e convertitore di frequenza di linea
Per comprendere il meccanismo attraverso il quale i motori CA sono più soggetti a danni in condizioni di azionamento a frequenza variabile, è necessario innanzitutto comprendere le differenze tra la tensione dei motori azionati da azionamenti a frequenza variabile e la tensione dei motori azionati dalla frequenza di alimentazione. Quindi, è importante capire come questa differenza influisce negativamente sul motore.
La struttura di base del convertitore di frequenza comprende due parti: il circuito raddrizzatore e il circuito inverter. Il circuito raddrizzatore è un circuito di uscita in tensione CC composto da diodi ordinari e condensatori di filtraggio. Il circuito dell'inverter converte la tensione CC in una forma d'onda di tensione modulata in larghezza di impulso (tensione PWM). Pertanto, la forma d'onda di tensione che aziona il motore con il convertitore di frequenza è una forma d'onda di impulso con larghezza di impulso variabile, non una forma d'onda di tensione sinusoidale. L'azionamento del motore con tensione a impulsi è il motivo fondamentale per cui il motore è soggetto a danni.
Il meccanismo dell'inverter danneggia l'avvolgimento dello statore del motore
Quando la tensione impulsiva viene trasmessa attraverso un cavo, se l'impedenza del cavo non corrisponde all'impedenza del carico, si verificheranno riflessioni all'estremità del carico. Il risultato di queste riflessioni è la sovrapposizione dell'onda incidente e dell'onda riflessa, risultando in una tensione più elevata. L'ampiezza di questa tensione può raggiungere fino al doppio della tensione del bus CC, ovvero circa tre volte la tensione di ingresso dell'inverter. Una tensione di picco eccessiva applicata alle bobine dello statore del motore può causare shock di tensione alle bobine e frequenti shock da sovratensione possono portare a guasti prematuri del motore.
La durata effettiva di un motore azionato da un convertitore di frequenza è influenzata da molti fattori, tra cui temperatura, inquinamento, vibrazioni, tensione, frequenza portante e processo di produzione dell'isolamento della bobina.
Maggiore è la frequenza portante dell'inverter, più la forma d'onda della corrente di uscita si avvicina a un'onda sinusoidale, riducendo la temperatura operativa del motore e prolungando la durata dell'isolamento. Tuttavia, una frequenza portante più elevata significa più tensioni di picco generate al secondo e maggiori impatti sul motore. La Figura 4 mostra la variazione della durata dell'isolamento in base alla lunghezza del cavo e alla frequenza portante. Per un cavo da 200 piedi, quando la frequenza portante aumenta da 3kHz a 12kHz (una variazione di 4 volte), la durata dell'isolamento diminuisce da circa 80.000 ore a 20.000 ore (una differenza di 4 volte).
Maggiore è la temperatura del motore, minore è la durata dell'isolamento. Quando la temperatura sale a 75°C, la durata di vita del motore è solo del 50%. I motori azionati da convertitori di frequenza, a causa della presenza di più componenti ad alta frequenza nella tensione PWM, hanno temperature molto più elevate rispetto ai motori azionati dalla tensione a frequenza industriale.
Il meccanismo con cui il convertitore di frequenza danneggia i cuscinetti del motore
Il motivo del danneggiamento dei cuscinetti del motore da parte del convertitore di frequenza è che attraverso i cuscinetti scorre corrente e questa corrente è in uno stato di collegamento intermittente. Il circuito collegato intermittente genererà un arco che brucerà i cuscinetti.
Ci sono due ragioni principali per cui la corrente scorre attraverso i cuscinetti del motore di comunicazione. Innanzitutto la tensione indotta generata dallo squilibrio del campo elettromagnetico interno. In secondo luogo, il percorso della corrente ad alta frequenza causato dalla capacità parassita.
Il campo magnetico interno del motore a induzione di comunicazione ideale è simmetrico. Quando le correnti degli avvolgimenti trifase sono uguali e hanno una differenza di fase di 120 gradi, sull'albero del motore non verrà indotta alcuna tensione. Tuttavia, quando la tensione PWM in uscita dall'inverter provoca uno squilibrio nel campo magnetico interno del motore, verrà indotta una tensione sull'albero. L'entità della tensione varia da 10 a 30 V, a seconda della tensione di pilotaggio. Maggiore è la tensione di pilotaggio, maggiore è la tensione sull'albero.
Quando la tensione supera la forza di isolamento dell'olio lubrificante nel cuscinetto, si forma un percorso di corrente elettrica. Durante la rotazione dell'albero, ad un certo momento, l'isolamento dell'olio lubrificante interrompe la corrente. Questo processo è simile al processo di accensione/spegnimento di un interruttore meccanico, che genera un arco e brucia la superficie dell'albero, della sfera e della vaschetta dell'albero, formando crateri. Se non c'è vibrazione esterna, i piccoli crateri non avranno un impatto significativo. Tuttavia, in caso di vibrazioni esterne, si formeranno delle scanalature che influiscono notevolmente sul funzionamento del motore.
Inoltre, gli esperimenti hanno dimostrato che la tensione sull'albero è correlata anche alla frequenza fondamentale della tensione di uscita dell'inverter. Più bassa è la frequenza fondamentale, maggiore è la tensione sull'albero e più grave è il danno ai cuscinetti.
Nella fase iniziale del funzionamento del motore, quando la temperatura dell'olio lubrificante è bassa, l'ampiezza della corrente è compresa tra 5 e 200 mA, una corrente così piccola non causerà alcun danno ai cuscinetti. Tuttavia, quando il motore funziona per un certo periodo di tempo e la temperatura dell'olio lubrificante aumenta, la corrente di picco può raggiungere 5-10 A, generando archi elettrici e formando piccole cavità sulla superficie dei componenti del cuscinetto.
Protezione degli avvolgimenti dello statore del motore
Quando la lunghezza del cavo supera i 30 metri, i moderni convertitori di frequenza generano inevitabilmente una tensione di picco all'estremità del motore, accorciando la durata del motore. Per evitare danni al motore, esistono due approcci: il primo consiste nell'utilizzare un motore con una tensione di resistenza all'isolamento più elevata per l'avvolgimento (generalmente indicato come motore a frequenza variabile) e l'altro consiste nell'adottare misure per ridurre la tensione di picco. Il primo approccio è adatto per progetti di nuova costruzione, mentre il secondo approccio è adatto per il retrofit di motori esistenti.
Attualmente esistono quattro metodi comunemente utilizzati per la protezione del motore:
1) Installare una reattanza sul terminale di uscita del convertitore di frequenza: questa misura è comunemente utilizzata, ma va notato che questo metodo ha un certo effetto su cavi più corti (meno di 30 metri), ma a volte l'effetto non è ideale.
2) Installare un filtro du/dt all'uscita del convertitore di frequenza: questa misura è adatta per situazioni in cui la lunghezza del cavo è inferiore a 300 metri. Il prezzo è leggermente superiore a quello di un reattore, ma l'effetto è stato notevolmente migliorato.
3) Installare un filtro ad onda sinusoidale all'uscita dell'inverter: questa misura è la più ideale. Poiché qui la tensione impulsiva PWM viene convertita in una tensione ad onda sinusoidale, il motore funziona nelle stesse condizioni della tensione a frequenza industriale e il problema della tensione di picco è completamente risolto (anche se il cavo è lungo, non si verificherà alcun picco voltaggio).
4) Installare assorbitori di sovratensione all'interfaccia tra il cavo e il motore: gli svantaggi delle misure precedenti sono che quando il motore ha una potenza elevata, il volume e il peso del reattore o del filtro sono grandi, il prezzo è alto. Inoltre, il reattore e il filtro causeranno una certa caduta di tensione, influenzando la coppia di uscita del motore. Utilizzando un assorbitore di sovratensione del convertitore di frequenza, questi inconvenienti possono essere superati.
