L'emergere dei convertitori di frequenza ha portato innovazione nel controllo dell'automazione industriale e nel risparmio energetico dei motori.
La produzione industriale è quasi inseparabile dagli inverter e anche nella vita di tutti i giorni gli ascensori e i condizionatori inverter sono diventati una parte indispensabile del processo e gli inverter hanno iniziato a penetrare in tutti gli angoli della produzione e della vita.
Tuttavia, gli inverter hanno portato con sé anche molti problemi senza precedenti, di cui i danni ai motori elettrici sono uno dei fenomeni più tipici.
Molte persone hanno già scoperto il fenomeno dei danni degli inverter ai motori.
Ad esempio, negli ultimi due anni i clienti di una fabbrica di pompe dell'acqua hanno spesso riferito che le pompe erano danneggiate durante il periodo di garanzia.
In passato, tuttavia, questa fabbrica di pompe si era rivelata molto affidabile in termini di qualità del prodotto. Dopo l'indagine, si è scoperto che queste pompe danneggiate erano azionate da convertitori di frequenza.
Sebbene il fenomeno dei danni ai motori da parte degli inverter sia una preoccupazione crescente, i meccanismi che lo causano non sono ancora chiari, tanto meno come prevenirlo.
Lo scopo di condividere questo articolo è affrontare queste confusioni.
Danni ai motori elettrici causati dai convertitori di frequenza
I danni al motore elettrico causati dall'inverter comprendono due aspetti, danni agli avvolgimenti del motore e danni ai cuscinetti del motore.
Questo è mostrato nel diagramma seguente:
Questo danno generalmente avviene nell'arco di poche settimane fino a una dozzina di mesi, il tempo specifico è legato alla marca dell'inverter, alla marca del motore elettrico, alla potenza dei motori elettrici, alla frequenza portante dell'inverter, alla lunghezza del cavo tra l’inverter ed i motori elettrici, la temperatura ambiente e molti altri fattori.
Danni precoci e inaspettati ai motori elettrici comportano enormi perdite economiche per la produzione dell'azienda.
Questa perdita non rappresenta solo il costo di riparazione e sostituzione del motore, ma anche la perdita economica causata da interruzioni impreviste della produzione.
Pertanto, quando si utilizzano motori azionati da inverter, è necessario prestare sufficiente attenzione al problema dei danni al motore.
Differenza tra azionamento inverter e azionamenti industriali a frequenza variabile
È importante comprendere il meccanismo attraverso il quale è più probabile che un motore a frequenza industriale venga danneggiato in condizioni azionate da inverter con apparecchiature azionate.
Per prima cosa capire come la tensione alla quale l'inverter pilota il motore differisce dalla tensione I.F. tensioni dell'albero.
Quindi comprendi come questa differenza ha un effetto negativo sul motore.
La costruzione di base di un inverter è mostrata nella Figura 2 ed è composta da due parti: il circuito raddrizzatore e il circuito inverter.
Il circuito raddrizzatore è un circuito di uscita dei picchi di tensione CC costituito da un diodo comune e un condensatore di filtro, mentre il circuito inverter converte la tensione CC in una forma d'onda di tensione modulata in larghezza di impulso (tensione PWM).
Pertanto, la forma d'onda della tensione dell'inverter che aziona i motori è una forma d'onda di impulso con larghezza di impulso variabile, anziché una forma d'onda di tensione sinusoidale.
L'azionamento di un motore con tensione pulsata è la causa principale della vulnerabilità del motore ai danni.
Meccanismo di danneggiamento degli avvolgimenti del motore da parte dei convertitori di frequenza
Quando la tensione pulsata viene trasmessa sul cavo, se l'impedenza del cavo non corrisponde all'impedenza del carico, si verificherà una riflessione all'estremità del carico.
La riflessione provoca una sovrapposizione dell'onda incidente e dell'onda riflessa, creando una tensione più elevata, che può raggiungere un'ampiezza massima pari al doppio della tensione del bus CC, che equivale a circa tre volte la tensione di ingresso dell'inverter, come mostrato in figura Figura 3.
La tensione di picco eccessivamente elevata viene aggiunta alle bobine dello statore del motore, provocando shock di tensione alle bobine e frequenti shock di sovratensione possono portare a guasti prematuri del motore.
La vita effettiva di un motore azionato da inverter dopo che è stato sottoposto a uno shock da picco di tensione è correlata a una serie di fattori tra cui temperatura, contaminazione, vibrazione, tensione, frequenza portante e lavorazione dell'isolamento della bobina per il settore dell'automazione elettrica .
Maggiore è la frequenza portante dell'inverter, più la forma d'onda della corrente di uscita si avvicina a un'onda sinusoidale, il che ridurrà la temperatura operativa del motore e quindi prolungherà la durata dell'isolamento del motore.
Tuttavia, una frequenza portante più elevata significa che viene generato un numero maggiore di picchi di tensione limite al secondo e che il numero di shock sul motore è maggiore.
La Figura 4 mostra la variazione della durata dell'isolamento in funzione della lunghezza del cavo e della frequenza portante.
Come si può vedere dal grafico, per un cavo lungo 200 piedi, la durata dell'isolamento diminuisce da circa 80.000 ore a 20.000 ore (una differenza quadruplicata) quando la frequenza portante viene aumentata da 3 kHz a 12 kHz (una variazione quadruplicata).
Influenza della frequenza portante sull'isolamento dei motori elettrici
Maggiore è la temperatura del motore, minore è la durata dell'isolamento del motore, come mostrato nella Figura 5, quando la temperatura sale a 75°C , la vita del motore è solo del 50%.
I motori azionati da convertitori di frequenza avranno una temperatura molto più elevata rispetto a quando fossero azionati da una tensione di frequenza industriale, poiché la tensione PWM contiene più componenti ad alta frequenza
Meccanismi attraverso i quali i convertitori di frequenza danneggiano i cuscinetti del motore
L'inverter danneggia i cuscinetti del motore perché c'è una corrente che scorre attraverso i cuscinetti e questa corrente si trova in un circuito collegato intermittente, il circuito collegato intermittente crea un arco e l'arco brucia i cuscinetti.
Esistono due cause principali per cui la corrente scorre attraverso i cuscinetti di un nuovo motore CA.
In primo luogo, tensioni di picco indotte da un campo elettromagnetico interno sbilanciato e, in secondo luogo, percorsi di corrente ad alta frequenza causati da condensatori vaganti.
Il campo magnetico interno di un motore a induzione CA ideale è simmetrico e quando le correnti nei tre avvolgimenti di fase sono uguali e le fasi sono 120? a parte questo, nell'asta dell'albero del motore non viene indotta alcuna tensione.
Quando la tensione PWM in uscita dall'inverter fa sì che il campo magnetico all'interno dei nuovi motori sia asimmetrico, sull'asta dell'albero motore verrà indotta una tensione di modo comune compresa tra 10 e 30 V, che è correlata alla tensione di comando, maggiore è la tensione di azionamento, maggiore è la tensione sull'asta dell'albero.
Quando il valore di questa tensione supera la resistenza isolante del lubrificante nel cuscinetto, si forma un percorso di corrente.
Ad un certo punto durante la rotazione dell'asta dell'asse, l'isolamento dell'olio lubrificante blocca nuovamente la corrente.
Questo processo è simile al processo di accensione/spegnimento di un interruttore meccanico.
Questo processo genera un arco elettrico che brucia le superfici dell'albero, della sfera e della vasca, formando alveoli.
Se non ci sono vibrazioni esterne i piccoli crateri non hanno un effetto eccessivo, ma quando c'è vibrazione esterna si creano dei crateri e questo ha un effetto significativo sul funzionamento dei motori dei produttori di motori elettrici.
Inoltre, gli esperimenti hanno dimostrato che i picchi di tensione sull'asta dell'albero sono legati anche alla frequenza fondamentale della tensione di uscita dell'inverter; quanto più bassa è la frequenza fondamentale, tanto maggiore è la tensione sull'asta dell'albero e tanto più grave è il danno ai cuscinetti.
Nelle prime fasi di funzionamento del motore, quando la temperatura del lubrificante è bassa, l'ampiezza della corrente è di 5-200 mA; una corrente così piccola non causerà alcun danno ai cuscinetti.
Tuttavia, dopo che il motore ha funzionato per un periodo di tempo, all'aumentare della temperatura del lubrificante, la corrente di picco raggiungerà 5-10 A, creando archi volanti che formeranno piccole cavità sulla superficie dei componenti del cuscinetto.
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