周波数変換器による電気モーターの損傷

周波数変換器がモーターを損傷するという現象はますます注目を集めていますが、この現象を引き起こすメカニズムや、それを防ぐ方法については依然として不明です。

周波数変換器によるモーターの損傷

周波数変換器によって引き起こされるモーターの損傷には、固定子巻線の損傷とベアリングの損傷という 2 つの側面が含まれます。この種の損傷は通常、数週間から数か月以内に発生します。具体的な時間は、周波数変換器のブランド、モーターのブランド、モーターの出力、周波数のキャリア周波数などの多くの要因に関連します。コンバータ、周波数コンバータとモータ間のケーブル長、および周囲温度。モーターへの初期の偶発的な損傷は、企業の生産に多大な経済的損失をもたらします。

このような損失は、モーターのメンテナンスや交換にかかるコストだけでなく、さらに重要なのは、予期せぬ生産停止による経済的損失です。したがって、周波数変換器を使用してモータを駆動する場合には、モータの損傷の問題に十分注意する必要があります。

可変周波数駆動とライン周波数駆動の違い

可変周波数駆動条件下で AC モーターが損傷しやすくなるメカニズムを理解するには、まず可変周波数ドライブで駆動されるモーターの電圧と電源周波数で駆動されるモーターの電圧の違いを理解する必要があります。次に、この違いがモーターにどのような悪影響を与えるかを理解することが重要です。

周波数変換器の基本構造は、整流回路とインバータ回路の 2 つの部分で構成されます。整流回路は、通常のダイオードとフィルタコンデンサで構成される直流電圧出力回路です。インバータ回路は、DC 電圧をパルス幅変調電圧波形 (PWM 電圧) に変換します。したがって、周波数変換器でモーターを駆動する電圧波形は、正弦波の電圧波形ではなく、パルス幅が変化するパルス波形になります。モーターをパルス電圧で駆動することが、モーターが破損しやすい根本的な原因です。

インバータがモータの固定子巻線を損傷するメカニズム

パルス電圧がケーブルを介して伝送される場合、ケーブルのインピーダンスが負荷のインピーダンスと一致していないと、負荷端で反射が発生します。これらの反射の結果、入射波と反射波が重なり、より高い電圧が発生します。この電圧の振幅は DC バス電圧の 2 倍に達する可能性があり、これはインバータの入力電圧の約 3 倍です。モーターステーターのコイルに過剰なピーク電圧が印加されると、コイルに電圧ショックが発生する可能性があり、頻繁に発生する過電圧ショックはモーターの早期故障につながる可能性があります。

周波数変換器によって駆動されるモーターの実際の寿命は、温度、汚染、振動、電圧、キャリア周波数、コイル絶縁の製造プロセスなど、多くの要因の影響を受けます。

インバータのキャリア周波数が高いほど、出力電流波形は正弦波に近くなり、モータの動作温度が下がり、絶縁体の寿命が長くなります。ただし、キャリア周波数が高くなると、1 秒あたりに生成されるピーク電圧が増加し、モーターへの影響が大きくなります。図 4 は、ケーブル長とキャリア周波数による絶縁寿命の変化を示しています。 200 フィートのケーブルの場合、キャリア周波数が 3kHz から 12kHz に増加すると (4 倍の変化)、絶縁寿命は約 80,000 時間から 20,000 時間に減少します (4 倍の差)。

モーターの温度が高くなると絶縁寿命は短くなります。温度が 75°C に上昇すると、モーターの寿命はわずか 50% になります。周波数コンバータで駆動されるモーターは、PWM 電圧に多くの高周波成分が含まれるため、電源周波数電圧で駆動されるモーターと比べて温度がはるかに高くなります。

周波数変換器がモーターのベアリングを損傷するメカニズム

周波数変換器によるモータ軸受の損傷の原因は、軸受に電流が流れており、この電流が断続的に接続された状態にあるためです。回路が断続的に接続されるとアークが発生し、ベアリングが焼損します。

通信モーターのベアリングに電流が流れる原因は主に 2 つあります。まず、内部電磁場のアンバランスによって発生する誘導電圧。 2 つ目は、浮遊容量による高周波電流経路です。

理想的な通信用誘導電動機の内部磁界は対称です。三相巻線の電流が等しく、位相差が 120 度の場合、モーターのシャフトに電圧は誘導されません。しかし、インバータから出力されるPWM電圧によりモータの内部磁界にアンバランスが生じると、シャフトに電圧が誘起されます。電圧の大きさは、駆動電圧に応じて 10 ～ 30 V の範囲になります。駆動電圧が高くなるほど、シャフトにかかる電圧も高くなります。

電圧が軸受内の潤滑油の絶縁強度を超えると、電流経路が形成されます。シャフトの回転中、ある瞬間に潤滑油の絶縁により電流が遮断されます。このプロセスは、アークを生成してシャフト、ボール、シャフト ボウルの表面を焼き、クレーターを形成する機械式スイッチのオン/オフ プロセスに似ています。外部からの振動がなければ、小さなクレーターは大きな影響を与えません。しかし、外部からの振動があると溝が形成され、モーターの動作に大きな影響を与えます。

さらに、実験では、シャフトの電圧がインバーターの出力電圧の基本周波数にも関係していることが示されています。基本周波数が低いほど、シャフトにかかる電圧が高くなり、ベアリングの損傷がより深刻になります。

モータの作動初期、潤滑油温度が低いときの電流振幅は5～200mAであり、このような小さな電流であればベアリングに損傷を与えることはありません。ただし、モーターが一定期間稼働し、潤滑油の温度が上昇すると、ピーク電流が 5 ～ 10A に達する可能性があり、これによりアーク放電が発生し、ベアリング部品の表面に小さなピットが形成されます。

モーターの固定子巻線の保護

ケーブルの長さが 30 メートルを超えると、最新の周波数変換器では必然的にモーター端でピーク電圧が発生し、モーターの寿命が短くなります。モータの損傷を防ぐには、巻線の絶縁耐圧が高いモータ（一般に周波数可変モータと呼ばれます）を使用する方法と、ピーク電圧を下げる対策を講じる方法があります。前者のアプローチは新設プロジェクトに適しており、後者のアプローチは既存のモーターの改造に適しています。

現在、モーターの保護には次の 4 つの方法が一般的に使用されています。

1) 周波数変換器の出力端子にリアクトルを設置します。この方法は一般的に使用されますが、この方法は短いケーブル (30 メートル未満) では一定の効果がありますが、場合によっては効果が理想的でない場合があることに注意してください。

2) 周波数コンバータの出力に dv/dt フィルタを取り付けます。この対策は、ケーブル長が 300 メートル未満の状況に適しています。価格はリアクターより若干高めですが、効果は大幅に向上しています。

3) インバータの出力に正弦波フィルタを設置します。この対策が最も理想的です。ここでは、PWMパルス電圧が正弦波電圧に変換されるため、モーターは電源周波数電圧と同じ条件で動作し、ピーク電圧の問題は完全に解決されます（ケーブルが長くてもピークは発生しません）電圧）。

4) ケーブルとモータの界面にサージ電圧吸収装置を設置する。これまでの対策の欠点は、モータの出力が大きい場合、リアクトルやフィルタの体積や重量が大きくなり、価格が高くなる点である。また、リアクトルやフィルタにより一定の電圧降下が発生し、モータの出力トルクに影響を与えます。周波数変換器のサージ電圧吸収装置を使用することで、これらの欠点を克服できます。