可変周波数は電気モーターにどのような悪影響を及ぼしますか?

周波数コンバータの出現は、産業オートメーション制御とモーターの省エネに革新をもたらしました。

工業生産にはインバーターが切っても切れない関係にあり、日常生活においてもエレベーターやインバーターエアコンが欠かせないものとなり、生産や生活の隅々までインバーターが浸透し始めています。

しかし、インバータは前例のない多くの問題ももたらしており、電動機の損傷は最も典型的な現象の 1 つです。

インバーターがモーターに損傷を与える現象は、すでに多くの人が発見しています。

たとえば、あるウォーター ポンプ工場では、過去 2 年間、顧客から保証期間中にポンプが破損したとの報告が頻繁にありました。

しかし、このポンプ工場は以前は製品の品​​質に関して非常に信頼されていました。調査の結果、これらの損傷したポンプは周波数変換器によって駆動されていたことが判明しました。

インバーターがモーターを損傷するという現象は懸念が高まっていますが、その原因となるメカニズムはまだ明らかになっておらず、ましてやそれを防ぐ方法は明らかではありません。

この記事を共有する目的は、これらの混乱に対処することです。

周波数変換器による電気モーターの損傷

インバーターによる電気モーターの損傷には、モーター巻線の損傷とモーターのベアリングの損傷という 2 つの側面があります。

これを次の図に示します。

この損傷は通常、数週間から十数か月以内に発生します。具体的な時間は、インバーターのブランド、電気モーターのブランド、電気モーターの電力、インバーターのキャリア周波数、モーターの長さに関係します。インバーターと電気モーター間のケーブル、周囲温度、その他多くの要因が影響します。

電気モーターの早期かつ予期せぬ損傷は、会社の生産に多大な経済的損失をもたらします。

この損失は、モーターの修理や交換にかかる費用だけでなく、予期せぬ生産停止による経済的損失も伴います。

したがって、インバータ駆動モータを使用する場合には、モータの損傷に十分注意する必要があります。

インバータ駆動と産業用可変周波数駆動の違い

産業用周波数モータが、被駆動機器を備えたインバータ駆動条件下で損傷する可能性が高くなるメカニズムを理解することが重要です。

まず、インバータがモータを駆動する電圧と I.F. がどのように異なるかを理解してください。シャフト電圧。

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します。

インバータの基本構造は図 2 に示されており、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、共通のダイオードとフィルタ コンデンサで構成される DC 電圧スパイク出力回路であり、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、モータを駆動するインバータの電圧波形は正弦波ではなく、パルス幅が変化するパルス波形となります。

パルス電圧でモーターを駆動することは、モーターが損傷しやすい根本的な原因です。

周波数変換器によるモーター巻線の損傷メカニズム

パルス電圧がケーブルを介して送信されるとき、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ない場合、負荷端で反射が発生します。

反射により入射波と反射波が重なり、より高い電圧が生成され、最大振幅が DC バス電圧の 2 倍に達することがあります。これは、図に示すように、インバータの入力電圧の 3 倍にほぼ相当します。図3.

過度に高いスパイク電圧がモーターのステーターのコイルに加わり、コイルに電圧ショックを引き起こし、頻繁な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。

スパイク電圧ショックを受けた後のインバータ駆動モータの実際の寿命は、温度、汚染、振動、電圧、キャリア周波数、電気オートメーション業界のコイル絶縁の仕上がりなど、多くの要因に関連しています。 。

インバーター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、モーターの動作温度が低下し、モーター絶縁の寿命が長くなります。

ただし、キャリア周波数が高いほど、1 秒あたりに生成される制限電圧スパイクの数が多くなり、モーターへのショックの数が多くなります。

図 4 は、ケーブル長とキャリア周波数の関数としての絶縁寿命の変化を示しています。

グラフからわかるように、長さ 200 フィートのケーブルの場合、キャリア周波数が 3 kHz から 12 kHz 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)。

電気モーターの絶縁に対するキャリア周波数の影響

図5に示すように、温度が75℃に上昇すると、モーターの温度が高くなるほどモーター絶縁の寿命は短くなります。℃ 、モーターの寿命はわずか 50% です。

周波数コンバータで駆動されるモーターは、PWM 電圧にはより多くの高周波成分が含まれるため、工業用周波数電圧で駆動される場合よりもモーター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

インバータがモータのベアリングを損傷するのは、ベアリングに電流が流れ、この電流が断続接続回路に流れ、断続接続回路がアークを発生させ、そのアークがベアリングを焼損するためです。

新しい AC モーターのベアリングに電流が流れる主な原因は 2 つあります。

第一に、不平衡な内部電磁場から誘導されるピーク電圧、第二に、浮遊コンデンサによって引き起こされる高周波電流経路です。

理想的な AC 誘導モーターの内部磁界は対称であり、3 相巻線の電流が等しく、位相が 120? の場合、それ以外では、モーターのシャフトロッドに電圧は誘導されません。

インバータからの PWM 電圧出力により、新しいモータ内部の磁界が非対称になると、モータのシャフト ロッドに 10 ～ 30 V の範囲でコモン モード電圧が誘導されます。これは駆動電圧に関係し、電圧が高いほど発生します。駆動電圧が高いほど、シャフトロッドにかかる電圧が高くなります。

この電圧の値が軸受内の潤滑剤の絶縁強度を超えると電流経路が形成されます。

車軸ロッドの回転中のある時点で、潤滑油の絶縁により再び電流が遮断されます。

このプロセスは、機械的なスイッチのオン/オフのプロセスに似ています。

このプロセスにより電気アークが発生し、シャフト、ボール、ボウルの表面が焼けてピットが形成されます。

外部振動がなければ小さなクレーターによる大きな影響はありませんが、外部振動があるとクレーターが発生し、電動機メーカーの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、シャフトロッドの電圧ピークがインバーター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、シャフトロッド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。

潤滑油の温度が低いモータ動作の初期段階では、電流振幅は 5 ～ 200mA ですが、このような小さな電流では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運転された後、潤滑油の温度が上昇すると、ピーク電流は 5 ～ 10A に達し、フライング アークが発生し、ベアリング コンポーネントの表面に小さなピットが形成されます。

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