주파수 변환기로 인한 전기 모터 손상

주파수 변환기가 모터를 손상시키는 현상에 대한 관심이 높아지고 있음에도 불구하고, 사람들은 이를 방지하는 방법은커녕 이러한 현상을 일으키는 메커니즘에 대해 여전히 불분명합니다.

주파수 변환기로 인한 모터 손상

주파수 변환기로 인해 발생하는 모터 손상에는 고정자 권선 손상과 베어링 손상이라는 두 가지 측면이 포함됩니다. 이러한 종류의 손상은 일반적으로 몇 주에서 몇 달 내에 발생하며 구체적인 시간은 주파수 변환기 브랜드, 모터 브랜드, 모터 전력, 주파수의 캐리어 주파수 등 여러 요인과 관련이 있습니다. 변환기, 주파수 변환기와 모터 사이의 케이블 길이 및 주변 온도. 모터의 조기 우발적 손상은 기업의 생산에 막대한 경제적 손실을 가져옵니다.

이러한 손실은 모터 유지보수 및 교체 비용뿐만 아니라, 더 중요한 것은 예상치 못한 생산 중단으로 인한 경제적 손실입니다. 따라서 주파수 변환기를 사용하여 모터를 구동하는 경우 모터 손상 문제에 충분한 주의를 기울일 필요가 있습니다.

가변 주파수 드라이브와 라인 주파수 드라이브의 차이점

가변 주파수 드라이브 조건에서 AC 모터가 손상되기 쉬운 메커니즘을 이해하려면 먼저 가변 주파수 드라이브로 구동되는 모터 전압과 전원 주파수로 구동되는 모터 전압 간의 차이를 이해해야 합니다. 그렇다면 이 차이가 모터에 어떤 악영향을 미치는지 이해하는 것이 중요합니다.

주파수 변환기의 기본 구조는 정류기 회로와 인버터 회로의 두 부분으로 구성됩니다. 정류기 회로는 일반 다이오드와 필터링 커패시터로 구성된 DC 전압 출력 회로입니다. 인버터 회로는 DC 전압을 펄스폭 변조 전압 파형(PWM 전압)으로 변환합니다. 따라서 주파수 변환기로 모터를 구동하는 전압 파형은 정현파 전압 파형이 아닌 펄스 폭이 변화하는 펄스 파형입니다. 펄스 전압으로 모터를 구동하는 것은 모터가 손상되기 쉬운 근본적인 이유입니다.

모터의 고정자 권선을 손상시키는 인버터의 메커니즘

펄스 전압이 케이블을 통해 전송될 때 케이블의 임피던스가 부하의 임피던스와 일치하지 않으면 부하 끝에서 반사가 발생합니다. 이러한 반사의 결과로 입사파와 반사파가 중첩되어 더 높은 전압이 발생합니다. 이 전압의 진폭은 DC 버스 전압의 최대 2배에 달할 수 있으며 이는 인버터 입력 전압의 약 3배입니다. 모터 고정자의 코일에 과도한 피크 전압이 가해지면 코일에 전압 충격이 발생할 수 있으며, 과전압 충격이 자주 발생하면 조기 모터 고장이 발생할 수 있습니다.

주파수 변환기로 구동되는 모터의 실제 수명은 온도, 오염, 진동, 전압, 캐리어 주파수, 코일 절연 제조 공정 등 다양한 요인의 영향을 받습니다.

인버터의 캐리어 주파수가 높을수록 출력 전류 파형이 정현파에 가까워지며, 이는 모터의 작동 온도를 낮추고 절연체의 수명을 연장시킵니다. 그러나 캐리어 주파수가 높을수록 초당 생성되는 피크 전압이 더 많아지고 모터에 더 많은 영향을 미칩니다. 그림 4는 케이블 길이와 반송파 주파수에 따른 절연 수명의 변화를 보여줍니다. 200피트 케이블의 경우 반송파 주파수가 3kHz에서 12kHz로 증가하면(4배 변화) 절연 수명은 약 80,000시간에서 20,000시간(4배 차이)으로 감소합니다.

모터의 온도가 높을수록 절연 수명은 짧아집니다. 온도가 75°C까지 올라가면 모터의 수명은 50%에 불과합니다. 주파수 변환기로 구동되는 모터는 PWM 전압에 더 많은 고주파 성분이 존재하기 때문에 상용 주파수 전압으로 구동되는 모터에 비해 온도가 훨씬 높습니다.

주파수 변환기가 모터 베어링을 손상시키는 메커니즘

주파수 변환기에 의해 모터 베어링이 손상되는 이유는 베어링을 통해 전류가 흐르고 있으며 이 전류가 간헐적으로 연결된 상태이기 때문입니다. 간헐적으로 연결된 회로는 베어링을 태우는 아크를 생성합니다.

통신 모터의 베어링을 통해 전류가 흐르는 데에는 두 가지 주요 이유가 있습니다. 첫째, 내부 전자기장의 불균형으로 인해 발생하는 유도 전압입니다. 둘째, 부유 용량으로 인한 고주파 전류 경로입니다.

이상적인 통신 유도 전동기의 내부 자기장은 대칭입니다. 3상 권선의 전류가 동일하고 120도의 위상차를 가지면 모터 축에 전압이 유도되지 않습니다. 그러나 인버터에서 출력되는 PWM 전압으로 인해 모터 내부 자기장의 불균형이 발생하면 샤프트에 전압이 유도됩니다. 전압의 크기는 구동전압에 따라 10~30V 범위이다. 구동 전압이 높을수록 샤프트의 전압도 높아집니다.

전압이 베어링 내 윤활유의 절연 강도를 초과하면 전류 경로가 형성됩니다. 샤프트가 회전하는 동안 특정 순간에 윤활유 절연이 전류를 차단합니다. 이 프로세스는 아크를 생성하고 샤프트, 볼 및 샤프트 보울의 표면을 태워 크레이터를 형성하는 기계식 스위치의 온-오프 프로세스와 유사합니다. 외부 진동이 없으면 작은 크레이터는 큰 영향을 미치지 않습니다. 그러나 외부 진동이 있으면 홈이 생겨 모터 작동에 큰 영향을 미칩니다.

또한, 실험에 따르면 샤프트의 전압은 인버터 출력 전압의 기본 주파수와도 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 기본 주파수가 낮을수록 샤프트의 전압이 높아지고 베어링 손상이 더욱 심각해집니다.

모터 작동 초기 단계에서 윤활유 온도가 낮을 ​​때 전류 진폭은 5-200mA 사이이므로 이러한 작은 전류는 베어링에 손상을 일으키지 않습니다. 그러나 모터가 일정 시간 동안 작동하고 윤활유 온도가 상승하면 피크 전류가 5-10A에 도달할 수 있으며, 이로 인해 아크가 발생하고 베어링 부품 표면에 작은 구멍이 형성됩니다.

모터 고정자 권선 보호

케이블 길이가 30미터를 초과하면 최신 주파수 변환기는 필연적으로 모터 끝에서 피크 전압을 생성하여 모터 수명을 단축시킵니다. 모터의 손상을 방지하기 위해서는 권선에 절연 내압이 높은 모터(일반적으로 가변 주파수 모터라고 함)를 사용하는 방법과 피크 전압을 낮추는 대책을 강구하는 두 가지 방법이 있습니다. 전자의 접근 방식은 새로 건설된 프로젝트에 적합한 반면, 후자의 접근 방식은 기존 모터를 개조하는 데 적합합니다.

현재 모터 보호를 위해 일반적으로 사용되는 네 가지 방법이 있습니다.

1) 주파수 변환기의 출력 단자에 리액터를 설치합니다. 이 방법은 일반적으로 사용되지만 이 방법은 더 짧은 케이블(30미터 미만)에 특정 효과가 있지만 때로는 효과가 이상적이지 않다는 점에 유의해야 합니다.

2) 주파수 변환기의 출력에 dv/dt 필터를 설치합니다. 이 조치는 케이블 길이가 300미터 미만인 상황에 적합합니다. 가격은 원자로에 비해 약간 높지만 효과는 크게 향상되었습니다.

3) 인버터 출력에 정현파 필터를 설치합니다. 이 방법이 가장 이상적입니다. 여기서는 PWM 펄스 전압을 정현파 전압으로 변환하기 때문에 모터는 상용주파 전압과 동일한 조건에서 작동하여 피크 전압 문제가 완전히 해결됩니다(케이블이 길어도 피크가 발생하지 않음). 전압).

4) 케이블과 모터 사이의 경계면에 서지 전압 흡수 장치를 설치하십시오. 이전 대책의 단점은 모터의 전력이 높을 때 리액터 또는 필터의 부피와 무게가 크고 가격이 높다는 것입니다. 또한 리액터와 필터는 특정 전압 강하를 발생시켜 모터의 출력 토크에 영향을 미칩니다. 주파수 변환기 서지 전압 흡수기를 사용하면 이러한 단점을 극복할 수 있습니다.