Hoewel er steeds meer aandacht wordt besteed aan het fenomeen dat de frequentieomvormer de motor beschadigt, bestaat er nog steeds onduidelijkheid over het mechanisme dat dit fenomeen veroorzaakt, laat staan hoe het te voorkomen.
Schade aan de motor veroorzaakt door de frequentieomvormer
De schade aan de motor veroorzaakt door de frequentieomvormer omvat twee aspecten: schade aan de statorwikkeling en schade aan de lagers. Dit soort schade treedt doorgaans binnen enkele weken tot enkele maanden op en het specifieke tijdstip is afhankelijk van vele factoren, zoals het merk van de frequentieomvormer, het merk van de motor, het vermogen van de motor, de draaggolffrequentie van de frequentieregelaar omvormer, de kabellengte tussen de frequentieomvormer en de motor, en de omgevingstemperatuur. De vroege accidentele schade aan de motor brengt enorme economische verliezen met zich mee voor de productie van de onderneming.
Dit soort verlies bestaat niet alleen uit de kosten van motoronderhoud en -vervanging, maar, nog belangrijker, uit het economische verlies dat wordt veroorzaakt door onverwachte productieonderbrekingen. Daarom is het bij het gebruik van een frequentieomvormer om de motor aan te drijven noodzakelijk om voldoende aandacht te besteden aan het probleem van motorschade.
Het verschil tussen frequentieregelaar en lijnfrequentieregelaar
Om het mechanisme te begrijpen waarmee AC-motoren gevoeliger zijn voor schade onder omstandigheden van frequentieregelaars, is het noodzakelijk om eerst de verschillen te begrijpen tussen de spanning van motoren die worden aangedreven door frequentieregelaars en de spanning van motoren die worden aangedreven door de voedingsfrequentie. Vervolgens is het belangrijk om te begrijpen hoe dit verschil de motor nadelig beïnvloedt.
De basisstructuur van de frequentieomvormer bestaat uit twee delen: het gelijkrichtcircuit en het invertercircuit. Het gelijkrichtcircuit is een gelijkspanningsuitgangscircuit dat bestaat uit gewone diodes en filtercondensatoren. Het invertercircuit zet de gelijkspanning om in een pulsbreedtegemoduleerde spanningsgolfvorm (PWM-spanning). Daarom is de spanningsgolfvorm die de motor met de frequentieomvormer aandrijft een pulsgolfvorm met variërende pulsbreedte, en niet een sinusoïdale spanningsgolfvorm. Het aandrijven van de motor met pulsspanning is de fundamentele reden waarom de motor gevoelig is voor beschadiging.
Het mechanisme van de omvormer beschadigt de statorwikkeling van de motor
Wanneer pulsspanning via een kabel wordt verzonden en de impedantie van de kabel niet overeenkomt met de impedantie van de belasting, zullen er reflecties optreden aan de belastingzijde. Het resultaat van deze reflecties is de superpositie van de invallende golf en de gereflecteerde golf, wat resulteert in een hogere spanning. De amplitude van deze spanning kan oplopen tot tweemaal de DC-busspanning, wat ongeveer driemaal de ingangsspanning van de omvormer is. Een te hoge piekspanning op de spoelen van de motorstator kan spanningsschokken op de spoelen veroorzaken, en frequente overspanningsschokken kunnen tot vroegtijdige motorstoring leiden.
De werkelijke levensduur van een motor die wordt aangedreven door een frequentieomvormer wordt beïnvloed door vele factoren, waaronder temperatuur, vervuiling, trillingen, spanning, draaggolffrequentie en het productieproces van spoelisolatie.
Hoe hoger de draaggolffrequentie van de omvormer, hoe dichter de uitgangsstroomgolfvorm bij een sinusgolf ligt, waardoor de bedrijfstemperatuur van de motor afneemt en de levensduur van de isolatie wordt verlengd. Een hogere draaggolffrequentie betekent echter dat er meer piekspanningen per seconde worden gegenereerd en dat er meer impact op de motor is. Figuur 4 toont de variatie van de isolatielevensduur met kabellengte en draaggolffrequentie. Als voor een kabel van 60 meter de draaggolffrequentie toeneemt van 3 kHz naar 12 kHz (een viervoudige verandering), neemt de levensduur van de isolatie af van ongeveer 80.000 uur naar 20.000 uur (een viervoudig verschil).
Hoe hoger de temperatuur van de motor, hoe korter de levensduur van de isolatie. Wanneer de temperatuur stijgt tot 75°C, bedraagt de levensduur van de motor slechts 50%. Motoren aangedreven door frequentieomvormers hebben, vanwege de aanwezigheid van meer hoogfrequente componenten in de PWM-spanning, veel hogere temperaturen vergeleken met motoren aangedreven door netfrequentiespanning.
Het mechanisme waarmee de frequentieomvormer de motorlagers beschadigt
De reden voor de schade aan de motorlagers door de frequentieomvormer is dat er stroom door de lagers vloeit, en deze stroom bevindt zich in een intermitterende verbonden toestand. Het intermitterend aangesloten circuit genereert een boog die de lagers verbrandt.
Er zijn twee belangrijke redenen voor de stroom die door de lagers van de communicatiemotor vloeit. Ten eerste de geïnduceerde spanning die wordt gegenereerd door de onbalans van het interne elektromagnetische veld. Ten tweede het hoogfrequente stroompad veroorzaakt door parasitaire capaciteit.
Het interne magnetische veld van de ideale communicatie-inductiemotor is symmetrisch. Wanneer de stromen van de driefasige wikkelingen gelijk zijn en een faseverschil van 120 graden hebben, wordt er geen spanning op de motoras geïnduceerd. Wanneer de PWM-spanningsuitgang van de omvormer echter een onbalans in het interne magnetische veld van de motor veroorzaakt, wordt er een spanning op de as geïnduceerd. De grootte van de spanning varieert van 10 tot 30 V, afhankelijk van de aandrijfspanning. Hoe hoger de aandrijfspanning, hoe hoger de spanning op de as.
Wanneer de spanning de isolatiesterkte van de smeerolie in het lager overschrijdt, ontstaat er een elektrisch stroompad. Tijdens de rotatie van de as onderbreekt de isolatie van de smeerolie op een bepaald moment de stroom. Dit proces is vergelijkbaar met het aan-uit-proces van een mechanische schakelaar, die een boog genereert en het oppervlak van de schacht, de bal en de schachtkom verbrandt, waardoor kraters ontstaan. Als er geen externe trillingen zijn, zullen kleine kraters geen significante impact hebben. Als er echter externe trillingen zijn, zullen er groeven worden gevormd, wat de werking van de motor sterk beïnvloedt.
Bovendien hebben experimenten aangetoond dat de spanning op de as ook gerelateerd is aan de grondfrequentie van de uitgangsspanning van de omvormer. Hoe lager de grondfrequentie, hoe hoger de spanning op de as en hoe ernstiger de lagerschade.
In de beginfase van de werking van de motor, wanneer de smeerolietemperatuur laag is, ligt de stroomamplitude tussen 5-200 mA, een dergelijke kleine stroom zal geen schade aan de lagers veroorzaken. Naarmate de motor echter een tijdje draait en de temperatuur van de smeerolie stijgt, kan de piekstroom 5-10 A bereiken, wat vonken zal veroorzaken en kleine putjes zal vormen op het oppervlak van de lagercomponenten.
Wanneer de lengte van de kabel groter wordt dan 30 meter, zullen moderne frequentieomvormers onvermijdelijk piekspanning genereren aan de motorzijde, waardoor de levensduur van de motor wordt verkort. Om schade aan de motor te voorkomen, zijn er twee benaderingen: de ene is het gebruik van een motor met een hogere isolatieweerstand voor de wikkeling (doorgaans een motor met variabele frequentie genoemd), en de andere is het nemen van maatregelen om de piekspanning te verminderen. De eerste aanpak is geschikt voor nieuwbouwprojecten, terwijl de laatste aanpak geschikt is voor het achteraf inbouwen van bestaande motoren.
Momenteel zijn er vier veelgebruikte methoden voor motorbeveiliging:
1) Installeer een reactor aan de uitgangsterminal van de frequentieomvormer: Deze maatregel wordt vaak gebruikt, maar er moet worden opgemerkt dat deze methode een zeker effect heeft op kortere kabels (minder dan 30 meter), maar soms is het effect niet ideaal.
2) Installeer een dv/dt-filter aan de uitgang van de frequentieomvormer: Deze maatregel is geschikt voor situaties waarin de kabellengte minder dan 300 meter bedraagt. De prijs is iets hoger dan die van een reactor, maar de werking is aanzienlijk verbeterd.
3) Installeer een sinusoïdaal golffilter aan de uitgang van de omvormer: deze maatregel is het meest ideaal. Omdat hier de PWM-pulsspanning wordt omgezet in een sinusvormige golfspanning, werkt de motor onder dezelfde omstandigheden als de netfrequentiespanning en is het probleem van de piekspanning volledig opgelost (zelfs als de kabel lang is, zal er geen piek optreden). Spanning).
4) Installeer overspanningsabsorbers op het grensvlak tussen de kabel en de motor: De nadelen van de voorgaande maatregelen zijn dat wanneer de motor een hoog vermogen heeft, het volume en het gewicht van de reactor of het filter groot zijn, de prijs hoog is. Bovendien zullen de reactor en het filter een bepaalde spanningsval veroorzaken, waardoor het uitgangskoppel van de motor wordt beïnvloed. Door gebruik te maken van een stootspanningsabsorbeerder van een frequentieomvormer kunnen deze nadelen worden ondervangen.
