Choć coraz częściej zwraca się uwagę na zjawisko uszkodzenia silnika przez przetwornicę częstotliwości, nadal nie ma pewności co do mechanizmu powodującego to zjawisko, a co dopiero, jak mu zapobiegać.
Uszkodzenie silnika spowodowane przez przetwornicę częstotliwości
Uszkodzenie silnika spowodowane przez przetwornicę częstotliwości obejmuje dwa aspekty: uszkodzenie uzwojenia stojana i uszkodzenie łożysk. Tego rodzaju uszkodzenie zwykle pojawia się w ciągu kilku tygodni do kilku miesięcy, a konkretny czas zależy od wielu czynników, takich jak marka przetwornicy częstotliwości, marka silnika, moc silnika, częstotliwość nośna przetwornicy częstotliwości, długość kabla między przetwornicą częstotliwości a silnikiem oraz temperatura otoczenia. Wczesne przypadkowe uszkodzenie silnika powoduje ogromne straty ekonomiczne w produkcji przedsiębiorstwa.
Tego rodzaju strata to nie tylko koszt konserwacji i wymiany silnika, ale co ważniejsze, strata ekonomiczna spowodowana nieoczekiwanym przestojem w produkcji. Dlatego też, stosując do napędzania silnika przetwornicę częstotliwości, należy zwrócić odpowiednią uwagę na kwestię uszkodzeń silnika.
Różnica między przemiennikiem częstotliwości a przemiennikiem częstotliwości sieciowej
Aby zrozumieć mechanizm, dzięki któremu silniki prądu przemiennego są bardziej podatne na uszkodzenia w warunkach pracy przemiennika częstotliwości, należy najpierw zrozumieć różnice pomiędzy napięciem silników napędzanych przez przemienniki częstotliwości a napięciem silników napędzanych częstotliwością sieciową. Następnie ważne jest, aby zrozumieć, jak ta różnica niekorzystnie wpływa na silnik.
Podstawowa konstrukcja przetwornicy częstotliwości składa się z dwóch części: obwodu prostownika i obwodu falownika. Obwód prostownika to obwód wyjściowy napięcia stałego, składający się ze zwykłych diod i kondensatorów filtrujących. Obwód falownika przetwarza napięcie prądu stałego na kształt fali napięcia o modulowanej szerokości impulsu (napięcie PWM). Dlatego przebieg napięcia napędzający silnik z przetwornicą częstotliwości jest przebiegiem impulsowym o zmiennej szerokości impulsu, a nie sinusoidalnym przebiegiem napięcia. Zasilanie silnika napięciem impulsowym jest podstawową przyczyną podatności silnika na uszkodzenia.
Mechanizm falownika uszkadzający uzwojenie stojana silnika
Kiedy napięcie impulsowe jest przesyłane kablem, a impedancja kabla nie odpowiada impedancji obciążenia, po stronie obciążenia wystąpią odbicia. Wynikiem tych odbić jest superpozycja fali padającej i fali odbitej, co skutkuje wyższym napięciem. Amplituda tego napięcia może sięgać nawet dwukrotnie większej wartości napięcia szyny DC, co stanowi około trzykrotność napięcia wejściowego falownika. Nadmierne napięcie szczytowe przyłożone do cewek stojana silnika może powodować udary napięciowe cewek, a częste udary przepięciowe mogą prowadzić do przedwczesnej awarii silnika.
Na rzeczywistą żywotność silnika napędzanego przez przetwornicę częstotliwości wpływa wiele czynników, w tym temperatura, zanieczyszczenie, wibracje, napięcie, częstotliwość nośna i proces produkcji izolacji cewki.
Im wyższa częstotliwość nośna falownika, tym przebieg prądu wyjściowego jest bliższy sinusoidzie, co obniża temperaturę roboczą silnika i wydłuża żywotność izolacji. Jednakże wyższa częstotliwość nośna oznacza więcej napięć szczytowych generowanych na sekundę i większy wpływ na silnik. Rysunek 4 pokazuje zmianę trwałości izolacji w zależności od długości kabla i częstotliwości nośnej. W przypadku kabla o długości 200 stóp, gdy częstotliwość nośna wzrasta z 3 kHz do 12 kHz (4-krotna zmiana), trwałość izolacji zmniejsza się z około 80 000 godzin do 20 000 godzin (4-krotna różnica).
Im wyższa temperatura silnika, tym krótsza trwałość izolacji. Gdy temperatura wzrośnie do 75°C, żywotność silnika wynosi tylko 50%. Silniki napędzane przetwornicami częstotliwości, ze względu na obecność w napięciu PWM większej liczby składowych o wysokiej częstotliwości, charakteryzują się znacznie wyższymi temperaturami w porównaniu do silników napędzanych napięciem o częstotliwości sieciowej.
Mechanizm uszkodzenia łożysk silnika przez przetwornicę częstotliwości
Przyczyną uszkodzenia łożysk silnika przez przetwornicę częstotliwości jest to, że przez łożyska przepływa prąd, który występuje w przerywanym stanie połączenia. Przerywany podłączony obwód wygeneruje łuk, który spali łożyska.
Istnieją dwie główne przyczyny przepływu prądu przez łożyska silnika komunikacyjnego. Po pierwsze, napięcie indukowane generowane przez brak równowagi wewnętrznego pola elektromagnetycznego. Po drugie, ścieżka prądu o wysokiej częstotliwości spowodowana pojemnością rozproszoną.
Wewnętrzne pole magnetyczne idealnego silnika indukcyjnego do komunikacji jest symetryczne. Gdy prądy uzwojeń trójfazowych są równe i mają różnicę faz wynoszącą 120 stopni, na wale silnika nie będzie indukowane żadne napięcie. Jeżeli jednak napięcie wyjściowe PWM z falownika powoduje brak równowagi w wewnętrznym polu magnetycznym silnika, na wale indukuje się napięcie. Wielkość napięcia waha się od 10 do 30 V, w zależności od napięcia sterującego. Im wyższe napięcie sterujące, tym wyższe napięcie na wale.
Kiedy napięcie przekracza wytrzymałość izolacji oleju smarowego w łożysku, powstaje ścieżka prądu elektrycznego. Podczas obrotu wału w pewnym momencie izolacja oleju smarowego przerywa prąd. Proces ten jest podobny do procesu włączania i wyłączania mechanicznego przełącznika, który generuje łuk i spala powierzchnię wału, kuli i misy wału, tworząc kratery. Jeśli nie ma wibracji zewnętrznych, małe kratery nie będą miały znaczącego wpływu. Jeśli jednak wystąpią wibracje zewnętrzne, utworzą się rowki, co znacznie wpływa na pracę silnika.
Ponadto eksperymenty wykazały, że napięcie na wale jest również powiązane z częstotliwością podstawową napięcia wyjściowego falownika. Im niższa częstotliwość podstawowa, tym wyższe napięcie na wale i tym poważniejsze uszkodzenie łożyska.
W początkowej fazie pracy silnika, gdy temperatura oleju smarowego jest niska, amplituda prądu mieści się w przedziale 5-200mA, tak mały prąd nie spowoduje uszkodzenia łożysk. Jednakże, gdy silnik pracuje przez pewien czas i temperatura oleju smarowego wzrasta, szczytowy prąd może osiągnąć 5-10 A, co spowoduje wyładowanie łukowe i utworzenie małych wżerów na powierzchni elementów łożyska.
Gdy długość kabla przekracza 30 metrów, nowoczesne przetwornice częstotliwości nieuchronnie generują napięcie szczytowe po stronie silnika, skracając jego żywotność. Aby zapobiec uszkodzeniu silnika, można zastosować dwa podejścia: jedno polega na zastosowaniu silnika o wyższym napięciu wytrzymywanym izolacji uzwojenia (ogólnie określanym jako silnik o zmiennej częstotliwości), a drugie polega na zastosowaniu środków mających na celu zmniejszenie napięcia szczytowego. Pierwsze podejście jest odpowiednie w przypadku nowo budowanych projektów, natomiast drugie podejście jest odpowiednie w przypadku modernizacji istniejących silników.
Obecnie istnieją cztery powszechnie stosowane metody ochrony silnika:
1) Zainstaluj dławik na zacisku wyjściowym przetwornicy częstotliwości: Środek ten jest powszechnie stosowany, należy jednak zauważyć, że metoda ta ma pewien wpływ na krótsze kable (mniej niż 30 metrów), ale czasami efekt nie jest idealny.
2) Zainstaluj filtr dv/dt na wyjściu przetwornicy częstotliwości: Rozwiązanie to jest odpowiednie w sytuacjach, gdy długość kabla jest mniejsza niż 300 metrów. Cena jest nieco wyższa niż reaktora, ale efekt został znacznie poprawiony.
3) Zainstaluj filtr fal sinusoidalnych na wyjściu falownika: To rozwiązanie jest najbardziej idealne. Ponieważ tutaj napięcie impulsowe PWM jest zamieniane na napięcie fali sinusoidalnej, silnik pracuje w takich samych warunkach jak napięcie częstotliwości sieciowej, a problem napięcia szczytowego jest całkowicie rozwiązany (nawet jeśli kabel jest długi, napięcia szczytowego nie będzie).
4) Zainstalować pochłaniacze przepięć na styku kabla z silnikiem. Wadą poprzednich rozwiązań jest to, że gdy silnik ma dużą moc, objętość i masa dławika lub filtra są duże, cena jest wysoka. Ponadto dławik i filtr spowodują pewien spadek napięcia, wpływający na wyjściowy moment obrotowy silnika. Stosując pochłaniacz przepięć przetwornicy częstotliwości, można przezwyciężyć te wady.
Przejdź do treści 
