Хотя явлению повреждения двигателя преобразователем частоты уделяется все больше внимания, люди до сих пор не понимают механизм, вызывающий это явление, не говоря уже о том, как его предотвратить.
Повреждение двигателя из-за преобразователя частоты
Повреждения двигателя, вызванные преобразователем частоты, включают в себя два аспекта: повреждение обмотки статора и повреждение подшипников. Повреждения такого рода обычно возникают в течение периода от нескольких недель до нескольких месяцев, а конкретное время зависит от многих факторов, таких как марка преобразователя частоты, марка двигателя, мощность двигателя, несущая частота частоты. преобразователя, длину кабеля между преобразователем частоты и двигателем, а также температуру окружающей среды. Ранняя случайная поломка двигателя наносит огромный экономический ущерб производству предприятия.
Потери такого рода — это не только затраты на техническое обслуживание и замену двигателя, но, что более важно, экономические потери, вызванные неожиданной остановкой производства. Поэтому при использовании преобразователя частоты для привода двигателя необходимо уделять достаточное внимание вопросу повреждения двигателя.
Разница между частотно-регулируемым приводом и линейным частотным приводом
Чтобы понять механизм, по которому двигатели переменного тока более склонны к повреждению в условиях преобразователя частоты, необходимо сначала понять разницу между напряжением двигателей, приводимых в действие преобразователями частоты, и напряжением двигателей, приводимых в действие промышленной частотой. Затем важно понять, как эта разница негативно влияет на мотор.
Базовая структура преобразователя частоты включает две части: схему выпрямителя и схему инвертора. Схема выпрямителя представляет собой выходную цепь постоянного напряжения, состоящую из обычных диодов и фильтрующих конденсаторов. Схема инвертора преобразует напряжение постоянного тока в сигнал напряжения с широтно-импульсной модуляцией (напряжение ШИМ). Таким образом, форма волны напряжения, которая приводит в действие двигатель с преобразователем частоты, представляет собой импульсную форму волны с переменной шириной импульса, а не синусоидальную форму волны напряжения. Управление двигателем импульсным напряжением является основной причиной склонности двигателя к повреждению.
Механизм инвертора, повреждающего обмотку статора двигателя
При передаче импульсного напряжения по кабелю, если полное сопротивление кабеля не соответствует полному сопротивлению нагрузки, на конце нагрузки возникнут отражения. Результатом этих отражений является суперпозиция падающей и отраженной волны, что приводит к более высокому напряжению. Амплитуда этого напряжения может достигать удвоенного напряжения шины постоянного тока, что примерно в три раза превышает входное напряжение инвертора. Чрезмерное пиковое напряжение, приложенное к катушкам статора двигателя, может вызвать скачки напряжения в катушках, а частые удары перенапряжения могут привести к преждевременному выходу двигателя из строя.
Фактический срок службы двигателя, приводимого в действие преобразователем частоты, зависит от многих факторов, включая температуру, загрязнение окружающей среды, вибрацию, напряжение, несущую частоту и процесс изготовления изоляции катушки.
Чем выше несущая частота инвертора, тем форма выходного тока ближе к синусоидальной, что снижает рабочую температуру двигателя и продлевает срок службы изоляции. Однако более высокая несущая частота означает большее пиковое напряжение, генерируемое в секунду, и большее воздействие на двигатель. На рисунке 4 показано изменение срока службы изоляции в зависимости от длины кабеля и несущей частоты. Для кабеля длиной 200 футов при увеличении несущей частоты с 3 кГц до 12 кГц (4-кратное изменение) срок службы изоляции уменьшается примерно с 80 000 часов до 20 000 часов (4-кратное изменение).
Чем выше температура двигателя, тем короче срок службы изоляции. При повышении температуры до 75°C срок службы двигателя составляет всего 50%. Двигатели, приводимые в действие преобразователями частоты, из-за наличия большего количества высокочастотных составляющих в напряжении ШИМ имеют гораздо более высокие температуры по сравнению с двигателями, приводящимися в действие напряжением промышленной частоты.
Механизм повреждения преобразователем частоты подшипников двигателя
Причина повреждения подшипников двигателя преобразователем частоты заключается в том, что через подшипники протекает ток, и этот ток находится в прерывистом включенном состоянии. Прерывисто включенная цепь генерирует дугу, которая сжигает подшипники.
Существуют две основные причины тока, протекающего через подшипники коммуникационного двигателя. Во-первых, индуцированное напряжение, создаваемое дисбалансом внутреннего электромагнитного поля. Во-вторых, путь высокочастотного тока, вызванный паразитной емкостью.
Внутреннее магнитное поле идеального асинхронного двигателя связи симметрично. Когда токи трехфазных обмоток равны и имеют разность фаз 120 градусов, на валу двигателя не будет индуцироваться напряжение. Однако, когда выходное напряжение ШИМ инвертора вызывает дисбаланс во внутреннем магнитном поле двигателя, на валу будет индуцироваться напряжение. Величина напряжения колеблется от 10 до 30В в зависимости от управляющего напряжения. Чем выше управляющее напряжение, тем выше напряжение на валу.
Когда напряжение превышает прочность изоляции смазочного масла в подшипнике, образуется путь электрического тока. При вращении вала в определенный момент изоляция смазочного масла прерывает ток. Этот процесс аналогичен процессу включения-выключения механического переключателя, который генерирует дугу и поджигает поверхность вала, шара и чаши вала, образуя кратеры. Если нет внешней вибрации, небольшие кратеры не окажут существенного воздействия. Однако при наличии внешней вибрации образуются канавки, что сильно влияет на работу мотора.
Кроме того, эксперименты показали, что напряжение на валу также связано с основной частотой выходного напряжения инвертора. Чем ниже основная частота, тем выше напряжение на валу и тем серьезнее повреждение подшипника.
На начальном этапе работы двигателя, когда температура смазочного масла низкая, амплитуда тока составляет 5–200 мА, такой небольшой ток не приведет к повреждению подшипников. Однако по мере того, как двигатель работает в течение определенного периода времени и температура смазочного масла повышается, пиковый ток может достигать 5–10 А, что приводит к образованию дуги и образованию небольших ямок на поверхности компонентов подшипника.
Защита обмоток статора двигателя
Когда длина кабеля превышает 30 метров, современные преобразователи частоты неизбежно создают пиковое напряжение на конце двигателя, сокращая срок его службы. Чтобы предотвратить повреждение двигателя, существует два подхода: один — использовать двигатель с более высоким выдерживаемым напряжением изоляции для обмотки (обычно называемый двигателем с регулируемой частотой), а другой — принять меры по снижению пикового напряжения. Первый подход подходит для вновь строящихся проектов, а второй подход подходит для модернизации существующих двигателей.
В настоящее время широко используются четыре метода защиты двигателя:
1) Установите дроссель на выходной клемме преобразователя частоты. Эта мера широко используется, но следует отметить, что этот метод дает определенный эффект на более коротких кабелях (менее 30 метров), но иногда эффект не идеален.
2) Установите фильтр du/dt на выходе преобразователя частоты. Эта мера подходит для ситуаций, когда длина кабеля составляет менее 300 метров. Цена немного выше, чем у реактора, но эффект значительно улучшен.
3) Установите фильтр синусоидальной волны на выходе инвертора. Эта мера является наиболее идеальной. Поскольку здесь импульсное напряжение ШИМ преобразуется в напряжение синусоидальной волны, двигатель работает в тех же условиях, что и напряжение промышленной частоты, и проблема пикового напряжения полностью решена (даже если кабель длинный, пикового напряжения не будет). Напряжение).
4) Установите поглотители перенапряжения на границе между кабелем и двигателем. Недостатком предыдущих мер является то, что при большой мощности двигателя объем и вес реактора или фильтра велики, а цена высока. Кроме того, реактор и фильтр вызывают определенное падение напряжения, влияющее на выходной крутящий момент двигателя. Эти недостатки можно преодолеть, используя поглотитель перенапряжения преобразователя частоты.
