ความเสียหายต่อมอเตอร์ไฟฟ้าจากตัวแปลงความถี่

แม้ว่าปรากฏการณ์ของตัวแปลงความถี่ที่สร้างความเสียหายให้กับมอเตอร์กำลังได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ แต่ผู้คนยังคงไม่ชัดเจนเกี่ยวกับกลไกที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์นี้ ไม่ต้องพูดถึงว่าจะป้องกันได้อย่างไร

ความเสียหายต่อมอเตอร์ที่เกิดจากตัวแปลงความถี่

ความเสียหายต่อมอเตอร์ที่เกิดจากตัวแปลงความถี่มีสองประเด็น: ความเสียหายต่อขดลวดสเตเตอร์และความเสียหายต่อตลับลูกปืน โดยทั่วไปความเสียหายประเภทนี้จะเกิดขึ้นภายในไม่กี่สัปดาห์ถึงหลายเดือน และเวลาที่กำหนดเกี่ยวข้องกับปัจจัยหลายประการ เช่น ยี่ห้อของตัวแปลงความถี่ ยี่ห้อของมอเตอร์ กำลังของมอเตอร์ ความถี่พาหะของความถี่ ตัวแปลงความถี่ ความยาวสายเคเบิลระหว่างตัวแปลงความถี่และมอเตอร์ และอุณหภูมิโดยรอบ ความเสียหายจากอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นกับมอเตอร์ตั้งแต่เนิ่นๆ นำมาซึ่งความสูญเสียทางเศรษฐกิจอย่างมหาศาลต่อการผลิตขององค์กร

การสูญเสียประเภทนี้ไม่ได้เป็นเพียงต้นทุนในการบำรุงรักษาและเปลี่ยนมอเตอร์เท่านั้น แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือการสูญเสียทางเศรษฐกิจที่เกิดจากการหยุดการผลิตโดยไม่คาดคิด ดังนั้นเมื่อใช้ตัวแปลงความถี่ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ จำเป็นต้องให้ความสนใจอย่างเพียงพอกับปัญหาความเสียหายของมอเตอร์

ความแตกต่างระหว่างไดรฟ์ความถี่ตัวแปรและไดรฟ์ความถี่สาย

เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกที่มอเตอร์ AC มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายมากขึ้นภายใต้สภาวะของไดรฟ์ความถี่แปรผัน จำเป็นต้องเข้าใจความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนโดยไดรฟ์ความถี่แปรผันกับแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยความถี่ของกำลังก่อน จากนั้น สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าความแตกต่างนี้ส่งผลเสียต่อมอเตอร์อย่างไร

โครงสร้างพื้นฐานของตัวแปลงความถี่ประกอบด้วยสองส่วน: วงจรเรียงกระแสและวงจรอินเวอร์เตอร์ วงจรเรียงกระแสเป็นวงจรเอาท์พุตแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ประกอบด้วยไดโอดธรรมดาและตัวเก็บประจุกรอง วงจรอินเวอร์เตอร์จะแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นรูปแบบแรงดันไฟฟ้ามอดูเลตความกว้างพัลส์ (แรงดันไฟฟ้า PWM) ดังนั้น รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ด้วยตัวแปลงความถี่จึงเป็นรูปคลื่นพัลส์ที่มีความกว้างพัลส์ที่แตกต่างกัน ไม่ใช่รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าไซนูซอยด์ การขับมอเตอร์ด้วยแรงดันพัลส์เป็นสาเหตุพื้นฐานที่ทำให้มอเตอร์มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหาย

กลไกของอินเวอร์เตอร์ที่สร้างความเสียหายให้กับขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์

เมื่อแรงดันพัลส์ถูกส่งผ่านสายเคเบิล ถ้าอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลไม่ตรงกับอิมพีแดนซ์ของโหลด การสะท้อนจะเกิดขึ้นที่ปลายโหลด ผลของการสะท้อนเหล่านี้คือการซ้อนทับกันของคลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อน ส่งผลให้มีแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น แอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้านี้สามารถสูงถึงสองเท่าของแรงดันไฟฟ้า DC บัส ซึ่งเป็นประมาณสามเท่าของแรงดันไฟฟ้าอินพุตของอินเวอร์เตอร์ แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่มากเกินไปที่จ่ายให้กับขดลวดของสเตเตอร์ของมอเตอร์อาจทำให้เกิดไฟฟ้าช็อตที่ขดลวด และแรงดันไฟฟ้าเกินบ่อยครั้งอาจทำให้มอเตอร์ทำงานล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

อายุการใช้งานจริงของมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวแปลงความถี่ได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย รวมถึงอุณหภูมิ มลภาวะ การสั่นสะเทือน แรงดันไฟฟ้า ความถี่พาหะ และกระบวนการผลิตฉนวนคอยล์

ยิ่งความถี่พาหะของอินเวอร์เตอร์สูงเท่าใด รูปคลื่นกระแสเอาท์พุตก็จะยิ่งใกล้กับคลื่นไซน์มากขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดอุณหภูมิการทำงานของมอเตอร์และยืดอายุของฉนวน อย่างไรก็ตาม ความถี่พาหะที่สูงขึ้นหมายถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เกิดขึ้นต่อวินาทีและส่งผลกระทบต่อมอเตอร์มากขึ้น รูปที่ 4 แสดงการเปลี่ยนแปลงของอายุการใช้งานของฉนวนด้วยความยาวสายเคเบิลและความถี่พาหะ สำหรับสายเคเบิลยาว 200 ฟุต เมื่อความถี่พาหะเพิ่มขึ้นจาก 3kHz เป็น 12kHz (การเปลี่ยนแปลง 4 เท่า) อายุการใช้งานของฉนวนจะลดลงจากประมาณ 80,000 ชั่วโมงเป็น 20,000 ชั่วโมง (ความแตกต่าง 4 เท่า)

ยิ่งอุณหภูมิของมอเตอร์สูง อายุการใช้งานของฉนวนก็จะสั้นลง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 75°C อายุการใช้งานของมอเตอร์จะอยู่ที่ 50% เท่านั้น มอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวแปลงความถี่ เนื่องจากมีส่วนประกอบความถี่สูงมากกว่าในแรงดันไฟฟ้า PWM จึงมีอุณหภูมิที่สูงกว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าความถี่กำลัง

กลไกการที่ตัวแปลงความถี่สร้างความเสียหายให้กับแบริ่งมอเตอร์

สาเหตุของความเสียหายต่อแบริ่งมอเตอร์โดยตัวแปลงความถี่คือ มีกระแสไหลผ่านแบริ่ง และกระแสนี้อยู่ในสถานะเชื่อมต่อเป็นระยะๆ วงจรที่เชื่อมต่อเป็นระยะๆ จะสร้างส่วนโค้ง ซึ่งทำให้ตลับลูกปืนไหม้

มีสองสาเหตุหลักที่ทำให้กระแสไหลผ่านตลับลูกปืนของมอเตอร์สื่อสาร ประการแรก แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดจากความไม่สมดุลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายใน ประการที่สอง เส้นทางกระแสความถี่สูงที่เกิดจากความจุจรจัด

สนามแม่เหล็กภายในของมอเตอร์เหนี่ยวนำการสื่อสารในอุดมคติมีความสมมาตร เมื่อกระแสของขดลวดสามเฟสเท่ากันและมีความแตกต่างเฟส 120 องศา จะไม่มีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นที่เพลาของมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต PWM จากอินเวอร์เตอร์ทำให้เกิดความไม่สมดุลในสนามแม่เหล็กภายในของมอเตอร์ แรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นบนเพลา ขนาดของแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 10 ถึง 30V ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขณะขับขี่ ยิ่งแรงดันไฟฟ้าขับสูง แรงดันไฟฟ้าบนเพลาก็จะยิ่งสูงขึ้น

เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินความแข็งแรงของฉนวนของน้ำมันหล่อลื่นในตลับลูกปืน จะเกิดเส้นทางกระแสไฟฟ้าขึ้น ในระหว่างการหมุนของเพลา ณ เวลาหนึ่ง ฉนวนของน้ำมันหล่อลื่นจะขัดขวางกระแส กระบวนการนี้คล้ายกับกระบวนการเปิด-ปิดของสวิตช์เชิงกล ซึ่งสร้างส่วนโค้งและเผาพื้นผิวของเพลา บอล และโถเพลา ทำให้เกิดหลุมอุกกาบาต หากไม่มีการสั่นสะเทือนภายนอก หลุมอุกกาบาตขนาดเล็กจะไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตามหากมีการสั่นสะเทือนภายนอก จะเกิดร่องซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของมอเตอร์

นอกจากนี้ การทดลองยังแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าบนเพลายังสัมพันธ์กับความถี่พื้นฐานของแรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์อีกด้วย ยิ่งความถี่พื้นฐานต่ำลง แรงดันไฟฟ้าบนเพลาก็จะสูงขึ้น และความเสียหายของตลับลูกปืนจะรุนแรงมากขึ้น

ในระยะแรกของการทำงานของมอเตอร์ เมื่ออุณหภูมิน้ำมันหล่อลื่นต่ำ แอมพลิจูดของกระแสจะอยู่ระหว่าง 5-200mA ซึ่งกระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยจะไม่ทำให้ตลับลูกปืนเสียหาย อย่างไรก็ตาม ขณะที่มอเตอร์ทำงานเป็นระยะเวลาหนึ่งและอุณหภูมิน้ำมันหล่อลื่นเพิ่มขึ้น กระแสไฟสูงสุดสามารถสูงถึง 5-10A ซึ่งจะทำให้เกิดอาร์คและก่อตัวเป็นหลุมเล็กๆ บนพื้นผิวของส่วนประกอบตลับลูกปืน

การป้องกันขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์

เมื่อความยาวของสายเคเบิลเกิน 30 เมตร ตัวแปลงความถี่สมัยใหม่จะสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ปลายมอเตอร์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่งผลให้อายุการใช้งานของมอเตอร์สั้นลง เพื่อป้องกันความเสียหายต่อมอเตอร์ มีสองวิธี: วิธีหนึ่งคือการใช้มอเตอร์ที่มีฉนวนสูงกว่าทนต่อแรงดันไฟฟ้าสำหรับขดลวด (โดยทั่วไปเรียกว่ามอเตอร์ความถี่แปรผัน) และอีกวิธีคือใช้มาตรการเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าสูงสุด แนวทางแรกเหมาะสำหรับโครงการที่สร้างขึ้นใหม่ ในขณะที่แนวทางหลังเหมาะสำหรับการติดตั้งมอเตอร์ที่มีอยู่ใหม่

ปัจจุบันการป้องกันมอเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปมีสี่วิธี:

1) ติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์ที่ขั้วเอาท์พุทของตัวแปลงความถี่: โดยทั่วไปจะใช้มาตรการนี้ แต่ควรสังเกตว่าวิธีนี้มีผลกระทบบางอย่างกับสายเคเบิลที่สั้นกว่า (น้อยกว่า 30 เมตร) แต่บางครั้งผลลัพธ์ก็ไม่เหมาะ

2) ติดตั้งตัวกรอง dv/dt ที่เอาต์พุตของตัวแปลงความถี่: มาตรการนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ความยาวสายเคเบิลน้อยกว่า 300 เมตร ราคาสูงกว่าเครื่องปฏิกรณ์เล็กน้อย แต่ผลกระทบได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมาก

3) ติดตั้งตัวกรองคลื่นไซน์ที่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์: การวัดนี้เหมาะสมที่สุด เนื่องจากที่นี่ แรงดันพัลส์ PWM จะถูกแปลงเป็นแรงดันคลื่นไซน์ มอเตอร์จึงทำงานภายใต้สภาวะเดียวกับแรงดันไฟฟ้าความถี่กำลัง และปัญหาแรงดันไฟฟ้าพีคจะได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ (แม้ว่าสายเคเบิลจะยาว แต่ก็จะไม่มีจุดสูงสุด แรงดันไฟฟ้า).

4) ติดตั้งตัวดูดซับแรงดันไฟกระชากที่ส่วนต่อระหว่างสายเคเบิลกับมอเตอร์: ข้อเสียของมาตรการก่อนหน้านี้คือ เมื่อมอเตอร์มีกำลังสูง ปริมาณและน้ำหนักของเครื่องปฏิกรณ์หรือตัวกรองมีขนาดใหญ่ ราคาจะสูง นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์และตัวกรองจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตก ซึ่งส่งผลต่อแรงบิดเอาท์พุตของมอเตอร์ ด้วยการใช้ตัวดูดซับแรงดันไฟกระชากของตัวแปลงความถี่ จะสามารถเอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ได้