Появата на задвижвания с променлива честота (VFD) революционизира управлението на индустриалната автоматизация и енергийната ефективност на двигателя. VFD са практически незаменими в промишленото производство и дори в ежедневието те са се превърнали в неразделни компоненти в асансьори и климатици с-променлива честота. VFD са проникнали във всеки ъгъл на производството и ежедневието. Те обаче въведоха и безпрецедентни предизвикателства, като повредата на двигателя е един от най-важните проблеми.
Мнозина вече са наблюдавали феномена на VFD, които увреждат двигателите. Например, производител на помпи наскоро се сблъска с чести доклади от клиенти за повреди на помпата, възникващи в рамките на гаранционните периоди. Преди това продуктите на този производител бяха известни със своята надеждност. Разследването разкри, че всички повредени помпи са били задвижвани от задвижвания с променлива честота.
Въпреки че проблемът с двигателните увреждания, предизвикани от VFD-, привлича вниманието, основните механизми остават неясни и превантивните мерки са до голяма степен неизвестни. Тази статия има за цел да отговори на тези несигурности.
Повреда на двигателите, причинена от VFD
Повредата на двигателите от VFD се проявява по два основни начина: повреда на намотката на статора и повреда на лагера, както е показано на Фигура 1. Подобна повреда обикновено възниква в рамките на период от време, вариращ от няколко седмици до повече от година. Конкретната продължителност зависи от множество фактори, включително марката на VFD, марката на двигателя, номиналната мощност на двигателя, носещата честота на VFD, дължината на кабела между VFD и двигателя и температурата на околната среда. Преждевременната повреда на двигателя нанася значителни икономически загуби на предприятията. Тези загуби включват не само разходите за ремонт и подмяна, но, което е по-критично, финансовото въздействие на неочаквано спиране на производството. Следователно, когато се използват VFD за задвижване на двигатели, проблемът с повредата на двигателя изисква значително внимание.
Разлики между задвижване с променлива честота и задвижване с линейна честота
За да разберете защо двигателите с честотна мрежа са по-податливи на повреда при условия на задвижване с променлива честота, първо трябва да разберете разликите между напрежението, доставяно от задвижване с променлива честота, и напрежението на честотната мрежа. След това трябва да разберете как тези разлики влияят неблагоприятно на двигателя.
За да разберем защо двигателите са по-податливи на повреда при условия на задвижване с VFD в сравнение с работа с-честота на линията, първо трябва да проучим разликите между напрежението, доставяно от VFD, и напрежението с честота на линия-. След това трябва да разберем как тези разлики влияят отрицателно на двигателя.
Основната структура на задвижване с променлива честота е показана на фигура 2, включваща две основни секции: токоизправителна верига и инверторна верига. Токоизправителната верига образува изходна верига за постоянно напрежение, използвайки стандартни диоди и филтърни кондензатори. Инверторната верига преобразува това постоянно напрежение в импулсно-модулирана форма на вълната на напрежение (ШИМ напрежение). Следователно, формата на вълната на напрежението, задвижваща двигателя от VFD, е форма на импулсна вълна с различна ширина на импулса, а не синусоидална форма на вълната на напрежението. Задвижването на двигателя с това импулсно напрежение е основната причина за повреда на двигателя.
Механизъм на повреда на инвертора на намотките на статора на двигателя
Когато импулсните напрежения се разпространяват през кабелите, несъответстващият импеданс между кабела и товара причинява отражения в края на товара. Тези отражения водят до суперпозиция на падащи и отразени вълни, генерирайки значително по-високи напрежения. Тяхната амплитуда може да достигне до два пъти напрежението на шината за постоянен ток-приблизително три пъти по-голямо от входното напрежение на инвертора-както е илюстрирано на Фигура 3. Прекалено високите пикови напрежения, приложени към намотките на статора на двигателя, причиняват скокове на напрежението. Честите пренапрежения могат да доведат до преждевременна повреда на двигателя.
Действителният живот на мотор, задвижван от задвижване с променлива честота, след като е бил подложен на пикове на напрежението, зависи от множество фактори, включително температура, замърсяване, вибрации, напрежение, носеща честота и производствения процес на изолацията на бобината.
Колкото по-висока е носещата честота на честотния преобразувател, толкова по-близо е формата на вълната на изходния ток до синусоида. Това намалява работната температура на двигателя, като по този начин удължава живота на изолацията. По-високата носеща честота обаче означава повече пикови напрежения, генерирани за секунда, което води до по-чести удари върху двигателя. Фигура 4 илюстрира как животът на изолацията варира в зависимост от дължината на кабела и носещата честота. Графиката показва, че за 200-футов кабел увеличаването на носещата честота от 3 kHz на 12 kHz (четирикратно увеличение) намалява живота на изолацията от приблизително 80 000 часа на 20 000 часа (четирикратно намаление).
Ефект на носещата честота върху изолацията
Колкото по-висока е температурата на двигателя, толкова по-кратък е животът на изолацията. Както е показано на фигура 5, когато температурата се повиши до 75 градуса, животът на двигателя се намалява само до 50%. Двигателите, задвижвани от задвижвания с променлива честота (VFD), изпитват значително по-високи температури в сравнение с тези, задвижвани от напрежение на основната честота, поради PWM напрежението, съдържащо по-висок дял високо-честотни компоненти.
Механизъм на повреда на двигателните лагери с променлива честота
Причината за повреда на променливата честота на лагерите на двигателя е протичането на ток през лагерите, което се случва в периодично свързано състояние. Периодично свързаните вериги генерират дъги и тези дъги изгарят лагерите.
Две основни причини предизвикват протичане на ток през лагерите на AC мотора: първо, индуцирано напрежение от дисбаланс на вътрешното електромагнитно поле; второ, високо{0}}честотни токови пътища, създадени от паразитен капацитет.
В идеален AC индукционен двигател вътрешното магнитно поле е симетрично. Когато токовете в три-фазните намотки са еднакви и фазово-изместени на 120 градуса, не се индуцира напрежение върху вала на двигателя. Въпреки това, когато изходното PWM напрежение от инвертора причини асиметрия на магнитното поле в двигателя, напрежението се индуцира на вала. Това напрежение обикновено варира от 10 до 30 V, в зависимост от задвижващото напрежение-по-високото задвижващо напрежение води до по-високо напрежение на вала. Ако това напрежение надвиши изолационната якост на смазочното масло в лагера, се образува електрически път. Докато валът се върти, изолацията на смазочното масло периодично прекъсва токовия поток. Този процес наподобява превключващото действие на механичен превключвател, генерирайки дъга, която разяжда повърхностите на вала, сачмите и лагерните пръстени, образувайки вдлъбнатини. Без външни вибрации, леките хлътвания причиняват минимален удар. Въпреки това, когато се комбинира с външна вибрация, тя създава канали, които значително влошават работата на двигателя.
Освен това експериментите показват, че напрежението на вала също е свързано с основната честота на изходното напрежение на инвертора. Колкото по-ниска е основната честота, толкова по-високо е напрежението на вала, което води до по-сериозна повреда на лагера.
По време на началната фаза на работа, когато температурата на смазката е ниска, амплитудите на тока варират от 5 до 200 mA. Такива ниски токове не причиняват повреда на лагера. Въпреки това, след продължителна работа, с повишаване на температурата на смазката, пиковите токове могат да достигнат 5 до 10 A. Това предизвиква дъгова дъга, образуваща микро-вдлъбнатини върху лагерните повърхности.
Защита на намотките на статора на двигателя
Когато дължината на кабела надвишава 30 метра, модерните задвижвания с променлива честота (VFD) неизбежно генерират пикови напрежения на клемите на двигателя, съкращавайки живота на двигателя. Два подхода предотвратяват повреда на двигателя: използване на двигатели с по-висока якост на пробив на изолацията на намотката (обикновено наричани VFD-съвместими двигатели) или прилагане на мерки за намаляване на пиковите напрежения. Първият е подходящ за нови проекти, докато вторият е идеален за преоборудване на съществуващи двигатели.
Понастоящем се използват четири общи метода за защита на двигателя:
(1) Инсталиране на реактори на изхода на инвертора: Това е най-често използваният подход. Обърнете внимание обаче, че въпреки че е ефективен за по-къси кабели (под 30 метра), работата му понякога може да бъде неоптимална, както е показано на Фигура 6(c).
(2) Инсталиране на dv/dt филтър на изхода на инвертора: Това е подходящо за кабели с дължина под 300 метра. Въпреки че е малко по-скъп от реакторите, той осигурява значително подобрени резултати, както е показано на фигура 6(d).
(3) Инсталиране на синусоидален филтър на изхода на инвертора: Това е най-идеалното решение. Чрез преобразуване на импулсното напрежение на PWM в напрежение на синусоида, двигателят работи при условия, идентични с тези на честотното напрежение на мрежата. Този подход напълно разрешава проблема с пиковите напрежения (пиковите напрежения няма да се появят независимо от дължината на кабела).
(4) Инсталиране на абсорбер на пиково напрежение в интерфейса на кабела-мотор: Недостатъците на предишните мерки са, че реакторите или филтрите стават обемисти, тежки и скъпи за двигатели с висока-мощност. Освен това и реакторите, и филтрите причиняват спадове на напрежението, които намаляват изходния въртящ момент на двигателя. Използването на инверторен абсорбатор на пиково напрежение преодолява тези ограничения. Абсорбаторът на пренапрежение SVA, разработен от Института 706 към Втората академия на CASIC, използва усъвършенствана силова електроника и интелигентна технология за управление, което го прави идеално решение за предотвратяване на повреда на двигателя. Освен това SVA абсорберът на пренапрежение предпазва и лагерите на двигателя.