Tillkomsten av frekvensomriktare (VFD) har revolutionerat industriell automationskontroll och motorenergieffektivitet. VFD:er är praktiskt taget oumbärliga i industriell produktion, och även i det dagliga livet har de blivit integrerade komponenter i hissar och luftkonditioneringsapparater med variabel-frekvens. VFD:er har genomsyrat varje hörn av produktionen och det dagliga livet. Men de har också introducerat oöverträffade utmaningar, där motorskador är en av de mest framträdande frågorna.
Många har redan observerat fenomenet att VFD:er skadar motorer. Till exempel fick en pumptillverkare nyligen frekventa rapporter från kunder om pumpfel som inträffade inom garantiperioderna. Tidigare var denna tillverkares produkter kända för sin tillförlitlighet. Undersökningar visade att alla de skadade pumparna drevs av frekvensomriktare.
Även om frågan om VFD-inducerad motorskada får uppmärksamhet, är de underliggande mekanismerna fortfarande oklara och förebyggande åtgärder är i stort sett okända. Denna artikel syftar till att ta itu med dessa osäkerheter.
Skador på motorer orsakade av VFD
Skador på motorer från VFD:er visar sig på två primära sätt: skador på statorlindningen och lagerskador, som illustreras i figur 1. Sådana skador inträffar vanligtvis inom en tidsram som sträcker sig från flera veckor till över ett år. Den specifika varaktigheten beror på många faktorer, inklusive VFD-märket, motormärke, motoreffekt, VFD-bärfrekvens, kabellängd mellan VFD och motor och omgivningstemperatur. För tidigt motorfel orsakar betydande ekonomiska förluster för företagen. Dessa förluster omfattar inte bara reparations- och utbyteskostnader utan, mer kritiskt, de ekonomiska konsekvenserna av oväntade produktionsstopp. Därför, när man använder VFD för att driva motorer, kräver frågan om motorskador stor uppmärksamhet.
Skillnader mellan frekvensomriktare och linjefrekvensomriktare
För att förstå varför linjefrekvensmotorer är mer benägna att skadas under förhållanden med variabel frekvens, måste man först förstå skillnaderna mellan spänningen från en variabel frekvensomformare och linjefrekvensspänningen. Sedan måste man förstå hur dessa skillnader påverkar motorn negativt.
För att förstå varför motorer är mer benägna att skadas under VFD-drivförhållanden jämfört med linje-frekvensdrift, måste vi först undersöka skillnaderna mellan spänningen från en VFD och linje-frekvensspänning. Vi måste då förstå hur dessa skillnader påverkar motorn negativt.
Grundstrukturen för en frekvensomformare visas i figur 2, som består av två huvudsektioner: likriktarkretsen och växelriktarkretsen. Likriktarkretsen bildar en DC-spänningsutgångskrets som använder standarddioder och filterkondensatorer. Växelriktarkretsen omvandlar denna DC-spänning till en puls-breddmodulerad spänningsvågform (PWM-spänning). Följaktligen är spänningsvågformen som driver motorn från VFD:n en pulsvågform med varierande pulsbredd, inte en sinusformad spänningsvågform. Att driva motorn med denna pulsade spänning är den grundläggande orsaken till motorskador.
Mekanism för växelriktarskador på motorns statorlindningar
När pulsspänningar utbreder sig genom kablar, orsakar felaktig impedans mellan kabeln och lasten reflektioner vid laständen. Dessa reflektioner resulterar i överlagring av infallande och reflekterade vågor, vilket genererar betydligt högre spänningar. Deras amplitud kan nå upp till två gånger DC-bussspänningen-ungefär tre gånger växelriktarens inspänning-som illustreras i figur 3. Alltför höga spikspänningar som appliceras på motorns statorlindningar orsakar spänningsstötar. Frekventa överspänningsstötar kan leda till för tidigt motorfel.
Den faktiska livslängden för en motor som drivs av en frekvensomriktare efter att ha utsatts för spänningsspikar beror på många faktorer, inklusive temperatur, förorening, vibrationer, spänning, bärfrekvens och tillverkningsprocessen för spolens isolering.
Ju högre frekvensomvandlarens bärfrekvens är, desto närmare närmar sig utströmsvågformen en sinusvåg. Detta minskar motorns driftstemperatur och förlänger därmed isoleringens livslängd. En högre bärfrekvens betyder dock att fler spikspänningar genereras per sekund, vilket resulterar i mer frekventa stötar på motorn. Figur 4 visar hur isoleringens livslängd varierar med kabellängd och bärfrekvens. Grafen indikerar att för en 200-fots kabel, en ökning av bärfrekvensen från 3 kHz till 12 kHz (en fyrfaldig ökning) minskar isoleringens livslängd från cirka 80 000 timmar till 20 000 timmar (en fyrfaldig minskning).
Effekt av bärarfrekvens på isolering
Ju högre motortemperatur, desto kortare livslängd för isoleringen. Som visas i figur 5, när temperaturen stiger till 75 grader, reduceras motorns livslängd till endast 50 %. Motorer som drivs av frekvensomriktare (VFD) upplever betydligt högre temperaturer jämfört med de som drivs av nätfrekvensspänning, på grund av att PWM-spänningen innehåller en högre andel hög-komponenter.
Mekanism för skador på frekvensomriktare på motorlager
Orsaken till skador på frekvensomriktare på motorlager är strömflödet genom lagren, som sker i ett intermittent anslutet tillstånd. Intermittent anslutna kretsar genererar ljusbågar, och dessa ljusbågar bränner ut lagren.
Två primära orsaker inducerar strömflöde genom AC-motorlager: för det första inducerad spänning från inre elektromagnetisk fältobalans; andra, högfrekventa-strömbanor skapade av strökapacitans.
I en idealisk AC-induktionsmotor är det interna magnetfältet symmetriskt. När strömmarna i tre-faslindningarna är lika och fas-förskjuts med 120 grader, induceras ingen spänning på motoraxeln. Men när PWM-spänningen som utmatas från växelriktaren orsakar magnetfältsasymmetri i motorn, induceras spänning på axeln. Denna spänning sträcker sig vanligtvis från 10 till 30V, beroende på drivspänningen -högre drivspänning resulterar i högre axelspänning. Om denna spänning överstiger isoleringshållfastheten hos smörjoljan i lagret, bildas en elektrisk bana. När axeln roterar avbryter smörjoljans isolering med jämna mellanrum strömflödet. Denna process liknar växlingsverkan hos en mekanisk omkopplare, och genererar ljusbågar som eroderar ytorna på axeln, kulorna och lagerbanorna och bildar gropar. Utan yttre vibrationer orsakar mindre gropbildning minimal påverkan. Men i kombination med yttre vibrationer skapar det spår som avsevärt försämrar motorns funktion.
Dessutom indikerar experiment att spänningen på axeln också är relaterad till grundfrekvensen för växelriktarens utspänning. Ju lägre grundfrekvens, desto högre spänning på axeln, vilket resulterar i allvarligare lagerskador.
Under den initiala driftfasen när smörjmedelstemperaturen är låg sträcker sig strömamplituderna från 5 till 200 mA. Så låga strömmar orsakar inga lagerskador. Men efter långvarig drift, när smörjmedelstemperaturen stiger, kan toppströmmar nå 5 till 10 A. Detta inducerar ljusbågar och bildar mikro-gropar på lagerytor.
Skyddar motorstatorlindningar
När kabellängder överstiger 30 meter genererar moderna frekvensomriktare (VFD) oundvikligen spikspänningar vid motorterminalerna, vilket förkortar motorns livslängd. Två tillvägagångssätt förhindrar motorskador: att använda motorer med högre lindningsisoleringsnedbrytningsstyrka (vanligen kallade VFD-kompatibla motorer) eller implementera åtgärder för att minska spikspänningarna. Den förra är lämplig för nya projekt, medan den senare är idealisk för eftermontering av befintliga motorer.
För närvarande används fyra vanliga motorskyddsmetoder:
(1) Installation av reaktorer vid växelriktarens utgång: Detta är den mest använda metoden. Observera dock att även om den är effektiv för kortare kablar (under 30 meter), kan dess prestanda ibland vara suboptimal, som visas i figur 6(c).
(2) Installation av ett dv/dt-filter vid växelriktarens utgång: Detta är lämpligt för kabellängder under 300 meter. Även om det är något dyrare än reaktorer, ger det avsevärt förbättrade resultat, som visas i figur 6(d).
(3) Installation av ett sinusvågsfilter vid växelriktarens utgång: Detta är den mest idealiska lösningen. Genom att omvandla PWM-pulsspänningen till en sinusvågsspänning, arbetar motorn under förhållanden som är identiska med nätfrekvensspänningen. Detta tillvägagångssätt löser problemet med spikspänning helt (spikspänningar kommer inte att uppstå oavsett kabellängd).
(4) Installation av en spikspänningsabsorbator vid kabel-motorgränssnittet: Nackdelarna med de tidigare åtgärderna är att reaktorer eller filter blir skrymmande, tunga och dyra för motorer med hög-effekt. Dessutom orsakar både reaktorer och filter spänningsfall som minskar motorns utgående vridmoment. Genom att använda en inverterspikspänningsabsorbator övervinns dessa begränsningar. SVA överspänningsabsorbenten utvecklad av 706 Institute of Second Academy of CASIC använder avancerad kraftelektronik och intelligent styrteknik, vilket gör den till en idealisk lösning för att förhindra motorskador. Dessutom skyddar SVA överspänningsdämparen även motorlagren.