Apariția variatoarelor de frecvență (VFD) a revoluționat controlul automatizării industriale și eficiența energetică a motorului. VFD-urile sunt practic indispensabile în producția industrială și, chiar și în viața de zi cu zi, au devenit componente integrante ale ascensoarelor și ale aparatelor de aer condiționat cu frecvență variabilă-. VFD-urile au pătruns în fiecare colț al producției și al vieții de zi cu zi. Cu toate acestea, au introdus și provocări fără precedent, deteriorarea motorului fiind una dintre cele mai importante probleme.
Mulți au observat deja fenomenul VFD-urilor care deteriorează motoarele. De exemplu, un producător de pompe s-a confruntat recent cu rapoarte frecvente din partea clienților despre defecțiuni ale pompei care au avut loc în perioadele de garanție. Anterior, produsele acestui producător erau cunoscute pentru fiabilitatea lor. Ancheta a arătat că toate pompele avariate au fost acționate de variatoare de frecvență.
Deși problema daunelor motorii induse de VFD-a câștigat atenție, mecanismele de bază rămân neclare, iar măsurile preventive sunt în mare parte necunoscute. Acest articol își propune să abordeze aceste incertitudini.
Daune la motoare cauzate de VFD
Deteriorarea motoarelor de la VFD se manifestă în două moduri principale: deteriorarea înfășurării statorului și deteriorarea rulmenților, așa cum este ilustrat în Figura 1. Astfel de daune apar de obicei într-un interval de timp care variază de la câteva săptămâni la peste un an. Durata specifică depinde de numeroși factori, inclusiv marca VFD, marca motorului, puterea nominală a motorului, frecvența purtătoarei VFD, lungimea cablului dintre VFD și motor și temperatura ambiantă. Defecțiunea prematură a motorului provoacă pierderi economice substanțiale întreprinderilor. Aceste pierderi cuprind nu numai costurile de reparație și înlocuire, ci, mai ales, impactul financiar al timpului neașteptat al producției. Prin urmare, atunci când se utilizează VFD pentru a acționa motoare, problema deteriorării motorului necesită o atenție semnificativă.
Diferențele dintre unitatea de frecvență variabilă și unitatea de frecvență de linie
Pentru a înțelege de ce motoarele cu frecvență de linie sunt mai predispuse la deteriorare în condiții de variator de frecvență, trebuie mai întâi să înțelegem diferențele dintre tensiunea furnizată de un variator de frecvență și tensiunea de frecvență de linie. Apoi, trebuie să înțelegeți cum aceste diferențe afectează negativ motorul.
Pentru a înțelege de ce motoarele sunt mai predispuse la deteriorări în condițiile de acționare VFD în comparație cu funcționarea cu frecvență de linie-, trebuie să examinăm mai întâi diferențele dintre tensiunea furnizată de un VFD și tensiunea de frecvență de linie-. Apoi, trebuie să înțelegem cum aceste diferențe afectează negativ motorul.
Structura de bază a unui variator de frecvență este prezentată în Figura 2, cuprinzând două secțiuni principale: circuitul redresor și circuitul invertor. Circuitul redresor formează un circuit de ieșire cu tensiune DC folosind diode standard și condensatori de filtru. Circuitul invertorului convertește această tensiune de curent continuu într-o formă de undă de tensiune modulată pe lățime de impuls-(tensiune PWM). În consecință, forma de undă de tensiune care conduce motorul de la VFD este o formă de undă de impuls cu lățimi variabile de impuls, nu o formă de undă de tensiune sinusoidală. Conducerea motorului cu această tensiune pulsată este cauza fundamentală a deteriorării motorului.
Mecanismul de deteriorare a invertorului la înfășurările statorului motorului
Când tensiunile impulsurilor se propagă prin cabluri, impedanța nepotrivită între cablu și sarcină provoacă reflexii la capătul sarcinii. Aceste reflexii au ca rezultat suprapunerea undelor incidente și reflectate, generând tensiuni semnificativ mai mari. Amplitudinea lor poate atinge până la dublul tensiunii magistralei DC-aproximativ de trei ori mai mare decât tensiunea de intrare a invertorului-după cum este ilustrat în Figura 3. Tensiunile de vârf excesiv de mari aplicate înfășurărilor statorului motorului provoacă supratensiuni. Creșterile frecvente de supratensiune pot duce la o defecțiune prematură a motorului.
Durata de viață reală a unui motor acționat de un variator de frecvență după ce a fost supus la vârfuri de tensiune depinde de numeroși factori, inclusiv de temperatură, contaminare, vibrații, tensiune, frecvență purtătoare și procesul de fabricație al izolației bobinei.
Cu cât frecvența purtătorului convertizorului de frecvență este mai mare, cu atât forma de undă a curentului de ieșire se apropie mai mult de unda sinusoidală. Acest lucru reduce temperatura de funcționare a motorului, extinzând astfel durata de viață a izolației. Cu toate acestea, o frecvență purtătoare mai mare înseamnă mai multe tensiuni de vârf generate pe secundă, ceea ce duce la impacturi mai frecvente asupra motorului. Figura 4 ilustrează modul în care durata de viață a izolației variază în funcție de lungimea cablului și de frecvența purtătorului. Graficul indică faptul că pentru un cablu de 200 de picioare, creșterea frecvenței purtătorului de la 3 kHz la 12 kHz (o creștere de patru ori) reduce durata de viață a izolației de la aproximativ 80.000 de ore la 20.000 de ore (o scădere de patru ori).
Efectul frecvenței purtătorului asupra izolației
Cu cât temperatura motorului este mai mare, cu atât durata de viață a izolației este mai scurtă. După cum se arată în Figura 5, când temperatura crește la 75 de grade, durata de viață a motorului este redusă la doar 50%. Motoarele acționate de variatoare de frecvență (VFD) se confruntă cu temperaturi semnificativ mai ridicate în comparație cu cele conduse de tensiunea de frecvență de utilitate, datorită tensiunii PWM care conține o proporție mai mare de componente de-frecvență înaltă.
Mecanismul de deteriorare a rulmenților motorului cu frecvență variabilă
Cauza deteriorării rulmenților motorului este fluxul de curent prin rulmenți, care are loc într-o stare conectată intermitent. Circuitele conectate intermitent generează arcuri, iar aceste arcuri ard lagărele.
Două cauze principale induc fluxul de curent prin rulmenții motorului de curent alternativ: în primul rând, tensiunea indusă din dezechilibrul câmpului electromagnetic intern; în al doilea rând, căile de-curenți de înaltă frecvență create de capacitatea parazită.
Într-un motor cu inducție AC ideal, câmpul magnetic intern este simetric. Când curenții din înfășurările cu trei-faze sunt egali și-defazați cu 120 de grade, nu este indusă nicio tensiune pe arborele motorului. Cu toate acestea, atunci când tensiunea PWM de ieșire de la invertor provoacă asimetrie a câmpului magnetic în interiorul motorului, tensiunea este indusă pe arbore. Această tensiune variază de obicei între 10 și 30 V, în funcție de tensiunea de antrenare-tensiunea de antrenare mai mare duce la o tensiune mai mare pe arbore. Dacă această tensiune depășește rezistența de izolație a uleiului de lubrifiere din rulment, se formează o cale electrică. Pe măsură ce arborele se rotește, izolația uleiului de lubrifiere întrerupe periodic fluxul de curent. Acest proces seamănă cu acțiunea de comutare a unui comutator mecanic, generând arc care erodează suprafețele arborelui, bilelor și pistelor de rulment, formând gropi. Fără vibrații externe, sâmburi minore provoacă un impact minim. Cu toate acestea, atunci când este combinat cu vibrații externe, creează caneluri care afectează semnificativ funcționarea motorului.
În plus, experimentele indică faptul că tensiunea de pe arbore este, de asemenea, legată de frecvența fundamentală a tensiunii de ieșire a invertorului. Cu cât frecvența fundamentală este mai mică, cu atât este mai mare tensiunea pe arbore, ceea ce duce la deteriorarea mai gravă a rulmentului.
În timpul fazei inițiale de funcționare, când temperatura lubrifiantului este scăzută, amplitudinile curentului variază de la 5 la 200 mA. Curenții atât de mici nu provoacă daune lagărelor. Cu toate acestea, după o funcționare prelungită, pe măsură ce temperatura lubrifiantului crește, curenții de vârf pot ajunge la 5 până la 10 A. Acest lucru induce arcul electric, formând micro-gropi pe suprafețele lagărelor.
Protejarea înfășurărilor statorului motorului
Când lungimea cablului depășește 30 de metri, variatoarele moderne de frecvență (VFD) generează inevitabil tensiuni de vârf la bornele motorului, scurtând durata de viață a motorului. Două abordări previn deteriorarea motorului: utilizarea motoarelor cu o rezistență mai mare la rupere a izolației înfășurării (denumite în mod obișnuit motoare compatibile VFD-) sau implementarea unor măsuri pentru reducerea tensiunilor de vârf. Primul este potrivit pentru proiecte noi, în timp ce al doilea este ideal pentru modernizarea motoarelor existente.
În prezent, sunt utilizate patru metode comune de protecție a motorului:
(1) Instalarea reactoarelor la ieșirea invertorului: Aceasta este abordarea cel mai frecvent utilizată. Cu toate acestea, rețineți că, deși este eficient pentru cabluri mai scurte (sub 30 de metri), performanța acestuia poate fi uneori suboptimă, așa cum se arată în Figura 6(c).
(2) Instalarea unui filtru dv/dt la ieșirea invertorului: Acesta este potrivit pentru lungimi de cablu sub 300 de metri. Deși puțin mai scump decât reactoarele, oferă rezultate semnificativ îmbunătățite, așa cum se arată în Figura 6(d).
(3) Instalarea unui filtru de undă sinusoidală la ieșirea invertorului: Aceasta este soluția cea mai ideală. Prin conversia tensiunii impulsului PWM într-o tensiune sinusoidală, motorul funcționează în condiții identice cu cele ale tensiunii de frecvență de linie. Această abordare rezolvă complet problema tensiunii de vârf (tensiunile de vârf nu vor apărea indiferent de lungimea cablului).
(4) Instalarea unui amortizor de tensiune de vârf la interfața cablu-motor: dezavantajele măsurilor anterioare sunt că reactoarele sau filtrele devin voluminoase, grele și costisitoare pentru motoarele de-putere mare. În plus, atât reactoarele, cât și filtrele provoacă căderi de tensiune care reduc cuplul de ieșire a motorului. Utilizarea unui absorbator de tensiune invertor depășește aceste limitări. Absorbtorul de supratensiune SVA dezvoltat de Institutul 706 al celei de-a doua Academii a CASIC folosește electronică avansată de putere și tehnologie de control inteligent, ceea ce îl face o soluție ideală pentru prevenirea deteriorării motorului. În plus, amortizorul de supratensiune SVA protejează și rulmenții motorului.