Pojava pogona s promjenjivom frekvencijom (VFD) revolucionirala je kontrolu industrijske automatizacije i energetsku učinkovitost motora. VFD-ovi su gotovo nezamjenjivi u industrijskoj proizvodnji, pa čak iu svakodnevnom životu postali su sastavni dijelovi dizala i klima-uređaja-promjenjive frekvencije. VFD-ovi su proželi svaki kutak proizvodnje i svakodnevnog života. Međutim, također su uveli izazove bez presedana, pri čemu je oštećenje motora jedan od najistaknutijih problema.
Mnogi su već primijetili fenomen VFD-ova koji oštećuju motore. Na primjer, proizvođač crpki nedavno se suočio s čestim prijavama kupaca o kvarovima pumpi koji su se dogodili tijekom jamstvenog roka. Ranije su proizvodi ovog proizvođača bili poznati po svojoj pouzdanosti. Istragom je utvrđeno da su sve oštećene crpke pokretale frekventni pogoni.
Iako pitanje motoričkih oštećenja izazvanih VFD-privlači pažnju, temeljni mehanizmi ostaju nejasni, a preventivne mjere uglavnom nepoznate. Ovaj članak ima za cilj riješiti te nesigurnosti.
Oštećenje motora uzrokovano VFD-ovima
Oštećenje motora od VFD-a očituje se na dva primarna načina: oštećenje namota statora i oštećenje ležaja, kao što je ilustrirano na slici 1. Takvo se oštećenje obično događa u vremenskom rasponu od nekoliko tjedana do više od godinu dana. Specifično trajanje ovisi o brojnim čimbenicima, uključujući marku VFD-a, marku motora, nazivnu snagu motora, frekvenciju nosača VFD-a, duljinu kabela između VFD-a i motora i temperaturu okoline. Prijevremeni kvar motora nanosi znatne ekonomske gubitke poduzećima. Ovi gubici ne obuhvaćaju samo troškove popravka i zamjene, već, što je još kritičnije, financijski učinak neočekivanog prekida proizvodnje. Stoga, kada se koriste VFD za pogon motora, problem oštećenja motora zahtijeva značajnu pozornost.
Razlike između pogona promjenjive frekvencije i pogona mrežne frekvencije
Da bismo razumjeli zašto su motori mrežne frekvencije skloniji oštećenjima u uvjetima pogona varijabilne frekvencije, prvo se moraju shvatiti razlike između napona koji dovodi pogon varijabilne frekvencije i napona mrežne frekvencije. Zatim, treba razumjeti kako te razlike nepovoljno utječu na motor.
Da bismo razumjeli zašto su motori skloniji oštećenjima u uvjetima pogona VFD-a u usporedbi s radom s-linijskim frekvencijama, prvo moramo ispitati razlike između napona koji daje VFD i napona-linijske frekvencije. Zatim moramo razumjeti kako te razlike negativno utječu na motor.
Osnovna struktura pogona promjenjive frekvencije prikazana je na slici 2, a sastoji se od dva glavna dijela: ispravljačkog kruga i inverterskog kruga. Ispravljački krug tvori izlazni krug istosmjernog napona pomoću standardnih dioda i filterskih kondenzatora. Inverterski krug pretvara ovaj istosmjerni napon u valni oblik napona moduliran -širinom impulsa (PWM napon). Posljedično, valni oblik napona koji pokreće motor iz VFD-a je valni oblik pulsa s različitim širinama impulsa, a ne valni oblik sinusoidnog napona. Pokretanje motora s ovim impulsnim naponom temeljni je uzrok oštećenja motora.
Mehanizam inverterskog oštećenja namota statora motora
Kada se impulsni napon širi kroz kabele, neusklađena impedancija između kabela i opterećenja uzrokuje refleksije na kraju opterećenja. Ove refleksije rezultiraju superpozicijom upadnih i reflektiranih valova, generirajući znatno više napone. Njihova amplituda može doseći do dvostrukog napona istosmjerne sabirnice-otprilike tri puta većeg od ulaznog napona pretvarača-kao što je prikazano na slici 3. Pretjerano visoki skokovi napona primijenjeni na namote statora motora uzrokuju skokove napona. Česti prenaponski udari mogu dovesti do preranog kvara motora.
Stvarni životni vijek motora kojeg pokreće pogon s promjenjivom frekvencijom nakon što je bio izložen skokovima napona ovisi o brojnim čimbenicima, uključujući temperaturu, onečišćenje, vibracije, napon, nosivu frekvenciju i proizvodni proces izolacije zavojnice.
Što je veća nosiva frekvencija pretvarača frekvencije, to se valni oblik izlazne struje približava sinusnom valu. To smanjuje radnu temperaturu motora, čime se produljuje životni vijek izolacije. Međutim, viša nosiva frekvencija znači više generiranih šiljastih napona u sekundi, što rezultira češćim udarima na motor. Slika 4 ilustrira kako životni vijek izolacije varira s duljinom kabela i frekvencijom nosača. Grafikon pokazuje da za kabel od 200 stopa povećanje frekvencije nosača s 3 kHz na 12 kHz (četverostruko povećanje) smanjuje životni vijek izolacije s približno 80 000 sati na 20 000 sati (četverostruko smanjenje).
Učinak nosive frekvencije na izolaciju
Što je viša temperatura motora, to je kraći životni vijek izolacije. Kao što je prikazano na slici 5, kada temperatura poraste na 75 stupnjeva, životni vijek motora smanjuje se na samo 50%. Motori koje pokreću pogoni s promjenjivom frekvencijom (VFD) doživljavaju znatno više temperature u usporedbi s onima koje pokreću naponi električne frekvencije, zbog PWM napona koji sadrži veći udio visoko-frekventnih komponenti.
Mehanizam oštećenja pogona promjenjive frekvencije na ležajevima motora
Uzrok oštećenja frekventnog pogona na ležajevima motora je protok struje kroz ležajeve, koji se javlja u povremeno spojenom stanju. Isprekidano povezani krugovi stvaraju lukove, a ti lukovi spaljuju ležajeve.
Dva primarna uzroka induciraju protok struje kroz ležajeve AC motora: prvi, inducirani napon zbog neravnoteže unutarnjeg elektromagnetskog polja; drugo, visoko{0}}frekventni strujni putevi koje stvara lutajući kapacitet.
U idealnom AC indukcijskom motoru unutarnje magnetsko polje je simetrično. Kada su struje u tro-faznim namotima jednake i fazno-pomaknute za 120 stupnjeva, na osovini motora se ne inducira napon. Međutim, kada izlazni PWM napon iz pretvarača uzrokuje asimetriju magnetskog polja unutar motora, na osovini se inducira napon. Taj se napon obično kreće od 10 do 30 V, ovisno o pogonskom naponu-viši pogonski napon rezultira višim naponom osovine. Ako taj napon premašuje izolacijsku čvrstoću ulja za podmazivanje unutar ležaja, stvara se električni put. Kako se osovina okreće, izolacija ulja za podmazivanje povremeno prekida protok struje. Ovaj proces nalikuje preklapanju mehaničkog prekidača, stvarajući iskrenje koje nagriza površine osovine, kuglica i prstenova ležajeva, stvarajući udubljenja. Bez vanjskih vibracija, manja udubljenja uzrokuju minimalan udar. Međutim, u kombinaciji s vanjskim vibracijama, stvara brazde koje značajno oštećuju rad motora.
Dodatno, eksperimenti pokazuju da je napon na osovini također povezan s osnovnom frekvencijom izlaznog napona pretvarača. Što je osnovna frekvencija niža, to je veći napon na osovini, što dovodi do ozbiljnijih oštećenja ležaja.
Tijekom početne faze rada kada je temperatura maziva niska, amplitude struje kreću se od 5 do 200 mA. Tako niske struje ne uzrokuju oštećenja ležajeva. Međutim, nakon duljeg rada, kako temperatura maziva raste, vršne struje mogu doseći 5 do 10 A. To uzrokuje iskrenje, stvarajući mikro-rupe na površinama ležaja.
Zaštita namota statora motora
Kada duljina kabela premaši 30 metara, moderni pogoni s promjenjivom frekvencijom (VFD) neizbježno stvaraju skokove napona na stezaljkama motora, skraćujući životni vijek motora. Dva pristupa sprječavaju oštećenje motora: korištenje motora s većom otpornošću na proboj izolacije namota (obično zvani VFD-kompatibilni motori) ili provedba mjera za smanjenje šiljastih napona. Prvi je prikladan za nove projekte, dok je drugi idealan za naknadnu ugradnju postojećih motora.
Trenutno se koriste četiri uobičajene metode zaštite motora:
(1) Ugradnja prigušnica na izlaz pretvarača: Ovo je najčešće korišteni pristup. Međutim, imajte na umu da iako je učinkovit za kraće kabele (ispod 30 metara), njegova izvedba ponekad može biti ispod optimalne, kao što je prikazano na slici 6(c).
(2) Ugradnja dv/dt filtra na izlaz pretvarača: Ovo je prikladno za duljine kabela ispod 300 metara. Iako je malo skuplji od reaktora, daje značajno poboljšane rezultate, kao što je prikazano na slici 6(d).
(3) Ugradnja filtra sinusnog vala na izlaz pretvarača: Ovo je najidealnije rješenje. Pretvaranjem PWM impulsnog napona u napon sinusnog vala, motor radi pod uvjetima identičnim onima za napon mrežne frekvencije. Ovaj pristup u potpunosti rješava problem skoka napona (šiljak napona se neće pojaviti bez obzira na duljinu kabela).
(4) Ugradnja prigušivača napona na sučelje kabelskog-motora: Nedostaci prethodnih mjera su da prigušnice ili filtri postaju glomazni, teški i skupi za-motore velike snage. Dodatno, i prigušnice i filtri uzrokuju padove napona koji smanjuju izlazni moment motora. Korištenjem inverterskog apsorbera napona prevladavaju se ta ograničenja. SVA apsorber udarnog napona koji je razvio Institut 706 Druge akademije CASIC koristi naprednu energetsku elektroniku i inteligentnu tehnologiju upravljanja, što ga čini idealnim rješenjem za sprječavanje oštećenja motora. Nadalje, SVA prigušivač prenapona također štiti ležajeve motora.