Η εμφάνιση των μονάδων μεταβλητής συχνότητας (VFD) έφερε επανάσταση στον έλεγχο του βιομηχανικού αυτοματισμού και στην ενεργειακή απόδοση του κινητήρα. Τα VFD είναι ουσιαστικά απαραίτητα στη βιομηχανική παραγωγή, και ακόμη και στην καθημερινή ζωή, έχουν γίνει αναπόσπαστα εξαρτήματα σε ανελκυστήρες και κλιματιστικά μεταβλητής-συχνότητας. Τα VFD έχουν διαποτίσει κάθε γωνιά της παραγωγής και της καθημερινής ζωής. Ωστόσο, έχουν εισαγάγει επίσης πρωτόγνωρες προκλήσεις, με τη βλάβη του κινητήρα να είναι ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα.
Πολλοί έχουν ήδη παρατηρήσει το φαινόμενο των VFD να καταστρέφουν τους κινητήρες. Για παράδειγμα, ένας κατασκευαστής αντλιών αντιμετώπισε πρόσφατα συχνές αναφορές από πελάτες σχετικά με αστοχίες αντλίας που σημειώθηκαν εντός των περιόδων εγγύησης. Προηγουμένως, τα προϊόντα αυτού του κατασκευαστή ήταν γνωστά για την αξιοπιστία τους. Η έρευνα αποκάλυψε ότι όλες οι κατεστραμμένες αντλίες κινούνταν από κινητήρες μεταβλητής συχνότητας.
Αν και το θέμα της βλάβης του κινητήρα που προκαλείται από VFD-κερδίζει την προσοχή, οι υποκείμενοι μηχανισμοί παραμένουν ασαφείς και τα προληπτικά μέτρα είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστα. Αυτό το άρθρο στοχεύει να αντιμετωπίσει αυτές τις αβεβαιότητες.
Ζημιά στους κινητήρες που προκαλούνται από VFD
Η ζημιά στους κινητήρες από τα VFD εκδηλώνεται με δύο κύριους τρόπους: ζημιά στο τύλιγμα του στάτη και ζημιά στο ρουλεμάν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Τέτοια ζημιά συνήθως συμβαίνει μέσα σε ένα χρονικό πλαίσιο που κυμαίνεται από αρκετές εβδομάδες έως περισσότερο από ένα χρόνο. Η συγκεκριμένη διάρκεια εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η μάρκα VFD, η μάρκα κινητήρα, η ονομαστική ισχύς κινητήρα, η συχνότητα φέροντος VFD, το μήκος του καλωδίου μεταξύ του VFD και του κινητήρα και η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η πρόωρη βλάβη κινητήρα προκαλεί σημαντικές οικονομικές απώλειες στις επιχειρήσεις. Αυτές οι απώλειες περιλαμβάνουν όχι μόνο το κόστος επισκευής και αντικατάστασης αλλά, πιο κρίσιμα, τον οικονομικό αντίκτυπο του απροσδόκητου χρόνου διακοπής της παραγωγής. Επομένως, όταν χρησιμοποιούνται VFD για την κίνηση κινητήρων, το ζήτημα της ζημιάς του κινητήρα απαιτεί σημαντική προσοχή.
Διαφορές μεταξύ μονάδας μεταβλητής συχνότητας και μονάδας κίνησης συχνότητας γραμμής
Για να κατανοήσουμε γιατί οι κινητήρες συχνότητας γραμμής είναι πιο επιρρεπείς σε ζημιές υπό συνθήκες κίνησης μεταβλητής συχνότητας, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τις διαφορές μεταξύ της τάσης που παρέχεται από μια μονάδα μεταβλητής συχνότητας και της τάσης συχνότητας γραμμής. Στη συνέχεια, πρέπει να κατανοήσουμε πώς αυτές οι διαφορές επηρεάζουν αρνητικά τον κινητήρα.
Για να κατανοήσουμε γιατί οι κινητήρες είναι πιο επιρρεπείς σε ζημιές υπό συνθήκες κίνησης VFD σε σύγκριση με τη λειτουργία συχνότητας γραμμής, πρέπει πρώτα να εξετάσουμε τις διαφορές μεταξύ της τάσης που παρέχεται από ένα VFD και της τάσης συχνότητας γραμμής-. Στη συνέχεια, πρέπει να καταλάβουμε πώς αυτές οι διαφορές επηρεάζουν αρνητικά τον κινητήρα.
Η βασική δομή ενός οδηγού μεταβλητής συχνότητας φαίνεται στο Σχήμα 2, που περιλαμβάνει δύο κύρια τμήματα: το κύκλωμα ανορθωτή και το κύκλωμα μετατροπέα. Το κύκλωμα ανορθωτή σχηματίζει ένα κύκλωμα εξόδου τάσης συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιώντας τυπικές διόδους και πυκνωτές φίλτρου. Το κύκλωμα μετατροπέα μετατρέπει αυτήν την τάση συνεχούς ρεύματος σε μια κυματομορφή τάσης διαμορφωμένης παλμού-(τάση PWM). Κατά συνέπεια, η κυματομορφή τάσης που οδηγεί τον κινητήρα από το VFD είναι μια κυματομορφή παλμού με ποικίλα πλάτη παλμών, όχι μια ημιτονοειδής κυματομορφή τάσης. Η οδήγηση του κινητήρα με αυτήν την παλμική τάση είναι η βασική αιτία της βλάβης του κινητήρα.
Μηχανισμός Βλάβης Μετατροπέα σε Περιελίξεις Στάτη κινητήρα
Όταν οι παλμικές τάσεις διαδίδονται μέσω των καλωδίων, η λανθασμένη αντίσταση μεταξύ του καλωδίου και του φορτίου προκαλεί αντανακλάσεις στο άκρο του φορτίου. Αυτές οι ανακλάσεις έχουν ως αποτέλεσμα την υπέρθεση προσπίπτουσας και ανακλώμενης κυμάτων, δημιουργώντας σημαντικά υψηλότερες τάσεις. Το πλάτος τους μπορεί να φτάσει έως και το διπλάσιο της τάσης διαύλου συνεχούς ρεύματος-περίπου τρεις φορές την τάση εισόδου του μετατροπέα-όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Οι υπερβολικά υψηλές τάσεις αιχμής που εφαρμόζονται στις περιελίξεις του στάτη του κινητήρα προκαλούν υπερτάσεις τάσης. Οι συχνές υπερτάσεις μπορεί να οδηγήσουν σε πρόωρη βλάβη του κινητήρα.
Η πραγματική διάρκεια ζωής ενός κινητήρα που κινείται από έναν κινητήρα μεταβλητής συχνότητας αφού υποβληθεί σε αιχμές τάσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η μόλυνση, οι κραδασμοί, η τάση, η συχνότητα φορέα και η διαδικασία κατασκευής της μόνωσης του πηνίου.
Όσο υψηλότερη είναι η φέρουσα συχνότητα του μετατροπέα συχνότητας, τόσο πιο κοντά η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου πλησιάζει ένα ημιτονοειδές κύμα. Αυτό μειώνει τη θερμοκρασία λειτουργίας του κινητήρα, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής της μόνωσης. Ωστόσο, μια υψηλότερη συχνότητα φορέα σημαίνει περισσότερες τάσεις αιχμής που παράγονται ανά δευτερόλεπτο, με αποτέλεσμα πιο συχνές κρούσεις στον κινητήρα. Το σχήμα 4 δείχνει πώς η διάρκεια ζωής της μόνωσης ποικίλλει ανάλογα με το μήκος του καλωδίου και τη συχνότητα του φορέα. Το γράφημα δείχνει ότι για ένα καλώδιο 200 ποδιών, η αύξηση της συχνότητας φορέα από 3 kHz σε 12 kHz (τετραπλάσια αύξηση) μειώνει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης από περίπου 80.000 ώρες σε 20.000 ώρες (τετραπλάσια μείωση).
Επίδραση της συχνότητας φορέα στη μόνωση
Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του κινητήρα, τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής της μόνωσης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται στους 75 βαθμούς, η διάρκεια ζωής του κινητήρα μειώνεται μόνο στο 50%. Οι κινητήρες που κινούνται από μονάδες μεταβλητής συχνότητας (VFD) αντιμετωπίζουν σημαντικά υψηλότερες θερμοκρασίες σε σύγκριση με αυτούς που οδηγούνται από τάση συχνότητας κοινής ωφέλειας, λόγω της τάσης PWM που περιέχει υψηλότερη αναλογία στοιχείων υψηλής-συχνότητας.
Μηχανισμός Βλάβης μετάδοσης κίνησης μεταβλητής συχνότητας σε ρουλεμάν κινητήρα
Η αιτία της βλάβης της κίνησης μεταβλητής συχνότητας στα ρουλεμάν κινητήρα είναι η ροή ρεύματος μέσω των ρουλεμάν, η οποία συμβαίνει σε μια διακοπτόμενη συνδεδεμένη κατάσταση. Τα διακοπτόμενα συνδεδεμένα κυκλώματα δημιουργούν τόξα και αυτά τα τόξα καίνε τα ρουλεμάν.
Δύο κύριες αιτίες προκαλούν τη ροή ρεύματος μέσω των ρουλεμάν κινητήρα AC: πρώτον, η επαγόμενη τάση από την ανισορροπία του εσωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. δεύτερον, μονοπάτια ρεύματος υψηλής-συχνότητας που δημιουργούνται από αδέσποτη χωρητικότητα.
Σε έναν ιδανικό κινητήρα επαγωγής AC, το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι συμμετρικό. Όταν τα ρεύματα στις περιελίξεις τριών φάσεων είναι ίσα και η φάση-μετατοπίζεται κατά 120 μοίρες, δεν προκαλείται τάση στον άξονα του κινητήρα. Ωστόσο, όταν η έξοδος τάσης PWM από τον μετατροπέα προκαλεί ασυμμετρία μαγνητικού πεδίου εντός του κινητήρα, προκαλείται τάση στον άξονα. Αυτή η τάση κυμαίνεται συνήθως από 10 έως 30 V, ανάλογα με την τάση μετάδοσης κίνησης-η υψηλότερη τάση μετάδοσης κίνησης οδηγεί σε υψηλότερη τάση άξονα. Εάν αυτή η τάση υπερβαίνει την αντοχή μόνωσης του λιπαντικού λαδιού εντός του ρουλεμάν, σχηματίζεται μια ηλεκτρική διαδρομή. Καθώς ο άξονας περιστρέφεται, η μόνωση του λιπαντικού διακόπτει περιοδικά τη ροή του ρεύματος. Αυτή η διαδικασία μοιάζει με τη δράση μεταγωγής ενός μηχανικού διακόπτη, δημιουργώντας τόξο που διαβρώνει τις επιφάνειες του άξονα, τις μπάλες και τις ράγες ρουλεμάν, σχηματίζοντας κοιλώματα. Χωρίς εξωτερικούς κραδασμούς, οι μικρές οπές προκαλούν ελάχιστη πρόσκρουση. Ωστόσο, όταν συνδυάζεται με εξωτερικούς κραδασμούς, δημιουργεί αυλάκια που επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία του κινητήρα.
Επιπλέον, τα πειράματα δείχνουν ότι η τάση στον άξονα σχετίζεται επίσης με τη θεμελιώδη συχνότητα της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Όσο χαμηλότερη είναι η βασική συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στον άξονα, με αποτέλεσμα πιο σοβαρή ζημιά στα ρουλεμάν.
Κατά την αρχική φάση λειτουργίας όταν η θερμοκρασία του λιπαντικού είναι χαμηλή, τα εύρη ρεύματος κυμαίνονται από 5 έως 200 mA. Τέτοια χαμηλά ρεύματα δεν προκαλούν ζημιά στα ρουλεμάν. Ωστόσο, μετά από παρατεταμένη λειτουργία, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του λιπαντικού, τα ρεύματα αιχμής μπορούν να φτάσουν τα 5 έως 10 A. Αυτό προκαλεί δημιουργία τόξου, σχηματίζοντας μικρο-κοίλους στις επιφάνειες των ρουλεμάν.
Προστασία περιελίξεων στάτορα κινητήρα
Όταν τα μήκη των καλωδίων υπερβαίνουν τα 30 μέτρα, οι σύγχρονες μονάδες μεταβλητής συχνότητας (VFD) δημιουργούν αναπόφευκτα τάσεις αιχμής στους ακροδέκτες του κινητήρα, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Δύο προσεγγίσεις αποτρέπουν τη ζημιά του κινητήρα: χρήση κινητήρων με υψηλότερη αντοχή σε διάσπαση μόνωσης περιελίξεων (κοινώς αποκαλούμενοι κινητήρες συμβατοί με VFD-) ή εφαρμογή μέτρων για τη μείωση των τάσεων αιχμής. Το πρώτο είναι κατάλληλο για νέα έργα, ενώ το δεύτερο είναι ιδανικό για την εκ των υστέρων τοποθέτηση υφιστάμενων κινητήρων.
Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται τέσσερις κοινές μέθοδοι προστασίας κινητήρα:
(1) Εγκατάσταση αντιδραστήρων στην έξοδο του μετατροπέα: Αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη προσέγγιση. Ωστόσο, σημειώστε ότι ενώ είναι αποτελεσματικό για μικρότερα καλώδια (κάτω από 30 μέτρα), η απόδοσή του μπορεί μερικές φορές να μην είναι βέλτιστη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6(γ).
(2) Εγκατάσταση φίλτρου dv/dt στην έξοδο του μετατροπέα: Είναι κατάλληλο για μήκη καλωδίων κάτω των 300 μέτρων. Αν και ελαφρώς πιο ακριβό από τους αντιδραστήρες, παρέχει σημαντικά βελτιωμένα αποτελέσματα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6(δ).
(3) Εγκατάσταση φίλτρου ημιτονοειδούς κύματος στην έξοδο του μετατροπέα: Αυτή είναι η πιο ιδανική λύση. Μετατρέποντας την τάση παλμού PWM σε τάση ημιτονοειδούς κύματος, ο κινητήρας λειτουργεί υπό συνθήκες ίδιες με αυτές της τάσης συχνότητας γραμμής. Αυτή η προσέγγιση επιλύει πλήρως το ζήτημα της τάσης αιχμής (οι τάσεις αιχμής δεν θα συμβούν ανεξάρτητα από το μήκος του καλωδίου).
(4) Εγκατάσταση απορροφητή τάσης αιχμής στη διασύνδεση του καλωδίου-του κινητήρα: Τα μειονεκτήματα των προηγούμενων μέτρων είναι ότι οι αντιδραστήρες ή τα φίλτρα γίνονται ογκώδεις, βαρείς και δαπανηροί για κινητήρες- υψηλής ισχύος. Επιπλέον, τόσο οι αντιδραστήρες όσο και τα φίλτρα προκαλούν πτώσεις τάσης που μειώνουν τη ροπή εξόδου του κινητήρα. Η χρήση ενός απορροφητή τάσης αιχμής μετατροπέα ξεπερνά αυτούς τους περιορισμούς. Ο απορροφητής υπερτάσεως SVA που αναπτύχθηκε από το Ινστιτούτο 706 της Δεύτερης Ακαδημίας CASIC χρησιμοποιεί προηγμένα ηλεκτρονικά ισχύος και έξυπνη τεχνολογία ελέγχου, καθιστώντας τον ιδανική λύση για την πρόληψη ζημιών στον κινητήρα. Επιπλέον, ο απορροφητής υπερτάσεων SVA προστατεύει επίσης τα ρουλεμάν του κινητήρα.