De komst van frequentieregelaars (VFD's) heeft een revolutie teweeggebracht in de industriële automatisering en de energie-efficiëntie van motoren. VFD's zijn vrijwel onmisbaar in de industriële productie, en zelfs in het dagelijks leven zijn ze integrale componenten geworden in liften en airconditioners met variabele- frequentie. VFD's zijn in elke hoek van de productie en het dagelijks leven doorgedrongen. Ze hebben echter ook ongekende uitdagingen met zich meegebracht, waarbij motorschade een van de meest prominente problemen is.
Velen hebben het fenomeen van VFD's die motoren beschadigen al waargenomen. Zo kreeg een pompfabrikant onlangs te maken met frequente meldingen van klanten over pompstoringen die binnen de garantieperioden optraden. Voorheen stonden de producten van deze fabrikant bekend om hun betrouwbaarheid. Uit onderzoek bleek dat alle beschadigde pompen werden aangedreven door frequentieregelaars.
Hoewel de kwestie van door VFD-geïnduceerde motorschade steeds meer aandacht krijgt, blijven de onderliggende mechanismen onduidelijk en zijn preventieve maatregelen grotendeels onbekend. Dit artikel heeft tot doel deze onzekerheden aan te pakken.
Schade aan motoren veroorzaakt door VFD's
Schade aan motoren door VFD's manifesteert zich op twee manieren: schade aan de statorwikkeling en schade aan lagers, zoals geïllustreerd in figuur 1. Dergelijke schade treedt doorgaans op binnen een tijdsbestek variërend van enkele weken tot meer dan een jaar. De specifieke duur is afhankelijk van tal van factoren, waaronder het merk van de VFD, het motormerk, het motorvermogen, de VFD-draaggolffrequentie, de kabellengte tussen de VFD en de motor, en de omgevingstemperatuur. Voortijdige motorstoringen veroorzaken aanzienlijke economische verliezen voor bedrijven. Deze verliezen omvatten niet alleen reparatie- en vervangingskosten, maar, belangrijker nog, de financiële impact van onverwachte productiestilstand. Wanneer VFD's worden gebruikt om motoren aan te drijven, vereist de kwestie van motorschade daarom aanzienlijke aandacht.
Verschillen tussen aandrijving met variabele frequentie en lijnfrequentieaandrijving
Om te begrijpen waarom lijnfrequentiemotoren gevoeliger zijn voor schade onder omstandigheden van een frequentieregelaar, moet men eerst de verschillen begrijpen tussen de spanning die wordt geleverd door een frequentieregelaar en de lijnfrequentiespanning. Vervolgens moet men begrijpen hoe deze verschillen de motor negatief beïnvloeden.
Om te begrijpen waarom motoren gevoeliger zijn voor schade onder VFD-aandrijfomstandigheden vergeleken met lijnfrequentiewerking, moeten we eerst de verschillen onderzoeken tussen de spanning geleverd door een VFD en lijnfrequentiespanning. We moeten dan begrijpen hoe deze verschillen de motor negatief beïnvloeden.
De basisstructuur van een frequentieomvormer wordt weergegeven in figuur 2 en bestaat uit twee hoofdgedeelten: het gelijkrichtcircuit en het invertercircuit. Het gelijkrichtcircuit vormt een gelijkspanningsuitgangscircuit met behulp van standaarddiodes en filtercondensatoren. Het invertercircuit zet deze gelijkspanning om in een pulsbreedtegemoduleerde spanningsgolfvorm (PWM-spanning). Bijgevolg is de spanningsgolfvorm die de motor vanuit de VFD aanstuurt een pulsgolfvorm met variërende pulsbreedtes, en niet een sinusoïdale spanningsgolfvorm. Het aandrijven van de motor met deze gepulseerde spanning is de fundamentele oorzaak van motorschade.
Mechanisme van omvormerschade aan motorstatorwikkelingen
Wanneer pulsspanningen zich door kabels voortplanten, veroorzaakt een niet-overeenkomende impedantie tussen de kabel en de belasting reflecties aan het uiteinde van de belasting. Deze reflecties resulteren in een superpositie van invallende en gereflecteerde golven, waardoor aanzienlijk hogere spanningen worden gegenereerd. Hun amplitude kan oplopen tot tweemaal de DC-busspanning-ongeveer driemaal de ingangsspanning van de omvormer-zoals geïllustreerd in figuur 3. Buitensporig hoge piekspanningen die op de statorwikkelingen van de motor worden toegepast, veroorzaken spanningspieken. Frequente overspanningspieken kunnen tot voortijdige motorstoringen leiden.
De werkelijke levensduur van een motor die wordt aangedreven door een frequentieregelaar nadat deze is blootgesteld aan spanningspieken, hangt af van tal van factoren, waaronder temperatuur, vervuiling, trillingen, spanning, draaggolffrequentie en het productieproces van de spoelisolatie.
Hoe hoger de draaggolffrequentie van de frequentieomvormer, hoe dichter de uitgangsstroomgolfvorm een sinusgolf benadert. Dit verlaagt de bedrijfstemperatuur van de motor, waardoor de levensduur van de isolatie wordt verlengd. Een hogere draaggolffrequentie betekent echter dat er meer piekspanningen per seconde worden gegenereerd, wat resulteert in vaker voorkomende schokken op de motor. Figuur 4 illustreert hoe de levensduur van isolatie varieert met de kabellengte en de draaggolffrequentie. De grafiek geeft aan dat voor een kabel van 60 meter het verhogen van de draaggolffrequentie van 3 kHz naar 12 kHz (een viervoudige toename) de levensduur van de isolatie verkort van ongeveer 80.000 uur naar 20.000 uur (een viervoudige afname).
Effect van draaggolffrequentie op isolatie
Hoe hoger de motortemperatuur, hoe korter de levensduur van de isolatie. Zoals weergegeven in Figuur 5, wordt de levensduur van de motor teruggebracht tot slechts 50% wanneer de temperatuur stijgt tot 75 graden. Motoren die worden aangedreven door frequentieregelaars (VFD's) ervaren aanzienlijk hogere temperaturen vergeleken met motoren die worden aangedreven door netfrequentiespanning, omdat de PWM-spanning een groter aandeel hoogfrequente componenten bevat.
Mechanisme van schade aan aandrijving door variabele frequentie aan motorlagers
De oorzaak van schade aan motorlagers aan de frequentieregelaar is de stroom die door de lagers stroomt, wat plaatsvindt in een intermitterend verbonden toestand. Af en toe verbonden circuits genereren bogen, en deze bogen verbranden de lagers.
Twee primaire oorzaken veroorzaken stroom door de lagers van de AC-motor: ten eerste, geïnduceerde spanning door interne onbalans in het elektromagnetische veld; ten tweede hoogfrequente stroompaden gecreëerd door parasitaire capaciteit.
In een ideale AC-inductiemotor is het interne magnetische veld symmetrisch. Wanneer de stromen in de drie-fasewikkelingen gelijk zijn en de fase-120 graden is verschoven, wordt er geen spanning op de motoras geïnduceerd. Wanneer de PWM-spanningsuitgang van de omvormer echter asymmetrie van het magnetische veld in de motor veroorzaakt, wordt er spanning op de as geïnduceerd. Deze spanning varieert doorgaans van 10 tot 30 V, afhankelijk van de aandrijfspanning.-Een hogere aandrijfspanning resulteert in een hogere asspanning. Als deze spanning de isolatiesterkte van de smeerolie in het lager overschrijdt, wordt een elektrisch pad gevormd. Terwijl de as draait, onderbreekt de isolatie van de smeerolie periodiek de stroom. Dit proces lijkt op de schakelactie van een mechanische schakelaar, waarbij vonken ontstaan die de oppervlakken van de as, kogels en lagerringen eroderen en putten vormen. Zonder externe trillingen veroorzaakt kleine putjes een minimale impact. In combinatie met externe trillingen ontstaan er echter groeven die de werking van de motor aanzienlijk belemmeren.
Bovendien geven experimenten aan dat de spanning op de as ook verband houdt met de fundamentele frequentie van de uitgangsspanning van de omvormer. Hoe lager de grondfrequentie, hoe hoger de spanning op de as, wat resulteert in ernstigere lagerschade.
Tijdens de initiële bedrijfsfase, wanneer de temperatuur van het smeermiddel laag is, variëren de stroomamplitudes van 5 tot 200 mA. Dergelijke lage stromen veroorzaken geen lagerschade. Na langdurig gebruik, als de temperatuur van het smeermiddel stijgt, kunnen de piekstromen echter 5 tot 10 A bereiken. Dit veroorzaakt boogvorming en vormt micro-putten in de lageroppervlakken.
Bescherming van de statorwikkelingen van de motor
Wanneer de kabellengte langer is dan 30 meter, genereren moderne frequentieregelaars (VFD's) onvermijdelijk piekspanningen op de motorklemmen, waardoor de levensduur van de motor wordt verkort. Twee benaderingen voorkomen motorschade: het gebruik van motoren met een hogere doorslagsterkte van de wikkelingsisolatie (gewoonlijk VFD-compatibele motoren genoemd) of het implementeren van maatregelen om piekspanningen te verminderen. De eerste is geschikt voor nieuwe projecten, terwijl de laatste ideaal is voor het achteraf inbouwen van bestaande motoren.
Momenteel worden vier veelgebruikte motorbeveiligingsmethoden gebruikt:
(1) Het installeren van reactoren aan de uitgang van de inverter: dit is de meest gebruikte aanpak. Houd er echter rekening mee dat de prestaties, hoewel effectief voor kortere kabels (minder dan 30 meter), soms niet optimaal kunnen zijn, zoals weergegeven in afbeelding 6(c).
(2) Een dv/dt-filter installeren bij de uitgang van de omvormer: Dit is geschikt voor kabellengtes onder de 300 meter. Hoewel het iets duurder is dan reactoren, levert het aanzienlijk betere resultaten op, zoals weergegeven in figuur 6(d).
(3) Een sinusfilter installeren bij de uitgang van de omvormer: dit is de meest ideale oplossing. Door de PWM-pulsspanning om te zetten in een sinusspanning, werkt de motor onder omstandigheden die identiek zijn aan die van lijnfrequentiespanning. Deze aanpak lost het probleem van de piekspanning volledig op (piekspanningen zullen niet voorkomen, ongeacht de kabellengte).
(4) Het installeren van een piekspanningsabsorber op de kabel-motorinterface: De nadelen van de voorgaande maatregelen zijn dat reactoren of filters omvangrijk, zwaar en duur worden voor motoren met een hoog-vermogen. Bovendien veroorzaken zowel reactoren als filters spanningsdalingen die het uitgangskoppel van de motor verminderen. Het gebruik van een inverter-piekspanningsabsorber overwint deze beperkingen. De SVA-stootspanningsabsorber, ontwikkeld door het 706 Instituut van de Tweede Academie van CASIC, maakt gebruik van geavanceerde vermogenselektronica en intelligente besturingstechnologie, waardoor het een ideale oplossing is om motorschade te voorkomen. Bovendien beschermt de SVA-overspanningsdemper ook de motorlagers.