Является ли частотно-регулируемый привод причиной быстрой поломки двигателя?

Iпредставить

Появление Частотно-регулируемый привод (ЧРП), также известный как преобразователь частоты или частотно-регулируемый привод, привел к революционным изменениям в области промышленной автоматизации и энергоэффективности двигателей. В современном промышленном производстве преобразователи частоты практически незаменимы, а их применение распространилось даже на повседневную жизнь - яркими примерами являются лифты и кондиционеры с регулируемой скоростью. Однако, несмотря на эти преимущества, VFD создали новые проблемы, одной из самых заметных из которых является их потенциальная возможность повреждения двигателей.

В связи с этим возникает важный вопрос: являются ли преобразователи частоты причиной быстрого выхода двигателей из строя? Несмотря на то что этому вопросу уделяется все больше внимания, механизмы, вызывающие такие поломки, остаются для многих неясными. Цель данной статьи - изучить эти механизмы и предложить профилактические меры.

Какие повреждения наносит инвертор двигателю?

Повреждения, наносимые двигателю частотно-регулируемым приводом, можно разделить на две основные области: повреждение обмоток статора двигателя и повреждение подшипников двигателя. Этот тип повреждения может возникнуть в течение от нескольких недель до нескольких месяцев, в зависимости от различных факторов, таких как марка преобразователя частоты, марка двигателя, мощность двигателя, несущая частота, длина кабеля между преобразователем и двигателем, а также температура окружающей среды.

Неожиданные отказы двигателей не только приводят к большим затратам на ремонт и замену, но и к значительным простоям производства. Таким образом, при использовании инверторных ЧРП для привода двигателей необходимо знать о потенциальных рисках и принимать профилактические меры.

Механизм повреждения обмотки статора двигателя инвертором

Основная причина повреждения двигателя при работе от преобразователя частоты кроется в характере формы напряжения, вырабатываемого VFD. В отличие от чистой синусоиды, выходной сигнал VFD представляет собой напряжение с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что может привести к увеличению нагрузки на обмотки двигателя. Когда эти импульсы ШИМ проходят по кабелям, если импеданс кабеля не соответствует импедансу двигателя, возникают отражения напряжения. Эти отраженные волны объединяются с входящими волнами, создавая скачки напряжения, которые могут вдвое превышать напряжение шины постоянного тока или втрое - входное напряжение инвертора.

Эти скачки высокого напряжения прикладываются к обмоткам статора двигателя, подвергая их значительному электрическому напряжению. Многократное воздействие такого перенапряжения сокращает срок службы изоляции обмоток двигателя, что приводит к их преждевременному выходу из строя. Срок службы двигателя, приводимого в действие преобразователем частоты, зависит от нескольких факторов, включая температуру, загрязнение окружающей среды, вибрацию, напряжение, несущую частоту и качество изоляции. Хотя более высокая несущая частота может снизить рабочую температуру двигателя и продлить срок службы изоляции, она также увеличивает частоту и количество скачков напряжения, что еще больше нагружает двигатель.

Влияние несущей частоты на изоляцию

Температура - важнейший фактор, определяющий срок службы изоляции двигателя. Чем выше температура, тем короче срок службы изоляции. Двигатели, приводимые в действие частотно-регулируемыми приводами, обычно работают при более высоких температурах из-за высокочастотных компонентов, присутствующих в напряжении ШИМ. Как показали исследования, срок службы двигателя может сократиться на 50% при температуре выше 75°C. Повышение температуры, в первую очередь из-за высокой частоты переключения ЧРП, усиливает разрушение изоляции, что еще больше ускоряет выход двигателя из строя.

Механизм повреждения подшипников двигателя инвертора

Преобразователи частоты также могут повредить подшипники двигателя, в первую очередь из-за циркулирующих токов, протекающих через подшипники. Эти токи вызываются двумя факторами: наведенным напряжением из-за дисбаланса электромагнитного поля внутри двигателя и высокочастотными токами, возникающими из-за паразитной емкости.

В идеальном двигателе переменного тока, когда трехфазные токи сбалансированы, на валу двигателя не индуцируется напряжение. Однако выходное напряжение ШИМ от преобразователя частоты искажает магнитное поле, вызывая появление напряжения на валу двигателя. Если это напряжение на валу превышает напряжение пробоя смазки подшипника, возникает токовый путь, приводящий к возникновению дуги в подшипниках. Дуговой разряд обжигает поверхности подшипников, образуя точечные повреждения и, в конечном счете, канавки, нарушающие работу двигателя.

Серьезность повреждения подшипника зависит от нескольких факторов, включая время работы двигателя и температуру. Вначале ток может быть слишком мал, чтобы причинить значительный вред, но по мере работы двигателя и нагревания смазки пиковые токи могут увеличиваться, что приводит к сильной дуге, ускоряющей износ подшипника.

Защита обмоток статора двигателя

Чтобы предотвратить повреждение двигателя из-за преобразователей частоты, можно принять ряд защитных мер:

1. Установка реакторов: Установка дросселей на выходе инвертора может уменьшить скачки напряжения, но может быть менее эффективной для длинных кабелей.
2. Использование фильтров dv/dt: Эти фильтры эффективны при длине кабеля до 300 метров, обеспечивая лучшую защиту, чем реакторы.
3. Синусоидальные фильтры: Эти фильтры преобразуют напряжение ШИМ в синусоиду, полностью устраняя скачки напряжения и обеспечивая идеальную защиту двигателя.
4. Поглотители пикового напряжения: Установленные на клеммах двигателя, эти устройства могут поглощать вредные скачки напряжения, защищая обмотки и подшипники двигателя.

В заключение следует отметить, что правильный выбор и установка защитных устройств могут значительно продлить срок службы двигателя при использовании преобразователей частоты.

Заключение

Хотя частотно-регулируемые приводы изменили управление и эффективность двигателей в промышленных и бытовых приложениях, они также могут стать причиной преждевременного выхода из строя двигателя. Повреждения, вызываемые инверторными ЧРП, включают в себя пробой изоляции обмотки статора и разрушение подшипников, вызванные скачками напряжения, повышением температуры и циркуляционными токами. Понимая эти риски и применяя соответствующие меры защиты, такие как использование инверторных двигателей, реакторов или фильтров, можно смягчить негативное воздействие ЧРП и обеспечить более длительный срок службы двигателя.