Muutuva sagedusega ajamite (VFD) tulek on muutnud tööstusautomaatika juhtimist ja mootorite energiatõhusust. VFD-d on tööstuslikus tootmises peaaegu asendamatud ja isegi igapäevaelus on neist saanud liftide ja muutuva sagedusega{1}}konditsioneeride lahutamatu osa. VFD-d on tunginud tootmise ja igapäevaelu igasse nurka. Kuid need on toonud kaasa ka enneolematuid väljakutseid, kusjuures mootorikahjustused on üks silmapaistvamaid probleeme.
Paljud on juba täheldanud nähtust, et VFD-d kahjustavad mootoreid. Näiteks pumbatootja sai hiljuti klientidelt sageli teateid pumba rikete kohta garantiiperioodide jooksul. Varem olid selle tootja tooted tuntud oma töökindluse poolest. Uurimisel selgus, et kõiki kahjustatud pumbasid käitasid muutuva sagedusega ajamid.
Kuigi VFD{0}}indutseeritud motoorsete kahjustuste probleem kogub tähelepanu, jäävad selle aluseks olevad mehhanismid ebaselgeks ja ennetusmeetmed on suures osas teadmata. Selle artikli eesmärk on lahendada need ebakindlused.
VFD-de põhjustatud mootorikahjustused
VFD-de põhjustatud mootorikahjustused avalduvad kahel peamisel viisil: staatori mähise kahjustused ja laagrikahjustused, nagu on näidatud joonisel 1. Sellised kahjustused tekivad tavaliselt mitme nädala kuni üle aasta jooksul. Spetsiifiline kestus sõltub paljudest teguritest, sealhulgas VFD kaubamärgist, mootori kaubamärgist, mootori võimsusest, VFD kandesagedusest, VFD ja mootori vahelisest kaabli pikkusest ning ümbritsevast temperatuurist. Enneaegne mootoririke põhjustab ettevõtetele märkimisväärset majanduslikku kahju. Need kahjud ei hõlma mitte ainult remondi- ja asenduskulusid, vaid, mis veelgi kriitilisem, ootamatute tootmisseisakute finantsmõju. Seetõttu nõuab VFD-de kasutamisel mootorite juhtimiseks mootorikahjustuste probleem suurt tähelepanu.
Erinevused muutuva sagedusega ajami ja liinisagedusajami vahel
Et mõista, miks liinisageduslikud mootorid on muutuva sagedusega ajami tingimustes kergemini kahjustada saanud, tuleb esmalt mõista erinevusi muutuva sagedusega ajami toitepinge ja liinisageduse pinge vahel. Seejärel tuleb mõista, kuidas need erinevused mootorit negatiivselt mõjutavad.
Et mõista, miks mootorid on VFD-ajami tingimustes rohkem kahjustusi kui liini-sagedustalitlust, peame esmalt uurima VFD-st antava pinge ja liini-sageduse pinge erinevusi. Seejärel peame mõistma, kuidas need erinevused mootorit negatiivselt mõjutavad.
Muutuva sagedusega ajami põhistruktuur on näidatud joonisel 2, mis koosneb kahest põhiosast: alaldi vooluringist ja inverteri vooluringist. Alaldi ahel moodustab alalispinge väljundahela, kasutades standardseid dioode ja filtrikondensaatoreid. Inverteri ahel teisendab selle alalispinge impulss{3}}laiusmoduleeritud pinge lainekujuks (PWM pinge). Järelikult on VFD-st mootorit suunav pingelainekuju erineva impulsi laiusega, mitte siinusekujuline pinge lainekuju. Mootori juhtimine selle impulsspingega on mootorikahjustuste peamine põhjus.
Mootori staatori mähiste inverteri kahjustuste mehhanism
Kui impulsspinged levivad läbi kaablite, põhjustab kaabli ja koormuse vaheline ebaühtlane takistus peegeldusi koormuse otsas. Need peegeldused põhjustavad langevate ja peegeldunud lainete superpositsiooni, tekitades oluliselt kõrgemaid pingeid. Nende amplituud võib ulatuda kuni kahekordse alalisvoolu siini pingeni -ligikaudu kolm korda inverteri sisendpingest-, nagu on näidatud joonisel 3. Mootori staatori mähistele rakendatud liiga kõrged pinged põhjustavad pinge hüppeid. Sagedased liigpinged võivad põhjustada mootori enneaegset riket.
Muutuva sagedusega ajamiga käitatava mootori tegelik eluiga pärast pinge hüppamist sõltub paljudest teguritest, sealhulgas temperatuurist, saastumisest, vibratsioonist, pingest, kandesagedusest ja mähise isolatsiooni tootmisprotsessist.
Mida kõrgem on sagedusmuunduri kandesagedus, seda lähemal on väljundvoolu lainekuju siinuslainele. See vähendab mootori töötemperatuuri, pikendades seeläbi isolatsiooni eluiga. Kõrgem kandesagedus tähendab aga sekundis genereeritud suuremaid pingeid, mille tulemuseks on sagedasemad löögid mootorile. Joonis 4 illustreerib, kuidas isolatsiooni eluiga varieerub sõltuvalt kaabli pikkusest ja kandesagedusest. Graafik näitab, et 200 jala pikkuse kaabli puhul vähendab kandesageduse suurendamine 3 kHz-lt 12 kHz-le (neljakordne kasv) isolatsiooni kasutusiga ligikaudu 80 000 tunnilt 20 000 tunnini (neljakordne vähenemine).
Kandesageduse mõju isolatsioonile
Mida kõrgem on mootori temperatuur, seda lühem on isolatsiooni eluiga. Nagu on näidatud joonisel 5, kui temperatuur tõuseb 75 kraadini, väheneb mootori eluiga vaid 50%. Muutuva sagedusega ajamiga (VFD) käitatavad mootorid kogevad märkimisväärselt kõrgemaid temperatuure kui need, mida käitavad elektrivõrgu pinged, kuna PWM-pinge sisaldab suuremat osa kõrge sagedusega komponente.
Mootori laagrite muutuva sagedusega ajami kahjustuste mehhanism
Mootori laagrite muutuvsagedusajami kahjustuste põhjuseks on voolu vool läbi laagrite, mis toimub katkendlikult ühendatud olekus. Vahelduvalt ühendatud vooluringid tekitavad kaare ja need kaared põletavad laagrid läbi.
Kaks peamist põhjust indutseerivad voolu läbi vahelduvvoolumootori laagrite: esiteks, sisemise elektromagnetvälja tasakaalustamatuse tekitatud pinge; teiseks, kõrgsageduslikud{0}}vooluteed, mis on loodud hajutatud mahtuvuse tõttu.
Ideaalses vahelduvvoolu asünkroonmootoris on sisemine magnetväli sümmeetriline. Kui voolud kolmes -faasimähises on võrdsed ja faasi-nihutamine 120 kraadi võrra, ei indutseerita mootori võllile pinget. Kui aga inverteri PWM-i pinge põhjustab mootoris magnetvälja asümmeetriat, indutseeritakse võllile pinge. See pinge on tavaliselt vahemikus 10 kuni 30 V, olenevalt ajami pingest,{8}}kõrgema ajami pinge tulemuseks on suurem võlli pinge. Kui see pinge ületab laagris oleva määrdeõli isolatsioonitugevuse, moodustub elektriline tee. Kui võll pöörleb, katkestab määrdeõli isolatsioon perioodiliselt voolu. See protsess sarnaneb mehaanilise lüliti lülitustoiminguga, tekitades kaare, mis kulutab võlli, kuulide ja laagrirataste pindu, moodustades süvendeid. Ilma välise vibratsioonita põhjustavad väikesed täkked minimaalset mõju. Kuid koos välise vibratsiooniga tekitab see sooni, mis oluliselt halvendavad mootori tööd.
Lisaks näitavad katsed, et võlli pinge on seotud ka inverteri väljundpinge põhisagedusega. Mida madalam on põhisagedus, seda kõrgem on võlli pinge, mille tulemuseks on tugevamad laagrikahjustused.
Algses tööfaasis, kui määrdeaine temperatuur on madal, on voolu amplituudid vahemikus 5 kuni 200 mA. Sellised madalad voolud ei põhjusta laagrikahjustusi. Kuid pärast pikaajalist töötamist, kui määrdeaine temperatuur tõuseb, võivad tippvoolud ulatuda 5–10 A-ni. See kutsub esile kaare, moodustades laagripindadele mikro{7}}süvendeid.
Mootori staatori mähiste kaitse
Kui kaabli pikkus ületab 30 meetrit, tekitavad kaasaegsed muutuva sagedusega ajamid (VFD) mootori klemmides paratamatult pingeid, mis lühendavad mootori eluiga. Mootorikahjustusi välditakse kahel viisil: suurema mähise isolatsiooni läbilöögitugevusega mootorite kasutamine (mida tavaliselt nimetatakse VFD-ühilduvateks mootoriteks) või meetmete rakendamine piikide pinge vähendamiseks. Esimene neist sobib uuteks projektideks, teine aga olemasolevate mootorite moderniseerimiseks.
Praegu kasutatakse nelja levinud mootorikaitse meetodit:
(1) Reaktorite paigaldamine inverteri väljundisse: see on kõige sagedamini kasutatav meetod. Pange tähele, et kuigi see on efektiivne lühemate kaablite puhul (alla 30 meetri), võib selle jõudlus mõnikord olla ebaoptimaalne, nagu on näidatud joonisel 6(c).
(2) Dv/dt filtri paigaldamine inverteri väljundisse: see sobib alla 300 meetri pikkustele kaablitele. Kuigi see on veidi kallim kui reaktorid, annab see oluliselt paremaid tulemusi, nagu on näidatud joonisel 6(d).
(3) Siinusfiltri paigaldamine inverteri väljundisse: see on kõige ideaalsem lahendus. Teisendades PWM-i impulsspinge siinuslaine pingeks, töötab mootor liinisageduse pingega identsetel tingimustel. See lähenemine lahendab täielikult pingeprobleemi (sõltumata kaabli pikkusest ei teki pingeid).
(4) Tipppinge neelaja paigaldamine kaabli-mootori liidesele: eelmiste meetmete puuduseks on see, et reaktorid või filtrid muutuvad mahukaks, raskeks ja suure võimsusega mootorite{2}}kulukaks. Lisaks põhjustavad nii reaktorid kui ka filtrid pingelangust, mis vähendab mootori väljundmomenti. Inverteri pinge neelaja kasutamine ületab need piirangud. CASIC-i teise akadeemia 706 instituudi välja töötatud SVA liigpinge neelaja kasutab täiustatud jõuelektroonikat ja intelligentset juhtimistehnoloogiat, muutes selle ideaalseks lahenduseks mootorikahjustuste vältimiseks. Lisaks kaitseb SVA liigpinge amortisaator ka mootori laagreid.