Silnik szybko się psuje, a falownik zachowuje się jak demon?Przeczytaj tajemnicę silnika i falownika w jednym artykule!
Wiele osób odkryło zjawisko uszkodzenia silnika przez falownik.Przykładowo w fabryce pomp wodnych w ciągu ostatnich dwóch lat jej użytkownicy często zgłaszali, że pompa wodna uległa uszkodzeniu w okresie gwarancyjnym.W przeszłości jakość produktów fabryki pomp była bardzo niezawodna.Po zbadaniu ustalono, że wszystkie uszkodzone pompy wodne były napędzane przez przetwornice częstotliwości.
Pojawienie się przetwornic częstotliwości przyniosło innowacje w sterowaniu automatyką przemysłową i oszczędzaniu energii silników.Produkcja przemysłowa jest niemal nierozerwalnie związana z przetwornicami częstotliwości.Nawet w życiu codziennym windy i klimatyzatory inwerterowe stały się niezbędnymi częściami.Przetwornice częstotliwości zaczęły przenikać do każdego zakątka produkcji i życia.Jednak przetwornica częstotliwości niesie ze sobą także wiele niespotykanych dotąd problemów, wśród których jednym z najbardziej typowych zjawisk jest uszkodzenie silnika.
Wiele osób odkryło zjawisko uszkodzenia silnika przez falownik.Przykładowo w fabryce pomp wodnych w ciągu ostatnich dwóch lat jej użytkownicy często zgłaszali, że pompa wodna uległa uszkodzeniu w okresie gwarancyjnym.W przeszłości jakość produktów fabryki pomp była bardzo niezawodna.Po zbadaniu ustalono, że wszystkie uszkodzone pompy wodne były napędzane przez przetwornice częstotliwości.
Choć zjawisko uszkodzenia silnika przez przetwornicę częstotliwości przyciąga coraz większą uwagę, to nadal nie wiadomo, jaki jest mechanizm tego zjawiska, a tym bardziej jak mu zapobiegać.Celem tego artykułu jest rozwianie tych nieporozumień.
Uszkodzenie falownika w silniku
Uszkodzenie silnika przez falownik obejmuje dwa aspekty: uszkodzenie uzwojenia stojana i uszkodzenie łożyska, jak pokazano na rysunku 1. Tego rodzaju uszkodzenie zwykle występuje w ciągu kilku tygodni do dziesięciu miesięcy, a konkretny czas zależy od od marki falownika, marki silnika, mocy silnika, częstotliwości nośnej falownika, długości kabla pomiędzy falownikiem a silnikiem oraz temperatury otoczenia.Wiele czynników jest ze sobą powiązanych.Wczesne przypadkowe uszkodzenie silnika powoduje ogromne straty ekonomiczne w produkcji przedsiębiorstwa.Tego rodzaju strata to nie tylko koszt naprawy i wymiany silnika, ale co ważniejsze, strata ekonomiczna spowodowana nieoczekiwanym przestojem w produkcji.Dlatego też, stosując przetwornicę częstotliwości do napędzania silnika, należy zwrócić odpowiednią uwagę na problem uszkodzenia silnika.
Uszkodzenie falownika w silniku
Różnica między napędem falownikowym a przemysłowym przemiennikiem częstotliwości
Aby zrozumieć mechanizm, dlaczego silniki o częstotliwości sieciowej są bardziej podatne na uszkodzenia w warunkach napędu falownikowego, najpierw należy zrozumieć różnicę pomiędzy napięciem silnika napędzanego falownikiem a napięciem o częstotliwości sieciowej.Następnie dowiedz się, jak ta różnica może niekorzystnie wpłynąć na silnik.
Podstawową strukturę przetwornicy częstotliwości pokazano na rysunku 2 i obejmuje ona dwie części: obwód prostownika i obwód falownika.Obwód prostownika to obwód wyjściowy napięcia stałego, składający się ze zwykłych diod i kondensatorów filtrujących, a obwód falownika przetwarza napięcie prądu stałego na kształt fali napięcia o modulowanej szerokości impulsu (napięcie PWM).Dlatego przebieg napięcia silnika napędzanego falownikiem jest przebiegiem impulsowym o zmiennej szerokości impulsu, a nie przebiegiem napięcia sinusoidalnego.Zasilanie silnika napięciem impulsowym jest główną przyczyną łatwego uszkodzenia silnika.
Mechanizm uszkodzenia falownika Uzwojenie stojana silnika
Kiedy napięcie impulsowe jest przesyłane przez kabel, a impedancja kabla nie odpowiada impedancji obciążenia, po stronie obciążenia nastąpi odbicie.W wyniku odbicia fala padająca i fala odbita nakładają się, tworząc wyższe napięcie.Jego amplituda może osiągnąć co najwyżej dwukrotność napięcia szyny DC, co stanowi około trzykrotność napięcia wejściowego falownika, jak pokazano na rysunku 3. Nadmierne napięcie szczytowe jest dodawane do cewki stojana silnika, powodując szok napięciowy cewki a częste udary przepięciowe spowodują przedwczesną awarię silnika.
Po wpływie napięcia szczytowego na silnik napędzany przez przetwornicę częstotliwości jego rzeczywista żywotność zależy od wielu czynników, w tym temperatury, zanieczyszczenia, wibracji, napięcia, częstotliwości nośnej i procesu izolacji cewki.
Im wyższa częstotliwość nośna falownika, tym przebieg prądu wyjściowego jest bliższy sinusoidzie, co obniży temperaturę roboczą silnika i wydłuży żywotność izolacji.Jednakże wyższa częstotliwość nośna oznacza, że liczba impulsów generowanych na sekundę jest większa, a liczba wstrząsów silnika jest większa.Rysunek 4 przedstawia trwałość izolacji jako funkcję długości kabla i częstotliwości nośnej.Z rysunku widać, że w przypadku kabla o długości 200 stóp, gdy częstotliwość nośna zostanie zwiększona z 3 kHz do 12 kHz (zmiana 4-krotna), żywotność izolacji zmniejsza się z około 80 000 godzin do 20 000 godzin (różnica 4 razy).
Wpływ częstotliwości nośnej na izolację
Im wyższa temperatura silnika, tym krótsza żywotność izolacji, jak pokazano na rysunku 5, gdy temperatura wzrośnie do 75°C, żywotność silnika wynosi tylko 50%.W przypadku silnika napędzanego przez falownik, ponieważ napięcie PWM zawiera więcej składników o wysokiej częstotliwości, temperatura silnika będzie znacznie wyższa niż w przypadku napędu napięciowego o częstotliwości sieciowej.
Mechanizm uszkodzenia łożyska silnika falownika
Powodem, dla którego przetwornica częstotliwości uszkadza łożysko silnika, jest przepływ prądu przez łożysko, a prąd ten występuje w stanie przerywanego połączenia.Przerywany obwód połączenia wygeneruje łuk, który spali łożysko.
Istnieją dwie główne przyczyny przepływu prądu w łożyskach silnika prądu przemiennego.Po pierwsze, napięcie indukowane generowane przez niezrównoważenie wewnętrznego pola elektromagnetycznego, a po drugie, ścieżka prądu o wysokiej częstotliwości spowodowana pojemnością rozproszoną.
Pole magnetyczne wewnątrz idealnego silnika indukcyjnego prądu przemiennego jest symetryczne.Gdy prądy uzwojeń trójfazowych są równe, a fazy różnią się o 120°, na wale silnika nie będzie indukowane żadne napięcie.Kiedy napięcie PWM na wyjściu falownika powoduje asymetryczność pola magnetycznego wewnątrz silnika, na wale indukuje się napięcie.Zakres napięcia wynosi 10 ~ 30 V i jest powiązany z napięciem napędowym.Im wyższe napięcie sterujące, tym wyższe napięcie na wale.wysoki.Gdy wartość tego napięcia przekracza wytrzymałość dielektryczną oleju smarowego w łożysku, powstaje ścieżka prądu.W pewnym momencie obrotu wału izolacja oleju smarowego ponownie zatrzymuje prąd.Proces ten jest podobny do procesu włączania i wyłączania przełącznika mechanicznego.W tym procesie zostanie wygenerowany łuk, który spowoduje ablację powierzchni wału, kuli i misy wału, tworząc wgłębienia.Jeśli nie ma wibracji zewnętrznych, małe wgłębienia nie będą miały zbyt dużego wpływu, ale jeśli wystąpią wibracje zewnętrzne, powstaną rowki, co ma ogromny wpływ na pracę silnika.
Ponadto eksperymenty wykazały, że napięcie na wale jest również powiązane z częstotliwością podstawową napięcia wyjściowego falownika.Im niższa częstotliwość podstawowa, tym wyższe napięcie na wale i poważniejsze uszkodzenie łożyska.
We wczesnym etapie pracy silnika, gdy temperatura oleju smarującego jest niska, zakres prądu wynosi 5-200 mA, tak mały prąd nie spowoduje uszkodzenia łożyska.Jednakże, gdy silnik pracuje przez pewien czas, wraz ze wzrostem temperatury oleju smarowego, prąd szczytowy osiągnie 5-10 A, co spowoduje przeskok płomienia i utworzenie małych wżerów na powierzchni elementów łożyska.
Ochrona uzwojeń stojana silnika
Gdy długość kabla przekracza 30 metrów, nowoczesne przetwornice częstotliwości nieuchronnie będą generować skoki napięcia po stronie silnika, skracając jego żywotność.Istnieją dwa pomysły, jak zapobiec uszkodzeniu silnika.Jednym z nich jest zastosowanie silnika o wyższej izolacji uzwojeń i wytrzymałości dielektrycznej (ogólnie zwanego silnikiem o zmiennej częstotliwości), a drugim jest podjęcie działań w celu zmniejszenia napięcia szczytowego.Pierwszy środek nadaje się do nowo budowanych projektów, a drugi środek nadaje się do przekształcania istniejących silników.
Obecnie powszechnie stosowanymi metodami ochrony silników są:
1) Zainstaluj dławik na wyjściu przetwornicy częstotliwości: Ten środek jest najczęściej stosowany, ale należy zauważyć, że ta metoda ma pewien wpływ na krótsze kable (poniżej 30 metrów), ale czasami efekt nie jest idealny , jak pokazano na rysunku 6(c).
2) Zainstaluj filtr dv/dt na wyjściu przetwornicy częstotliwości: Rozwiązanie to jest odpowiednie w sytuacjach, gdy długość kabla jest mniejsza niż 300 metrów, a cena jest nieco wyższa niż cena dławika, ale efekt jest znacznie poprawione, jak pokazano na rysunku 6(d).
3) Zainstaluj filtr sinusoidalny na wyjściu przetwornicy częstotliwości: to rozwiązanie jest najbardziej idealne.Ponieważ tutaj napięcie impulsowe PWM zostaje zamienione na napięcie sinusoidalne, silnik pracuje w takich samych warunkach jak napięcie częstotliwości sieciowej, a problem napięcia szczytowego został całkowicie rozwiązany (nieważne jak długi jest kabel, nie będzie brak napięcia szczytowego).
4) Zainstalować pochłaniacz napięcia szczytowego na styku kabla z silnikiem: wadą poprzednich środków jest to, że przy dużej mocy silnika dławik lub filtr ma dużą objętość i wagę, a cena jest stosunkowo wysoki.Ponadto dławik Zarówno filtr, jak i filtr spowodują pewien spadek napięcia, co wpłynie na wyjściowy moment obrotowy silnika.Zastosowanie pochłaniacza napięcia szczytowego falownika może przezwyciężyć te niedociągnięcia.Absorber napięcia szczytowego SVA opracowany przez firmę 706 Drugiej Akademii Nauki i Przemysłu Lotniczego wykorzystuje zaawansowaną technologię elektroniki mocy i inteligentną technologię sterowania i jest idealnym urządzeniem do rozwiązywania problemów z silnikami.Dodatkowo amortyzator kolców SVA chroni łożyska silnika.
Amortyzator napięcia szczytowego to nowy typ urządzenia zabezpieczającego silnik.Podłącz zaciski wejściowe zasilania silnika równolegle.
1) Obwód wykrywania napięcia szczytowego wykrywa w czasie rzeczywistym amplitudę napięcia na linii zasilania silnika;
2) Gdy wielkość wykrytego napięcia przekracza ustawiony próg, steruj obwodem bufora energii szczytowej, aby pochłonąć energię napięcia szczytowego;
3) Gdy energia szczytowa napięcia jest pełna bufora energii szczytowej, otwiera się zawór sterujący absorpcją energii szczytowej, tak że energia szczytowa w buforze jest odprowadzana do absorbera energii szczytowej, a energia elektryczna jest przekształcana w ciepło energia;
4) Monitor temperatury monitoruje temperaturę szczytowego pochłaniacza energii.Gdy temperatura jest zbyt wysoka, zawór sterujący absorpcją energii szczytowej jest odpowiednio zamknięty, aby zmniejszyć absorpcję energii (przy założeniu zapewnienia ochrony silnika), aby zapobiec przegrzaniu absorbera napięcia szczytowego i spowodowaniu uszkodzenia.szkoda;
5) Funkcja obwodu pochłaniania prądu łożyska polega na pochłanianiu prądu łożyska i ochronie łożyska silnika.
W porównaniu z wyżej wymienionym filtrem du/dt, filtrem sinusoidalnym i innymi metodami ochrony silnika, pochłaniacz szczytowy ma największe zalety w postaci małych rozmiarów, niskiej ceny i łatwej instalacji (montaż równoległy).Zwłaszcza w przypadku dużej mocy zalety absorbera szczytowego pod względem ceny, objętości i wagi są bardzo widoczne.Ponadto, ponieważ jest zainstalowany równolegle, nie będzie spadku napięcia, a wystąpi pewien spadek napięcia na filtrze du/dt i filtrze fali sinusoidalnej, a spadek napięcia filtra fali sinusoidalnej będzie bliski 10 %, co spowoduje zmniejszenie momentu obrotowego silnika.
Zastrzeżenie: Ten artykuł został skopiowany z Internetu.Treść artykułu służy wyłącznie do celów edukacyjnych i komunikacyjnych.Air Compressor Network pozostaje neutralna wobec poglądów zawartych w artykule.Prawa autorskie do artykułu należą do pierwotnego autora i platformy.W przypadku jakichkolwiek naruszeń prosimy o kontakt w celu usunięcia