ظهور درایوهای فرکانس متغیر (VFD) انقلابی در کنترل اتوماسیون صنعتی و بهره وری انرژی موتور ایجاد کرده است. VFD ها عملاً در تولید صنعتی ضروری هستند، و حتی در زندگی روزمره، به اجزای جدایی ناپذیر آسانسورها و تهویه مطبوع{1}}فرکانس متغیر تبدیل شده اند. VFD ها در هر گوشه ای از تولید و زندگی روزمره نفوذ کرده اند. با این حال، آنها همچنین چالش های بی سابقه ای را معرفی کرده اند که آسیب موتور یکی از برجسته ترین مسائل است.
بسیاری قبلاً پدیده آسیب رساندن VFD به موتورها را مشاهده کرده اند. به عنوان مثال، اخیراً یک سازنده پمپ با گزارش های مکرری از مشتریان در مورد خرابی پمپ در دوره های گارانتی مواجه شده است. پیش از این، محصولات این سازنده به دلیل قابلیت اطمینان خود شناخته شده بودند. بررسی نشان داد که تمام پمپ های آسیب دیده توسط درایوهای فرکانس متغیر هدایت می شوند.
اگرچه موضوع آسیب حرکتی ناشی از VFD{0}}در حال جلب توجه است، مکانیسمهای اساسی همچنان نامشخص هستند و اقدامات پیشگیرانه تا حد زیادی ناشناخته هستند. هدف این مقاله بررسی این عدم قطعیت هاست.
آسیب به موتورهای ناشی از VFD
آسیب به موتورها از VFD ها به دو صورت اصلی ظاهر می شود: آسیب سیم پیچ استاتور و آسیب یاتاقان، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. چنین آسیبی معمولاً در بازه زمانی متفاوت از چند هفته تا بیش از یک سال رخ می دهد. مدت زمان مشخص به عوامل متعددی از جمله برند VFD، برند موتور، رتبه بندی قدرت موتور، فرکانس حامل VFD، طول کابل بین VFD و موتور و دمای محیط بستگی دارد. خرابی زودرس موتور زیان های اقتصادی قابل توجهی را به شرکت ها وارد می کند. این تلفات نه تنها شامل هزینه های تعمیر و جایگزینی می شود، بلکه مهمتر از آن، تأثیر مالی ناشی از توقف تولید غیرمنتظره را شامل می شود. بنابراین، هنگام استفاده از VFD ها برای راندن موتورها، موضوع آسیب موتور توجه قابل توجهی را می طلبد.
تفاوت بین درایو فرکانس متغیر و درایو فرکانس خط
برای درک اینکه چرا موتورهای فرکانس خط در شرایط درایو فرکانس متغیر بیشتر در معرض آسیب هستند، ابتدا باید تفاوت بین ولتاژ ارائه شده توسط درایو فرکانس متغیر و ولتاژ فرکانس خط را درک کرد. سپس، باید درک کرد که این تفاوت ها چگونه بر موتور تأثیر منفی می گذارد.
برای درک اینکه چرا موتورها در شرایط درایو VFD در مقایسه با عملکرد فرکانس خط، بیشتر در معرض آسیب هستند، ابتدا باید تفاوتهای بین ولتاژ تامینشده توسط VFD و ولتاژ فرکانس خط-را بررسی کنیم. سپس باید درک کنیم که این تفاوت ها چگونه بر موتور تأثیر منفی می گذارد.
ساختار اصلی یک درایو فرکانس متغیر در شکل 2 نشان داده شده است که شامل دو بخش اصلی است: مدار یکسو کننده و مدار اینورتر. مدار یکسو کننده یک مدار خروجی ولتاژ DC را با استفاده از دیودهای استاندارد و خازن های فیلتر تشکیل می دهد. مدار اینورتر این ولتاژ DC را به شکل موج ولتاژ مدولهشده با عرض پالس (ولتاژ PWM) تبدیل میکند. در نتیجه، شکل موج ولتاژی که موتور را از VFD هدایت میکند، یک شکل موج پالسی با عرض پالسهای متفاوت است، نه یک شکل موج ولتاژ سینوسی. راندن موتور با این ولتاژ پالسی عامل اساسی آسیب موتور است.
مکانیسم آسیب اینورتر به سیمپیچهای استاتور موتور
هنگامی که ولتاژ پالس از طریق کابل ها منتشر می شود، امپدانس نامتناسب بین کابل و بار باعث بازتاب در انتهای بار می شود. این انعکاس ها منجر به برهم نهی امواج فرودی و منعکس شده و تولید ولتاژهای بسیار بالاتری می شود. دامنه آنها می تواند تا دو برابر ولتاژ باس DC-تقریباً سه برابر ولتاژ ورودی اینورتر- همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است برسد. افزایش مکرر اضافه ولتاژ می تواند منجر به خرابی زودرس موتور شود.
طول عمر واقعی موتوری که توسط یک درایو فرکانس متغیر هدایت می شود پس از قرار گرفتن در معرض افزایش ولتاژ به عوامل متعددی از جمله دما، آلودگی، لرزش، ولتاژ، فرکانس حامل و فرآیند ساخت عایق سیم پیچ بستگی دارد.
هر چه فرکانس حامل مبدل فرکانس بالاتر باشد، شکل موج جریان خروجی به یک موج سینوسی نزدیکتر می شود. این امر دمای کار موتور را کاهش می دهد و در نتیجه طول عمر عایق را افزایش می دهد. با این حال، فرکانس حامل بالاتر به معنای ولتاژ افزایشی تولید شده در هر ثانیه است که منجر به ضربه های مکرر بر روی موتور می شود. شکل 4 نشان می دهد که چگونه طول عمر عایق با طول کابل و فرکانس حامل متفاوت است. نمودار نشان می دهد که برای یک کابل 200 فوتی، افزایش فرکانس حامل از 3 کیلوهرتز به 12 کیلوهرتز (یک افزایش چهار برابری) عمر عایق را از حدود 80000 ساعت به 20000 ساعت کاهش می دهد (کاهش چهار برابر).
اثر فرکانس حامل بر روی عایق
هر چه دمای موتور بالاتر باشد، طول عمر عایق کمتر است. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، هنگامی که دما به 75 درجه افزایش می یابد، طول عمر موتور تنها به 50٪ کاهش می یابد. موتورهایی که توسط درایوهای فرکانس متغیر (VFDs) هدایت میشوند، دماهای بسیار بالاتری را در مقایسه با موتورهایی که توسط ولتاژ فرکانس راهاندازی میشوند، تجربه میکنند، زیرا ولتاژ PWM حاوی نسبت بیشتری از اجزای فرکانس بالا-است.
مکانیسم آسیب درایو فرکانس متغیر به بلبرینگ موتور
علت آسیب درایو فرکانس متغیر به یاتاقان های موتور، جریان جریان از طریق یاتاقان ها است که در حالت اتصال متناوب رخ می دهد. مدارهای متصل به طور متناوب قوس تولید می کنند و این قوس ها یاتاقان ها را می سوزانند.
دو دلیل اصلی جریان را از طریق یاتاقان های موتور AC القاء می کنند: اول، ولتاژ القایی ناشی از عدم تعادل میدان الکترومغناطیسی داخلی. دوم، مسیرهای جریان با فرکانس بالا-که توسط ظرفیت سرگردان ایجاد میشوند.
در یک موتور القایی AC ایده آل، میدان مغناطیسی داخلی متقارن است. هنگامی که جریانها در سیمپیچهای سه فاز برابر هستند و فاز-120 درجه جابهجا میشوند، هیچ ولتاژی به شفت موتور القا نمیشود. با این حال، زمانی که ولتاژ خروجی PWM از اینورتر باعث عدم تقارن میدان مغناطیسی در موتور می شود، ولتاژ بر روی شفت القا می شود. این ولتاژ معمولاً بین 10 تا 30 ولت است که بستگی به ولتاژ درایو دارد-ولتاژ درایو بالاتر منجر به ولتاژ شفت بالاتر میشود. اگر این ولتاژ از قدرت عایق روغن روان کننده در یاتاقان بیشتر شود، یک مسیر الکتریکی تشکیل می شود. با چرخش شفت، عایق روغن روان کننده به صورت دوره ای جریان جریان را قطع می کند. این فرآیند شبیه عمل سوئیچینگ یک سوئیچ مکانیکی است که قوس الکتریکی ایجاد میکند که سطوح شفت، توپها و بلبرینگها را فرسایش میدهد و گودالها را تشکیل میدهد. بدون ارتعاش خارجی، حفره های جزئی باعث حداقل ضربه می شود. با این حال، هنگامی که با ارتعاش خارجی ترکیب می شود، شیارهایی ایجاد می کند که به طور قابل توجهی عملکرد موتور را مختل می کند.
علاوه بر این، آزمایشها نشان میدهند که ولتاژ روی شفت با فرکانس اصلی ولتاژ خروجی اینورتر نیز مرتبط است. هرچه فرکانس پایه کمتر باشد، ولتاژ روی شفت بیشتر می شود و در نتیجه آسیب شدیدتر یاتاقان ها ایجاد می شود.
در مرحله اولیه عملیات زمانی که دمای روانکار پایین است، دامنه جریان از 5 تا 200 میلی آمپر متغیر است. چنین جریان های کم هیچ آسیبی به بلبرینگ وارد نمی کند. با این حال، پس از عملیات طولانی مدت، با افزایش دمای روان کننده، جریان اوج می تواند به 5 تا 10 A برسد. این باعث ایجاد قوس می شود و حفره های میکرو-روی سطوح یاتاقان ایجاد می کند.
حفاظت از سیم پیچ استاتور موتور
هنگامی که طول کابل از 30 متر فراتر رود، درایوهای فرکانس متغیر مدرن (VFD) به ناچار ولتاژهای افزایشی در پایانه های موتور ایجاد می کنند و طول عمر موتور را کوتاه می کنند. دو روش از آسیب موتور جلوگیری می کند: استفاده از موتورهایی با قدرت شکست عایق سیم پیچ بالاتر (که معمولاً موتورهای سازگار با VFD{2}} نامیده می شوند) یا اجرای اقداماتی برای کاهش ولتاژهای افزایشی. اولی برای پروژه های جدید مناسب است، در حالی که دومی برای مقاوم سازی موتورهای موجود ایده آل است.
در حال حاضر، چهار روش متداول حفاظت موتور استفاده می شود:
(1) نصب راکتورها در خروجی اینورتر: این روشی است که اغلب استفاده می شود. با این حال، توجه داشته باشید که در حالی که برای کابل های کوتاه تر (زیر 30 متر) موثر است، عملکرد آن ممکن است گاهی اوقات کمتر از حد مطلوب باشد، همانطور که در شکل 6(c) نشان داده شده است.
(2) نصب فیلتر dv/dt در خروجی اینورتر: این فیلتر برای طول کابل کمتر از 300 متر مناسب است. همانطور که در شکل 6 (d) نشان داده شده است، اگرچه کمی گرانتر از راکتورها است، اما نتایج قابل توجهی بهبود یافته را ارائه می دهد.
(3) نصب فیلتر موج سینوسی در خروجی اینورتر: این ایده آل ترین راه حل است. با تبدیل ولتاژ پالس PWM به ولتاژ موج سینوسی، موتور در شرایطی مشابه با ولتاژ فرکانس خط کار می کند. این رویکرد مشکل ولتاژ سنبله را به طور کامل حل می کند (ولتاژ سنبله صرف نظر از طول کابل رخ نخواهد داد).
(4) نصب یک جاذب ولتاژ سنبله در رابط کابل{1}}موتور: اشکالات اقدامات قبلی این است که راکتورها یا فیلترها برای موتورهای پرقدرت حجیم، سنگین و پرهزینه می شوند. علاوه بر این، هر دو راکتور و فیلترها باعث افت ولتاژ می شوند که گشتاور خروجی موتور را کاهش می دهد. استفاده از جاذب ولتاژ اسپایک اینورتر بر این محدودیت ها غلبه می کند. جاذب ولتاژ سرج SVA که توسط موسسه 706 آکادمی دوم CASIC ساخته شده است، از الکترونیک قدرت پیشرفته و فناوری کنترل هوشمند استفاده می کند که آن را به یک راه حل ایده آل برای جلوگیری از آسیب موتور تبدیل می کند. علاوه بر این، جاذب سرج SVA از یاتاقان های موتور نیز محافظت می کند.