VFD-Motorausfälle: Die drei versteckten Killer hinter häufigen Durchbrüchen trotz niedrigen Stroms

In industriellen Umgebungen treffen wir häufig auf eine sehr trügerische Art von VFD-Motorausfall: Motoren, die häufig durchbrennen, obwohl sie mit Strömen weit unter ihren Nennwerten arbeiten.

Dabei handelt es sich nicht um eine gewöhnliche Überlast, sondern um einen unsichtbaren Killer, der durch hochfrequente Oberschwingungen ausgelöst wird. Viele Ingenieure haben Überstrom- und Überlastungsschutzvorrichtungen untersucht und festgestellt, dass alle Parameter normal sind, so dass sie letztlich hilflos waren. Heute werde ich die Ursachen dieses hochtechnischen Fehlers aus drei mikroskopischen Dimensionen beleuchten: Isolationsdurchbruch, Wellenstrom und Elektrokorrosion der Lager.

Bevor Sie mit der Analyse beginnen, sollten Sie sicherstellen, dass Sie den grundlegendsten Standard umgesetzt haben: statten Sie jeden Motorkreis mit unabhängigen Start-/Stopp-Steuer- und Schutzvorrichtungen aus. Wenn dieser Schritt bereits vollzogen ist, liegt das Problem in tieferen Schichten der “Netzqualität”.”

Eingehende Analyse von drei versteckten Ursachen, die zu VFD-Motorausfällen führen

Wenn die Strommesswerte normal erscheinen, der Motor aber trotzdem ausfällt, sind die folgenden drei untypischen Szenarien für einen VFD-Motorausfall typisch.

1. Isolationsdurchbruch bei langen Kabeln

Dies ist die häufigste erste Ausfallursache: Bei der Demontage eines durchgebrannten Motors zur Inspektion wird ein Erdkurzschluss oder ein Ausfall der Phase-Phase-Isolierung festgestellt.

Logik des Ausfalls: Diese Art von VFD-Motorausfall tritt typischerweise bei langen Motorkabeln auf (z. B. mehr als 100 Meter). Der Umrichter gibt hochfrequente PWM-Wellen aus, die erhebliche Oberwellen enthalten. Bei der Übertragung über lange Kabel erzeugt die Überlagerung der Oberwellen ein Reflexionswellenphänomen, das Spannungsspitzen an den Motorklemmen verursacht.

Nach unseren Feldtestdaten kann die überlagerte Spitzenspannung bei einer Kabellänge von etwa 100 Metern bis zu 2000 V bis 2500 V erreichen. Diese Spannung übersteigt bei weitem die Spannungsfestigkeit von Standard-Motorisolierungen. Im Laufe der Zeit wird die Isolierung wiederholt wie ein Nadelstich durchstochen, was schließlich zum Durchbruch der Isolierung führt und einen schweren Ausfall des VFD-Motors verursacht.

2. Wellenspannung verursacht “bläuliche Verfärbung” des Lagers”

Das zweite Szenario ist noch katastrophaler: Bei der Demontage des Motors wird die Welle blau verbrannt, die Lager sind völlig ausgebrannt und zerfallen.

Ursachenanalyse: Es handelt sich nicht um eine Überhitzung der mechanischen Reibung, sondern um ein klassisches Wellenspannungsproblem. Aufgrund einer unsymmetrischen Dreiphasenspannung (Gleichtaktspannung) am Ausgang des Frequenzumrichters wird an beiden Enden der Motorwelle eine Spannung induziert. Wenn diese Spannung ein bestimmtes Niveau erreicht, reißt sie den Ölfilm in den Lagern auf und bildet einen Schleifenstrom (Wellenstrom). Obwohl dieser Strom relativ gering ist, erzeugt er an winzigen Kontaktstellen hohe Temperaturen, die das Metall sofort zum Schmelzen bringen. Dies führt dazu, dass sich die Lager blau verfärben und zerfallen, was letztlich zu einem mechanischen Festfressen und einem Ausfall des VFD-Motors führt.

3. Lagerrillen (Elektroerosion) und “Waschbrettmuster”.”

Das dritte Szenario ist eine Variante des zweiten, aber seine Merkmale sind subtiler. Bei der Inspektion der Lager nach dem Ausfall des Motors sind diese zwar zerfallen, aber deutlich und geordnet “Waschbrettmuster” sind innerhalb der Laufbahnen sichtbar.

Charakterisierung des Versagens: Dies ist ein klassischer Fall von Elektroerosion (Electric Erosion). Hochfrequente Wellenströme entladen sich wiederholt zwischen der Lagerlaufbahn und den Kugeln, wodurch Rillen in die Laufbahn geätzt werden, ähnlich einer Miniatur-Funkenerosion (d.h. Lagerrillen).

Sobald sich dieses Muster bildet, erzeugt das Lager während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs starke Vibrationen, die den Verschleiß beschleunigen und hohe Temperaturen erzeugen, was schließlich zum Festfressen des Lagers führt. Dies ist auch eine wichtige, aber oft übersehene Ursache für den Ausfall von VFD-Motoren.

Ultimative Lösung: Null-Kosten-Anpassung mit Hardware-Erweiterung

Für die drei Arten von VFD-Motorausfällen, die durch Oberschwingungen und Spannungsspitzen verursacht werden, habe ich zwei Hauptlösungskategorien zusammengefasst.

1. Null-Kosten-Lösung: Anpassung der Trägerfrequenz

Dies ist der erste Schritt zur Fehlersuche. Beachten Sie den Parameter P0-15 (Trägerfrequenz) in der EV510A Benutzerhandbuch oder P0-15 in der EV200 Benutzerhandbuch, und versuchen, die Trägerfrequenz zu senken.

• Vorgehensweise: Verringern Sie die Trägerfrequenz schrittweise von ihrem Standardwert (z. B. 8 kHz oder höher).
• Das Prinzip: Durch die Senkung der Trägerfrequenz wird die Anzahl der Impuls-Schaltzyklen pro Zeiteinheit direkt verringert, wodurch die Überlagerungsfrequenz der Oberwellen sinkt. Mit weniger Oberschwingungen sinken natürlich auch die Spannungsspitzen. Solange die Spannungsspitzen unter den Schwellenwerten für die Isolationswiderstandsspannung oder den Lagerausfall liegen, wird das Risiko eines VFD-Motorausfalls erheblich gemindert.

2. Hardware-Lösung: Installieren Sie eine Ausgangsdrossel

Wenn das Absenken der Trägerfrequenz nur begrenzte Ergebnisse bringt oder wenn eine übermäßige Frequenzreduzierung aufgrund von Rauschanforderungen verboten ist, müssen physikalische Maßnahmen ergriffen werden. Unser VFD-Auswahlhilfe empfiehlt ausdrücklich die Installation einer AC-Ausgangsdrossel, wenn die Entfernung zwischen VFD und Motor mehr als 100 Meter beträgt.

• Maßnahme: Installieren Sie eine Ausgangsdrossel auf der VFD-Ausgangsseite.
• Grundprinzip: Ausgangsdrosseln unterdrücken wirksam Oberschwingungen, glätten Spannungsspitzen und -tiefs und “glätten” Spannungsspitzen. Dies ist die gründlichste Lösung, um den Ausfall der Isolierung von langen Kabeln und die Elektrokorrosion von Lagern zu verhindern, was einen grundlegenden Schutz gegen den Ausfall von VFD-Motoren darstellt.

Schlussfolgerung

Die zentrale Herausforderung bei der Behebung hartnäckiger VFD-Motorausfälle liegt in der Kontrolle der Ausgangsspannungsqualität. Egal, ob es sich um einen Ausfall der Isolierung oder um Riffelungen in den Lagern handelt, die Hauptursache sind Spannungsspitzen, die durch hochfrequente Oberschwingungen ausgelöst werden.

Als Techniker vor Ort ist unsere erste Wahl die Anpassung der Trägerfrequenz zum Nulltarif. Wenn die Wirkung begrenzt ist, müssen wir unbedingt eine Ausgangsdrossel einbauen. Für Anwendungen in der Fernübertragung empfehlen wir unsere EV510A oder EV200 Auswahlhilfen zur sinnvollen Konfiguration des Peripheriezubehörs. Dadurch werden die unsichtbaren Schäden durch Oberschwingungen am Motor vermieden und der langfristige Betrieb der Anlage sichergestellt.