5 причин неисправности двигателей с ЧРП и способы их устранения

Введение: Общий технический парадокс

Для многих опытных инженеров и техников один вопрос остается недоуменным: Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) Они оснащены высокочувствительной защитой от перегрузки по току, что теоретически обеспечивает надежную защиту двигателя. Однако на практике отказы двигателей с ЧРП остаются частым явлением. Почему так происходит?

Ответ кроется в том, что, хотя ЧРП обеспечивают точное регулирование скорости, они также подвергают двигатели уникальным электрическим нагрузкам, отсутствующим в стандартных системах с электроприводом. Механизмы защиты VFD в основном предназначены для защиты их собственных внутренних компонентов (например, IGBT), в результате чего двигатели подвергаются этим новым электрическим нагрузкам. В этой статье рассматриваются пять основных причин отказа двигателей с ЧРП и предлагаются практические решения, которые помогут вам диагностировать проблемы и предотвратить их до того, как они возникнут.

Повреждение подшипников из-за токов вала: Ведущая причина выхода из строя двигателей с ЧРП

Это один из самых коварных и разрушительных видов отказов. Когда подшипники двигателя преждевременно выходят из строя без видимых механических причин, виновником часто является ток в валу, генерируемый ЧРП.

• Коренная причина: Напряжение синфазного тока и емкостная связь ЧРП имитируют синусоидальный переменный ток с помощью технологии широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако на выходе они представляют собой не идеально ровную кривую, а серию высокоскоростных импульсов постоянного тока. Эта несимметричная форма волны генерирует “напряжение общего режима”. Это напряжение индуцируется на валу двигателя через паразитную емкость (емкостную связь) между обмотками статора и ротора. В результате вал двигателя оказывается под напряжением. Подшипники двигателя, состоящие из проводящих внутренних и внешних колец и изолирующей смазки, работают как миниатюрные конденсаторы, непрерывно заряжаясь.
• Механизм отказа: Электроэрозионная обработка (ЭЭО), точечная коррозия и рифление подшипников Когда напряжение на валу накапливается в достаточной степени, чтобы пробить изолирующий слой смазки подшипника, происходит выброс электрических дуг. Этот процесс называется электроэрозионной обработкой (EDM). Миллионы микродуг в час создают крошечные ямки и наледь на дорожках качения подшипников и поверхностях шариков. Со временем эти повреждения превращаются в рифленые канавки, напоминающие стиральную доску, и называются рифлением подшипника. Когда это происходит, подшипник начинает вибрировать и издавать ненормальный шум. Смазка разрушается под воздействием высоких температур, что в конечном итоге приводит к заклиниванию подшипника и перегоранию двигателя. Упомянутая вами несоосность ротора и статора усугубляет этот эффект за счет асимметрии магнитной цепи, усиливая повреждение подшипника током вала VFD.

Перегрев на низких скоростях: Распространенный сценарий отказа двигателя с ЧРП

Многие приложения требуют, чтобы двигатели работали на низких частотах (например, ниже 20-30 Гц) в течение длительного времени - именно в “опасной зоне” для стандартных двигателей.

• Дилемма рассеивания тепла: Почему низкоскоростная работа опасна Стандартные двигатели общего назначения (особенно TEFC, полностью закрытые двигатели с вентиляторным охлаждением) полагаются на свои вентиляторы на валу для охлаждения. Скорость вращения вентилятора синхронизируется со скоростью вращения двигателя. Когда ЧРП снижает скорость двигателя, эффективность охлаждения вентилятора резко падает. Одновременно гармоники в выходном сигнале ЧРП генерируют дополнительное тепло в обмотках двигателя. Поскольку тепло накапливается, а мощность охлаждения остается крайне недостаточной, происходит перегрев двигателя VFD на низкой скорости. Длительный перегрев вызывает старение и хрупкость изоляции обмоток двигателя, что в конечном итоге приводит к межвитковому замыканию или замыканию на землю.
• Решение: Роль инверторных двигателей Оптимальным решением является использование инверторных двигателей. Такие двигатели обычно имеют изоляционные материалы более высокого класса (например, класса F или класса H), а многие модели оснащены специальными охлаждающими вентиляторами с постоянной скоростью вращения. Это обеспечивает достаточное охлаждение двигателя при работе ЧРП, независимо от того, насколько низкой становится скорость вращения двигателя.

Пробой изоляции длинных кабелей: Критическая точка отказа двигателя VFD

Когда длина кабеля между VFD и двигателем превышает определенные пределы (обычно около 30 метров, при этом риск становится чрезвычайно высоким после 100 метров), активируется невидимый “убийца напряжения”.

• Физический принцип: Феномен отраженной волны и скачки напряжения Высокоскоростные ШИМ-импульсы, выдаваемые VFD, отражаются при прохождении по кабелю к двигателю из-за несоответствия импеданса между VFD, кабелем и двигателем, создавая “феномен отраженной волны”. Эти отраженные волны накладываются на последующие импульсы, вызывая пиковые напряжения на клеммах двигателя, которые в 2-3 раза превышают напряжение шины постоянного тока ЧРП. Для системы 480 В это означает, что двигатели могут выдерживать скачки напряжения на длинном кабеле VFD, превышающие 1500 В. Стандартные системы изоляции двигателей не выдерживают таких длительных высоковольтных воздействий, что в конечном итоге приводит к пробою изоляции.
• Решения: Фильтры и дроссели Для решения проблемы длинного кабеля на выходе ЧРП необходимо установить защитные устройства. Фильтр dV/dt может замедлить скорость нарастания напряжения, а выходной дроссель VFD или фильтр синусоидальной волны более эффективно сглаживает форму выходного сигнала, в основном устраняя разрушительные скачки напряжения. Одновременно с этим использование специального экранированного кабеля VFD также может в некоторой степени смягчить проблему.

Механические и параметрические неисправности, приводящие к отказу двигателя ЧРП

Помимо чисто электрических проблем, некоторые механические факторы и неправильное Настройки параметров ЧРП также может привести к выходу из строя двигателя ЧРП.

• Механическая несоосность как фактор, способствующий развитию заболевания: Упомянутая вами несоосность статора и ротора является критической механической проблемой. Такое отклонение в выравнивании двигателя создает дисбаланс магнитной цепи, который не только вызывает вибрацию и перегрев, но и значительно усугубляет проблему тока в валу, о которой говорилось ранее, ускоряя повреждение подшипников.
• Неправильная конфигурация мертвой зоны, приводящая к остановке: В системах, где требуется частое циклическое движение вперед-назад, несоблюдение разумной “мертвой зоны” в параметрах ЧРП может привести к тому, что ЧРП будет быстро переключаться между прямым и обратным ходом при колебаниях управляющих сигналов около нуля. Это приводит к тому, что двигатель кажется неподвижным, а на самом деле находится в состоянии ‘застоя’ или “микровибрации”. В этом состоянии двигатель выдает крутящий момент, но не может вращаться, генерируя большие токи, которые вызывают быстрый перегрев, что в конечном итоге приводит к сгоранию двигателя или повреждению ЧРП.

Проактивное руководство: Предотвращение отказов двигателей с ЧРП

Теперь, когда мы понимаем основные причины отказа двигателей VFD, можно принять целенаправленные меры для защиты вашего оборудования.

1.Адресный подшипниковый ток

Для ответственных применений или крупных двигателей настоятельно рекомендуется устанавливать кольца заземления вала для обеспечения безопасного пути заземления для токов вала или использовать изолированные подшипники для разрыва токовой петли.

2.Решение проблем с длинными кабелями

Выберите подходящий фильтр dv/dt или выходной реактор ЧРП в зависимости от длины кабеля и напряжения в системе.

3.Предотвращение перегрева на низких скоростях

Отдавайте предпочтение инверторным двигателям. Если двигатели общего назначения должны работать на низких оборотах, установите специальные вспомогательные вентиляторы охлаждения.

4.Оптимизация установки и ввода в эксплуатацию

Обеспечьте точное согласование двигателя с нагрузкой. При вводе в эксплуатацию ЧРП тщательно проверьте все параметры - особенно для приложений с частыми реверсами - и настройте соответствующую ширину полосы нечувствительности.

Заключение

В общем, отказ двигателя с ЧРП не является неразрешимой загадкой. Он вызван новыми электрическими напряжениями, возникающими при использовании этой передовой технологии управления. Хотя Перегрузка ЧРП по току Защита очень чувствительна, но она не может полностью справиться с многочисленными медленно возникающими механизмами повреждения, такими как токи в валах, низкоскоростной перегрев и скачки напряжения.

Тщательно разобравшись в основных причинах этих отказов и приняв упреждающие защитные меры при проектировании системы, выборе оборудования и монтаже/пусконаладке, мы сможем в полной мере использовать преимущества ЧРП в плане энергосбережения и оптимизации процессов, обеспечивая при этом долговременную и надежную работу двигателя. Ключ к успеху заключается в том, чтобы рассматривать ЧРП и двигатель как единую систему, а не просто как комбинацию двух независимых компонентов.