L'émergence des convertisseurs de fréquence a apporté une innovation au contrôle de l'automatisation industrielle et à l'économie d'énergie des moteurs.
La production industrielle est presque indissociable des onduleurs, et même dans la vie de tous les jours, les ascenseurs et les climatiseurs à onduleur sont devenus un élément indispensable du processus, et les onduleurs ont commencé à pénétrer dans tous les recoins de la production et de la vie.
Cependant, les onduleurs ont également apporté avec eux de nombreux problèmes sans précédent, dont les dommages aux moteurs électriques sont l'un des phénomènes les plus typiques.
De nombreuses personnes ont déjà découvert le phénomène d'endommagement des moteurs par les onduleurs.
Par exemple, une usine de pompes à eau, au cours des deux dernières années, ses clients ont fréquemment signalé que les pompes avaient été endommagées pendant la période de garantie.
Dans le passé, cependant, cette usine de pompes était très fiable en termes de qualité des produits. Après enquête, il a été constaté que ces pompes endommagées étaient entraînées par des convertisseurs de fréquence.
Bien que le phénomène des onduleurs endommageant les moteurs soit une préoccupation croissante, les mécanismes qui le provoquent ne sont pas encore clairs, et encore moins comment le prévenir.
Le but de partager cet article est de remédier à ces confusions.
Endommagement des moteurs électriques par les convertisseurs de fréquence
Les dommages causés au moteur électrique par l'onduleur comprennent deux aspects, les dommages aux enroulements du moteur et les dommages aux roulements du moteur.
Ceci est illustré dans le schéma ci-dessous :
Ces dommages surviennent généralement en quelques semaines à une dizaine de mois, le temps précis est lié à la marque de l'onduleur, la marque du moteur électrique, la puissance des moteurs électriques, la fréquence porteuse de l'onduleur, la longueur du câble entre l'onduleur et les moteurs électriques, la température ambiante et de nombreux autres facteurs.
Des dommages précoces et inattendus aux moteurs électriques entraînent d'énormes pertes économiques pour la production de l'entreprise.
Cette perte n'est pas seulement le coût de la réparation et du remplacement du moteur, mais aussi la perte économique causée par des arrêts de production imprévus.
Par conséquent, lors de l'utilisation de moteurs entraînés par variateur, une attention suffisante doit être accordée au problème des dommages au moteur.
Différence entre le variateur de vitesse et les variateurs de fréquence industriels
Il est important de comprendre le mécanisme par lequel un moteur à fréquence industrielle est plus susceptible d'être endommagé dans des conditions entraînées par un onduleur avec un équipement entraîné.
Comprenez d'abord comment la tension à laquelle l'onduleur entraîne le moteur diffère de la I.F. tensions d'arbre.
Comprenez alors comment cette différence a un effet néfaste sur le moteur.
La construction de base d'un onduleur est illustrée à la figure 2 et se compose de deux parties : le circuit redresseur et le circuit onduleur.
Le circuit redresseur est un circuit de sortie de pointes de tension continue composé d'une diode commune et d'un condensateur de filtrage, tandis que le circuit onduleur convertit la tension continue en une forme d'onde de tension modulée en largeur d'impulsion (tension PWM).
Par conséquent, la forme d'onde de tension de l'onduleur entraînant les moteurs est une forme d'onde d'impulsion avec une largeur d'impulsion variable, plutôt qu'une forme d'onde de tension sinusoïdale.
Driving a motor with pulsed voltage is the root cause of the motor's vulnerability to damage.
Mécanisme d'endommagement des enroulements du moteur par les convertisseurs de fréquence
Lorsque la tension pulsée est transmise sur le câble, si l'impédance du câble ne correspond pas à l'impédance de la charge, une réflexion se produira à l'extrémité de la charge.
La réflexion se traduit par une superposition de l'onde incidente et de l'onde réfléchie, créant une tension plus élevée, qui peut atteindre une amplitude maximale de deux fois la tension du bus continu, ce qui équivaut environ à trois fois la tension d'entrée de l'onduleur, comme indiqué dans Figure 3.
La tension de pointe excessivement élevée est ajoutée aux bobines du stator du moteur, provoquant des chocs de tension sur les bobines, et des chocs de surtension fréquents peuvent entraîner une panne prématurée du moteur.
La durée de vie réelle d'un moteur entraîné par un onduleur après qu'il a été soumis à un choc de tension de pointe est liée à un certain nombre de facteurs, notamment la température, la contamination, les vibrations, la tension, la fréquence porteuse et la fabrication de l'isolation de la bobine pour l'industrie de l'automatisation électrique. .
The higher the carrier frequency of the inverter, the closer the output current waveform is to a sine wave, which will reduce the motor's operating temperature and thus extend the life of the motor insulation.
Cependant, une fréquence porteuse plus élevée signifie qu'un plus grand nombre de pics de tension limite sont générés par seconde et que le nombre de chocs sur le moteur est plus important.
La figure 4 donne la variation de la durée de vie de l'isolant en fonction de la longueur du câble et de la fréquence porteuse.
Comme on peut le voir sur le graphique, pour un câble de 200 pieds de long, la durée de vie de l'isolant diminue d'environ 80 000 heures à 20 000 heures (une différence quadruple) lorsque la fréquence porteuse est augmentée de 3 kHz à 12 kHz (un changement quadruple).
Influence de la fréquence porteuse sur l'isolation des moteurs électriques
Plus la température du moteur est élevée, plus la durée de vie de l'isolation du moteur est courte, comme illustré à la figure 5, lorsque la température atteint 75°C , la durée de vie du moteur n'est que de 50 %.
Les moteurs entraînés par des convertisseurs de fréquence auront une température de moteur beaucoup plus élevée que s'ils étaient entraînés par une tension de fréquence industrielle, car la tension PWM contient plus de composants à haute fréquence
Mécanismes par lesquels les convertisseurs de fréquence endommagent les roulements du moteur
L'onduleur endommage les roulements du moteur car il y a un courant qui traverse les roulements et ce courant est dans un circuit connecté intermittent, le circuit connecté intermittent crée un arc et l'arc brûle les roulements.
Il existe deux principales causes de courant circulant dans les roulements d'un nouveau moteur à courant alternatif.
Premièrement, les tensions de crête induites par un champ électromagnétique interne déséquilibré, et deuxièmement, les chemins de courant à haute fréquence causés par les condensateurs parasites.
Le champ magnétique interne d'un moteur à induction à courant alternatif idéal est symétrique et lorsque les courants dans les enroulements triphasés sont égaux et que les phases sont à 120 ? à part, aucune tension n'est induite dans la tige de l'arbre du moteur.
Lorsque la tension de sortie PWM de l'onduleur provoque l'asymétrie du champ magnétique à l'intérieur des nouveaux moteurs, une tension de mode commun sera induite sur la tige de l'arbre du moteur dans la plage de 10 à 30 V, qui est liée à la tension d'entraînement, la plus élevée plus la tension d'entraînement est élevée, plus la tension sur la tige de l'arbre est élevée.
Lorsque la valeur de cette tension dépasse la force isolante du lubrifiant dans le roulement, un chemin de courant se forme.
À un moment donné pendant la rotation de la tige d'essieu, l'isolation de l'huile de lubrification bloque à nouveau le courant.
Ce processus est similaire au processus marche/arrêt d'un interrupteur mécanique.
Ce processus génère un arc électrique qui brûle les surfaces de l'arbre, de la boule et du bol, formant des piqûres.
S'il n'y a pas de vibrations externes, les petits cratères n'ont pas un effet excessif, mais lorsqu'il y a des vibrations externes, les cratères se créent et cela a un effet significatif sur le fonctionnement du moteur des constructeurs de moteurs électriques.
De plus, des expériences ont montré que les pics de tension sur la tige de l'arbre sont également liés à la fréquence fondamentale de la tension de sortie de l'onduleur ; plus la fréquence fondamentale est basse, plus la tension sur la tige de l'arbre est élevée et plus les roulements sont endommagés.
Au début du fonctionnement du moteur, lorsque la température du lubrifiant est basse, l'amplitude du courant est de 5 à 200 mA, un si petit courant ne causera aucun dommage aux roulements.
Cependant, une fois que le moteur a fonctionné pendant un certain temps, à mesure que la température du lubrifiant augmente, le courant de crête atteindra 5 à 10 A, ce qui créera des arcs volants qui formeront de petites piqûres à la surface des composants du roulement.
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