L'arribada dels variadors de freqüència (VFD) ha revolucionat el control de l'automatització industrial i l'eficiència energètica del motor. Els VFD són pràcticament indispensables en la producció industrial i, fins i tot en la vida diària, s'han convertit en components integrals en ascensors i aparells d'aire condicionat-variable. Els VFD han impregnat tots els racons de la producció i la vida quotidiana. Tanmateix, també han introduït reptes sense precedents, sent el dany motor un dels problemes més destacats.
Molts ja han observat el fenomen dels VFD que danyaven els motors. Per exemple, un fabricant de bombes s'ha enfrontat recentment a informes freqüents dels clients sobre fallades de la bomba que es van produir durant els períodes de garantia. Anteriorment, els productes d'aquest fabricant eren coneguts per la seva fiabilitat. La investigació va revelar que totes les bombes danyades eren accionades per variadors de freqüència.
Tot i que el problema del dany motor induït-VFD està cridant l'atenció, els mecanismes subjacents encara no estan clars i les mesures preventives són en gran part desconegudes. Aquest article pretén abordar aquestes incerteses.
Danys als motors causats per VFD
Els danys als motors dels VFD es manifesten de dues maneres principals: danys al bobinatge de l'estator i danys als coixinets, tal com s'il·lustra a la figura 1. Aquest dany es produeix normalment en un període de temps que va des de diverses setmanes fins a més d'un any. La durada específica depèn de nombrosos factors, com ara la marca del VFD, la marca del motor, la potència nominal del motor, la freqüència de la portadora del VFD, la longitud del cable entre el VFD i el motor i la temperatura ambient. La fallada prematura del motor provoca pèrdues econòmiques importants a les empreses. Aquestes pèrdues engloben no només els costos de reparació i substitució, sinó, més important, l'impacte financer del temps d'aturada de producció inesperat. Per tant, quan s'utilitzen VFD per conduir motors, el problema dels danys al motor requereix una atenció important.
Diferències entre la unitat de freqüència variable i la unitat de freqüència de línia
Per entendre per què els motors de freqüència de línia són més propensos a danyar-se en condicions d'accionament de freqüència variable, primer cal comprendre les diferències entre la tensió subministrada per un variador de freqüència i la tensió de freqüència de línia. Aleshores, cal entendre com aquestes diferències afecten negativament el motor.
Per entendre per què els motors són més propensos a danyar-se en condicions d'accionament VFD en comparació amb el funcionament de freqüència de línia-, primer hem d'examinar les diferències entre la tensió subministrada per un VFD i la tensió de freqüència-de línia. Aleshores hem d'entendre com aquestes diferències afecten negativament el motor.
L'estructura bàsica d'un variador de freqüència es mostra a la figura 2, que consta de dues seccions principals: el circuit rectificador i el circuit inversor. El circuit rectificador forma un circuit de sortida de tensió de CC utilitzant díodes estàndard i condensadors de filtre. El circuit inversor converteix aquesta tensió de CC en una forma d'ona de tensió modulada d'amplada de pols- (tensió PWM). En conseqüència, la forma d'ona de tensió que condueix el motor des del VFD és una forma d'ona de pols amb amplades de pols variables, no una forma d'ona de tensió sinusoïdal. Conduir el motor amb aquesta tensió polsada és la causa fonamental del dany del motor.
Mecanisme de dany de l'inversor als bobinatges de l'estator del motor
Quan les tensions de pols es propaguen a través dels cables, la impedància no coincident entre el cable i la càrrega provoca reflexos a l'extrem de càrrega. Aquestes reflexions donen lloc a la superposició d'ones incidents i reflectides, generant tensions significativament més altes. La seva amplitud pot assolir fins a dues vegades la tensió del bus de corrent continu-aproximadament tres vegades la tensió d'entrada de l'inversor-com es mostra a la figura 3. Les tensions de punta excessivament altes aplicades als bobinats de l'estator del motor provoquen pujades de tensió. Les sobretensions freqüents poden provocar una fallada prematura del motor.
La vida útil real d'un motor accionat per un variador de freqüència després d'haver estat sotmès a pics de tensió depèn de nombrosos factors, com ara la temperatura, la contaminació, la vibració, la tensió, la freqüència de la portadora i el procés de fabricació de l'aïllament de la bobina.
Com més gran sigui la freqüència portadora del convertidor de freqüència, més s'acosta la forma d'ona del corrent de sortida a una ona sinusoïdal. Això redueix la temperatura de funcionament del motor, allargant així la vida útil de l'aïllament. No obstant això, una freqüència de la portadora més alta significa que es generen més tensions de pic per segon, el que resulta en impactes més freqüents en el motor. La figura 4 il·lustra com la vida útil de l'aïllament varia amb la longitud del cable i la freqüència de la portadora. El gràfic indica que per a un cable de 200 peus, augmentar la freqüència de la portadora de 3 kHz a 12 kHz (un augment de quatre vegades) redueix la vida útil de l'aïllament d'aproximadament 80.000 hores a 20.000 hores (una disminució de quatre vegades).
Efecte de la freqüència portadora sobre l'aïllament
Com més alta sigui la temperatura del motor, més curta serà la vida útil de l'aïllament. Com es mostra a la figura 5, quan la temperatura augmenta a 75 graus, la vida útil del motor es redueix a només un 50%. Els motors accionats per variadors de freqüència (VFD) experimenten temperatures significativament més elevades en comparació amb els accionats per tensió de freqüència de la xarxa elèctrica, a causa del voltatge PWM que conté una proporció més alta de components d'alta-freqüència.
Mecanisme de dany de l'accionament de freqüència variable als coixinets del motor
La causa del dany de la unitat de freqüència variable als coixinets del motor és el flux de corrent a través dels coixinets, que es produeix en un estat de connexió intermitent. Els circuits connectats de manera intermitent generen arcs, i aquests arcs cremen els coixinets.
Dues causes principals indueixen el flux de corrent a través dels coixinets del motor de CA: en primer lloc, la tensió induïda pel desequilibri del camp electromagnètic intern; segon, les vies de corrent d'alta-freqüència creades per la capacitat dispersa.
En un motor d'inducció de CA ideal, el camp magnètic intern és simètric. Quan els corrents dels-bobinats trifàsics són iguals i la fase-desplaçada 120 graus, no s'indueix cap tensió a l'eix del motor. Tanmateix, quan la sortida de tensió PWM de l'inversor provoca una asimetria del camp magnètic dins del motor, la tensió s'indueix a l'eix. Aquesta tensió normalment oscil·la entre 10 i 30 V, depenent de la tensió de la unitat-una tensió de la unitat més alta dóna lloc a una tensió de l'eix més alta. Si aquesta tensió supera la força d'aïllament de l'oli lubricant dins del coixinet, es forma un camí elèctric. A mesura que l'eix gira, l'aïllament de l'oli lubricant interromp periòdicament el flux de corrent. Aquest procés s'assembla a l'acció de commutació d'un interruptor mecànic, generant un arc que erosiona les superfícies de l'eix, les boles i les pistes de coixinets, formant fosses. Sense vibracions externes, les petites picades causen un impacte mínim. Tanmateix, quan es combina amb la vibració externa, crea solcs que perjudiquen significativament el funcionament del motor.
A més, els experiments indiquen que la tensió a l'eix també està relacionada amb la freqüència fonamental de la tensió de sortida de l'inversor. Com més baixa sigui la freqüència fonamental, més gran serà la tensió a l'eix, cosa que provocarà danys més greus als coixinets.
Durant la fase inicial de funcionament, quan la temperatura del lubricant és baixa, les amplituds de corrent oscil·len entre 5 i 200 mA. Aquests corrents baixos no causen danys als coixinets. No obstant això, després d'un funcionament prolongat, a mesura que la temperatura del lubricant augmenta, els corrents màxims poden assolir entre 5 i 10 A. Això indueix un arc, formant micro-foses a les superfícies dels coixinets.
Protecció dels bobinatges de l'estator del motor
Quan les longituds dels cables superen els 30 metres, les modernes unitats de freqüència variable (VFD) generen inevitablement tensions de punta als terminals del motor, escurçant la vida útil del motor. Dos enfocaments eviten els danys als motors: utilitzar motors amb una resistència a la ruptura d'aïllament de bobinat més alta (comunament anomenats motors compatibles amb VFD-) o implementar mesures per reduir les tensions de punta. El primer és adequat per a nous projectes, mentre que el segon és ideal per a la readaptació de motors existents.
Actualment, s'utilitzen quatre mètodes habituals de protecció del motor:
(1) Instal·lació de reactors a la sortida de l'inversor: aquest és l'enfocament més utilitzat. Tanmateix, tingueu en compte que, tot i que és efectiu per a cables més curts (menys de 30 metres), el seu rendiment de vegades pot ser subòptim, tal com es mostra a la figura 6 (c).
(2) Instal·lació d'un filtre dv/dt a la sortida de l'inversor: és adequat per a longituds de cable inferiors a 300 metres. Tot i que és una mica més car que els reactors, ofereix resultats significativament millorats, tal com es mostra a la figura 6 (d).
(3) Instal·lació d'un filtre d'ona sinusoïdal a la sortida de l'inversor: aquesta és la solució més ideal. En convertir la tensió de pols PWM en una tensió d'ona sinusoïdal, el motor funciona en condicions idèntiques a les de la tensió de freqüència de línia. Aquest enfocament resol completament el problema de la tensió de pic (les tensions de pic no es produiran independentment de la longitud del cable).
(4) Instal·lació d'un absorbidor de tensió de punta a la interfície del cable-motor: els inconvenients de les mesures anteriors són que els reactors o els filtres es tornen voluminosos, pesats i costosos per als motors-de gran potència. A més, tant els reactors com els filtres provoquen caigudes de tensió que redueixen el parell de sortida del motor. L'ús d'un absorbidor de voltatge de punta d'inversor supera aquestes limitacions. L'absorbidor de sobretensió SVA desenvolupat per l'Institut 706 de la Segona Acadèmia de CASIC utilitza electrònica de potència avançada i tecnologia de control intel·ligent, el que el converteix en una solució ideal per prevenir danys al motor. A més, l'absorbidor de sobretensions SVA també protegeix els coixinets del motor.