Вопрос совместимости преобразователей частоты с электродвигателями, применяемыми в промышленности и коммунальном хозяйстве, возник не сегодня, и является одним из ключевых при выборе преобразователя частоты конечным потребителем.
Рассмотрим основные причины, которые могут повлиять на выбор того или иного преобразователя частоты для работы с различными электродвигателями:
1. Нагрев электродвигателя;
2. Пробой изоляции статорных обмоток;
3. Износ опорного подшипника электродвигателя;
4. Техническое состояние электродвигателя.
1. Нагрев электродвигателя.
Необходимо знать, что с повышением температуры обмоток электродвигателей сверх допустимых значений, резко сокращается срок службы изоляции. Поэтому, нагревостойкость изоляции является основным требованием, определяющим надежность работы и срок службы электродвигателя, который в среднем должен составлять 15—20 лет.
Наиболее часто применяемые в промышленности электродвигатели, выполнены с классом нагревостойкости B и F, с допустимыми температурами нагрева активных частей электродвигателя 130 °С и 155 °С соответственно. Для тяжелых условий эксплуатации выпускают электродвигатели с классом нагревостойкости H, с допустимой температурой нагрева активных частей электродвигателя 180 °С. Как правило это электродвигатели специального назначения, предназначенные для металлургии, горного оборудования и транспорта.
Поэтому важно не создавать дополнительного нагрева электродвигателя при его работе от преобразователя частоты. Это возможно если на обмотки статора и ротора не будут воздействовать токи высших гармоник или их воздействие не будет превышать допустимых значений, оговоренных стандартом IEC 60034-17.
Высшие гармоники напряжения и тока в асинхронном короткозамкнутом двигателе, питаемом от преобразователя частоты, вызывают дополнительные потери в стали и обмотках статора и ротора.
Для двигателей, питающихся от инверторов напряжения, дополнительными потерями в стали нельзя пренебрегать. Они зависят от амплитуды гармонических составляющих фазных напряжений и почти не зависят от частоты (см. рис. Ниже поз. 3).
В то время как потери в обмотках сильно зависят от частоты и с её ростом снижаются (см. рис. ниже поз. 2). Токи гармоник, определяющие потери в обмотках двигателя, ограничиваются индуктивностями рассеяния этих обмоток. Хотя токи этих гармоник невелики, потерями от них в обмотках также нельзя пренебрегать из-за вытеснения тока (поверхностный эффект, скин-эффект) на высоких частотах. Это обстоятельство применимо как к катушечным, так и всыпным обмоткам. Роторы с явно выраженным эффектом вытеснения особенно чувствительны к этим потерям.
Зависимость потерь в стали и обмотках показаны на рисунке ниже.
1 - общие потери, вызываемые гармониками; 2 - потери в обмотках; 3 - потери в стали.
Многочисленными испытаниями установлено, что общее количество дополнительных потерь, вызываемых гармониками, не зависит от нагрузки. Оно падает с увеличением частоты коммутации, как показано на рисунке ниже, что обусловлено уменьшением потерь в обмотках на высоких частотах коммутации.
Дополнительный нагрев активных частей электродвигателя приводит к тому, что далеко не все преобразователи частоты способны работать с электродвигателями выполненными с классом нагревостойкости В. Это довольно большой парк электродвигателей, которые изначально предусматривались для прямого или плавного пуска без учета частотного регулирования.
Пример того, как повреждается изоляция старых обмоток электродвигателя с классом нагревостойкости В, работавшего в тяжелых условиях, приведено на рисунке ниже:
Коронные разряды в местах повреждения статорной обмотки при ультравизионном обследовании изоляции статора асинхронного электродвигателя.
2. Пробой изоляции статорных обмоток.
К наиболее опасному явлению, приводящему к повреждению статорных обмоток, можно отнести эффект dU/dt выходного напряжения преобразователя частоты. Вокруг этого явления существует много мифов, связанных с недостаточным пониманием того, в чем же состоит этот эффект и как он влияет на изоляцию статорных обмоток.
Рассмотрим подробно природу возникновения этого явления, а также физические процессы в обмотках электродвигателя им вызванные.
1.dU/dt- это скорость нарастания выходного напряжения преобразователя частоты, определяемая фронтом напряжения, формируемого силовым ключом инвертора ПЧ, например IGBT транзистором. В соответствии с стандартом IEC 60034-25 dU/dt определяется:
dUdt=U90%-U10%tr (1)
где
U90% - уровень напряжения, соответствующий 90% амплитудного значения импульса, В;
U10% - уровень напряжения, соответствующий 10% амплитудного значения импульса, В;
tr – время нарастания напряжения импульса с уровня 10% до уровня 90%, мкс.
2.Импульс сформированного напряжения поступает на электродвигатель, через подключенную кабельную линию. На зажимах мотора импульс превращается в напряжение, форма которого напоминает затухающие колебания, амплитуда которых достигает удвоенной амплитуды формируемого ПЧ импульса (см. IEC 60034-17, IEC 60034-25). Прирост пикового напряжения на зажимах мотора в некоторых случаях превышает допустимые значения для длительной работы, что приводит к быстрому старению и пробою изоляции статорных обмоток.
На рисунке ниже показана эквивалентная схема кабельной линии, между ПЧ и электродвигателем и реакция кабельной линии на приложенный импульс напряжения.
Типичные импульсы напряжения в одной фазе преобразователя частоты и на зажимах электродвигателя в конце кабельной линии.
3.В зависимости от качества / однородности пропитки пропиточный материал может содержать пустоты (полости), в которых происходит процесс разрушения межвитковой изоляции. Ухудшение состояния изоляции электродвигателя в связи с бросками напряжения происходит посредством частичных разрядов. Сложное явление, появляющееся в результате Короны. Между соседними заряженными проводниками есть относительное напряжение, которое приводит к возникновению электрического поля. Если созданное электрическое поле достаточно высокое (но ниже напряжения пробоя изолирующего материала), нарушается электрическая прочность воздуха. Если имеется достаточное количество энергии, кислород (O2) ионизируется в озон (O3). Озон является крайне агрессивным и повреждает изоляцию. . Для этого напряжение на проводниках должно превышать пороговое значение, так называемое "Напряжение начала короны", то есть локальную прочность на пробой в воздухе (в пустоте). Напряжение начала короны зависит от конструкции обмотки, типа изоляции, температуры, поверхностных характеристик и влажности.
Наиболее слабой изоляцией является межвитковая, особенно в зоне крайних витков (см. IEC 60034-17).
Пример повреждения изоляции статорной обмотки асинхронного электродвигателя.
3. Износ опорного подшипника электродвигателя.
Ускоренный износ опорного подшипника, связанный с совместной работой преобразователя частоты и электродвигателя, является одним из ключевых критериев выбора преобразователя частоты для работы со старыми не предназначенными для частотного регулирования электродвигателями. Суть проблемы заключается в наличии в выходной форме напряжения ПЧ синфазных гармоник высших порядков, протекание токов от которых через паразитные емкости двигателя приводят к деградации опорного подшипника.
В стандарте IEC 60034-17 указано, что при работе двигателя от сети с синусоидальным напряжением кольцевой поток ярма статора наводит осевую электродвижущую силу (ЭДС) в контуре, образуемом валом, подшипниками, фланцем и корпусом, как показано на рисунке ниже.
Кольцевой , определяющий осевую ЭДС и паразитный ток icirc
Кольцевой поток вызван неоднородностями ярма (ласточкин хвост для крепления ярма, вентиляционные каналы, магнитная анизотропия пластин). Обычно осевая ЭДС определяется частотой питания и троекратной ей частотой, вызванной нелинейностью цепи намагничивания. Опыт показывает, что если осевая ЭДС не превышает 500 мВ, то не возникает необходимости в дополнительных защитных устройствах. В противном случае через подшипники проходят токи, которые в течение короткого времени могут их разрушить. Изоляция подшипника, особенно на заднем конце вала, обычно достаточна для того, чтобы избежать прохождения токов через оба подшипника и механические части привода, соединяющие его с нагрузкой. Данная изоляция не является необходимой для двигателей, выпущенных в соответствии с современными требованиями и питающихся от синусоидального напряжения.
Однако при питании от преобразователя частоты с инвертором напряжения, возникают помехи, их максимальная величина находится в пределах 50% от значения постоянного напряжения в звене постоянного тока. Поскольку помехи во всех обмотках синфазны, их можно рассматривать как нулевую последовательность в составе напряжения. Эквивалентная цепь для помех показана на рисунке ниже.
Схема цепи паразитного тока и подшипниковое напряжение
Где:
B-подшипник;
C- кабель;
Csr- емкость статор-ротор;
CB- емкость подшипника;
Csf- емкость статор-корпус;
Crf- емкость ротор-корпус;
IB- ток через подшипник;
IEDM- ток пробоя;
L0- индуктивность рассеяния;
RB- сопротивление подшипника;
R0- сопротивление обмотки;
Usng- напряжение нейтрали статора-земля;
Ubrg- напряжение подшипника;
Ucm- напряжение помехи
При питании от преобразователя, в отличие от сетевого питания синусоидальным напряжением, большую роль на высоких частотах играют емкостные составляющие сопротивлений. Амплитуда помех зависит от сопротивления (в основном реактивной составляющей) цепи, по которой они протекают. Данная цепь замыкается в нулевой точке инвертора. В общем случае паразитные токи проходят через подшипники двигателя по трем контурам.
Практика эксплуатации правильно заземленных электроприводов с преобразователями частоты свидетельствует о следующем.
В двигателях, с высотой вала до 280 мм, как показывает опыт, подшипники редко выходят из строя по вине преобразователя. Тем не менее можно утверждать, что диэлектрический износ в значительной степени зависит от способа управления и частоты коммутации инвертора. Применение инверторов с частотой коммутации выше 10 кГц и напряжением более 499 В требует внимания к изоляции подшипника.
Влияние износа подшипника можно исключить путем его замены на изолированный, но это дополнительные затраты, на которые не все пользователи ПЧ готовы идти.
4.Техническое состояние электродвигателя.
Техническое состояние двигателя во многом определяет возможность его совместной работы с преобразователем частоты. Сюда входит:
1. Работа с пониженным классом нагревостойскости;
2. Работа со старой ослабленной изоляцией;
3. Работа с неизолированными подшипниками;
4. Быстрое прохождение резонансных частот.
Это перечень наиболее часто встречающихся проблем электродвигателей, обладающих плохим техническим состоянием, с которыми прекрасно справляется преобразователь частоты серии АТ27.
Как это проблему решает Рустмаш?
Для решения вышеперечисленных проблем, связанных с применением преобразователя частоты совместно с электродвигателем, Компания Рустмаш предлагает средневольтные преобразователи частоты серии Рустмаш АТ27. Они построены по многоуровневой топологии с использованием входного силового фазосдвигающего трансформатора, схема которого приведена ниже:
Функциональная схема преобразователя частоты серии АТ27 с выходным рабочим напряжением 6 кВ.
Такая архитектура ПЧ позволяет формировать симметричные выходные квазисинусоидальные напряжения с THDU ≤ 5%
Диаграмма выходных квазисинусоидальных напряжений преобразователя частоты АТ27. Частота ШИМ в форме напряжения 3…10 кГц в зависимости от количества ячеек в фазе
Специально разработанный алгоритм сложения выходных напряжений каждой силовой ячейки в общее выходное напряжение ПЧ, позволило Компании Рустмаш сократить уровень dU/dt = 40…50 В/мкс.
Осциллограмма ступенчатой составляющей в форме выходного напряжения ПЧ АТ27 с dU/dt = 40 В/мкс
Наличие, опционально, синусного фильтра позволяет получить синусоидальные выходные напряжения с THDU ≤ 2%, что снимает какие-либо ограничения на длину кабельной линии и состояние изоляции электродвигателей.
Суммируем как вышеприведенные решения позволяют применять Рустмаш АТ27 с двигателями любых типов:
Заключение
Понимание физических процессов, происходящих в электродвигателях, на всех жизненных циклах, опыт изучения практики эксплуатации пользователей парка эксплуатируемых электродвигателей позволило Компании Рустмаш выработать комплекс технических решений позволяющих исключить какие-либо ограничения по применению ПЧ АТ27 с существующим парком общепромышленных и специальных электродвигателей. Это сделало преобразователь частоты Рустмаш АТ27 ценным инструментом для реализации широкого круга задач в промышленности и коммунальном хозяйстве.