Защитите современные эффективные двигатели от повреждений ШИМ

Dec 15, 2023

Министерство энергетики США (DOE) вводит минимальные ограничения эффективности насосных систем и их компонентов. Между тем конечные пользователи требуют систем с еще более высокой эффективностью. Одним из способов, с помощью которого производители насосов удовлетворяют потребности обеих групп, является внедрение решений, которые позволяют насосным системам изменять скорость для поддержания максимальной эффективности при изменении спроса на производительность.

В насосных системах с приводом от электродвигателей такое повышение эффективности обычно достигается за счет добавления к двигателю частотно-регулируемого привода (ЧРП). ЧРП — это привод с регулируемой скоростью, который управляет скоростью и крутящим моментом двигателя переменного тока (AC) путем изменения входной частоты и напряжения двигателя. Многие в насосной отрасли знакомы с принципом работы частотно-регулируемых приводов и преимуществами их эффективности. Что не так широко понимается, так это то, как защитить двигатели от потенциально вредных воздействий, которые может оказывать ЧРП, и как уменьшить эти эффекты в насосной системе.

Многие производители двигателей предлагают двигатели, предназначенные для работы от частотно-регулируемого привода или инвертора. Эти двигатели были специально разработаны для работы при питании от частотно-регулируемого электропривода с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ — это метод модуляции, используемый в первую очередь для управления подачей напряжения и тока на двигатель. Его часто предпочитают, поскольку это высокоэффективный метод управления скоростью двигателя.

Однако форма сигнала ШИМ может создать проблемы в двигателе. Например, это может привести к тому, что на обмотке двигателя возникнут скачки напряжения, которые значительно превышают номинальное напряжение как двигателя, так и пределы стандартных обмоток двигателя. Поэтому двигатели, которые будут использоваться с ЧРП, должны иметь улучшенные изоляционные материалы и технологии — по сравнению со стандартной системой изоляции — для защиты от скачков напряжения, значительно превышающих номинальное напряжение.

Согласно требованиям Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) MG1, часть 31, двигатели с номинальным напряжением 600 В или менее, используемые в преобразователях частоты, должны иметь обмотки, защищающие как минимум от скачков напряжения, в 3,1 раза превышающих номинальное напряжение. Для двигателей с номинальным напряжением более 600 В минимальное значение составляет 2,04 номинального напряжения двигателя.

Сигналы ШИМ также могут влиять на подшипники электродвигателя. При работе от стандартной синусоидальной мощности три фазы, питающие двигатель, имеют сбалансированный заряд. Другими словами, когда одна фаза имеет напряжение +460 В, вторая – -460 В, а третья фаза – ноль. Однако форма сигнала ШИМ не является настоящей синусоидальной волной. Пульсирующее напряжение постоянного тока (DC) создает имитацию синусоидальной волны, что вызывает проблемы с балансом заряда внутри двигателя. Между ротором и статором возникает дифференциальный заряд, который необходимо сбалансировать. Этот заряд вызван синфазным напряжением (CMV).

Любой, кто прикасался к дверной ручке зимой, знает, что электричество исправляет этот дисбаланс, находя путь к земле с наименьшим сопротивлением. Удар, который вы испытываете, когда прикасаетесь к дверной ручке зимой, — это уменьшенная версия того, что происходит в подшипнике двигателя, который не установлен и не защищен должным образом. Если подшипники не изолированы от вала и система неправильно заземлена, подшипники обеспечивают путь наименьшего сопротивления, по которому двигатель стремится сбалансировать заряд. Когда этот баланс возникает внутри подшипника, это называется электроэрозионной обработкой (EDM).

При возникновении EDM части материала подшипника могут выпасть во время работы двигателя, что может серьезно повредить подшипник или, по крайней мере, вызвать шум, нагрев и преждевременный выход из строя с течением времени. Один из способов предотвратить CMV — создать в двигателе путь с низким сопротивлением, чтобы сбалансировать заряд между ротором и статором. Обычно это достигается путем добавления к двигателю устройства заземления вала и заземления двигателя. На более крупных двигателях дополнительную защиту можно обеспечить, изолируя подшипник напротив заземляющего кольца вала для устранения циркулирующих токов.

Хотя эти функции защиты двигателей и полезны, они не позволяют понять причину, по которой двигатели подвергаются разрушительному воздействию, вызванному ШИМ-сигналами.