Соответствие универсальных частотных преобразователей (VFD) и двигателей: проблемы и решения
Степень совместимости между частотным преобразователем (VFD) и двигателем напрямую влияет на эксплуатационные характеристики и срок службы всей системы привода. Даже при выборе высококачественного универсального VFD неправильное соответствие с двигателем может привести к различным проблемам. В этой статье анализируются распространённые проблемы и предлагаются соответствующие меры противодействия с точки зрения системного соответствия.
Согласование напряжения является основным фактором при подборе частотного преобразователя (VFD) к двигателю. В моей стране номинальные напряжения для промышленных низковольтных двигателей обычно соответствуют определённым уровням трёхфазного переменного тока. Выходное напряжение универсального частотного преобразователя ограничено его входным напряжением и методом модуляции; как правило, максимальное выходное напряжение равно входному напряжению. Поэтому номинальное напряжение VFD и двигателя должны совпадать. Если входное напряжение VFD ниже номинального напряжения двигателя, двигатель не сможет достичь своей номинальной мощности; наоборот, если входное напряжение превышает номинальное напряжение двигателя, это может ускорить старение изоляции двигателя. Особое внимание следует уделять совместимости напряжений при работе с импортным оборудованием или двигателями с нестандартными номинальными напряжениями.
Токовое согласование представляет собой более сложную задачу, чем согласование по напряжению. Выходной ток, генерируемый VFD, не является чистой синусоидальной волной, а представляет собой широтно-импульсную модулированную (PWM) форму сигнала, содержащую значительные высокочастотные гармонические компоненты. По мере прохождения этих гармонических токов через обмотки двигателя возникают дополнительные потери в меди и железе, что приводит к повышению температуры внутри двигателя. Исследования показывают, что при питании двигателя от VFD повышение температуры обычно значительно выше, чем при прямом питании от сети электроснабжения (на промышленной частоте). Следовательно, при использовании VFD для управления стандартным двигателем рекомендуется соответствующее увеличение мощности VFD. В случаях, когда длина кабеля между двигателем и VFD значительна, влияние гармонических токов становится более выраженным, что требует либо дальнейшего увеличения мощности VFD, либо установки выходного фильтра.
Согласование изоляции — это аспект применения VFD, который часто упускается из виду. Импульсное выходное напряжение, генерируемое VFD, характеризуется крутыми фронтами нарастания, которые могут вызывать явления отражения напряжения на клеммах двигателя. Когда длина кабеля превышает определённый порог, отражённое напряжение накладывается на падающее напряжение; эта суперпозиция может привести к тому, что амплитуда скачков напряжения на клеммах двигателя достигнет почти двойного значения напряжения постоянного тока шины. Для стандартных двигателей существующая система изоляции может быть неспособна выдерживать такие высокочастотные, высоковольтные переходные процессы; длительная работа в таких условиях может привести к постепенному разрушению межвитковой изоляции, что в конечном итоге приведёт к пробою изоляции. Методы решения этой проблемы включают: сокращение длины кабеля между частотным преобразователем (VFD) и двигателем, использование двигателей, специально разработанных для работы с VFD, или установку реакторов или фильтров на выходных клеммах VFD.
Проблема токов подшипников особенно распространена в приложениях с высокомощными частотными преобразователями (VFD). Выходное напряжение синфазного режима, создаваемое VFD, образует замкнутый контур через внутреннюю паразитную емкость двигателя, вызывая тем самым напряжение на валу двигателя. Когда это напряжение на валу превышает порог пробоя диэлектрической пленки масла подшипника, происходит разряд тока на валу, создавая электрические эрозионные ямки на поверхностях дорожек и качающихся элементов подшипника. Со временем это накопленное повреждение приводит к увеличению шума подшипника, усилению вибрации и в конечном итоге к выходу подшипника из строя. Меры по снижению токов подшипников включают: использование изолированных подшипников, установку изолированных торцевых щитов на приводном конце двигателя, монтаж угольной щетки заземления на конце удлинения вала или применение фильтров синфазного режима. Для высокомощных двигателей внедрение этих мер часто является необходимым.
Проблемы совместимости системы охлаждения особенно выражены при использовании стандартных универсальных двигателей. В стандартных двигателях вентилятор охлаждения установлен соосно с валом двигателя; следовательно, скорость вращения вентилятора напрямую зависит от скорости двигателя. Когда двигатель работает на низких оборотах в течение длительного времени, создаваемый вентилятором воздушный поток становится недостаточным, что приводит к снижению охлаждающей способности и вызывает повышение температуры двигателя выше допустимых пределов. При применении управления скоростью на базе VFD в сценариях, требующих длительной работы на низких оборотах, рекомендуется выбирать двигатель, специально предназначенный для VFD, оснащённый независимым вентилятором с принудительным охлаждением, либо применять коэффициент понижения мощности при использовании стандартного двигателя. Для нагрузок типа вентиляторов и насосов — где нагрузка относительно мала и тепловыделение минимально при низких скоростях — проблемы с охлаждением обычно менее критичны; тем не менее, им следует уделять внимание.
Совместимость длины кабеля играет решающую роль в стабильности системы. Кабель, соединяющий VFD с двигателем, функционирует как линия передачи; чрезмерная длина кабеля увеличивает паразитную емкость по отношению к земле, что усиливает высокочастотные компоненты в выходном токе VFD и потенциально может вызывать ложные срабатывания цепей защиты от перегрузки по току. Кроме того, падение напряжения вдоль кабеля может ухудшать качество напряжения, подаваемого на клеммы двигателя. Универсальные VFD обычно указывают явные ограничения по их выходным возможностям при различных длинах кабеля. Когда длина кабеля превышает определенный порог, рекомендуется установить выходной реактор. В случаях очень длинных кабельных линий следует рассмотреть альтернативные решения — такие как перемещение VFD ближе к двигателю или внедрение схемы дистанционного управления с использованием волоконно-оптической связи.
Совместимость с несколькими двигателями является специфическим требованием, обусловленным некоторыми специализированными приложениями. Когда один частотный преобразователь (VFD) используется для одновременного управления несколькими двигателями, должны быть выполнены следующие условия: все двигатели должны иметь одинаковые номинальные напряжения, схожие номинальные мощности и по существу согласованные электрические параметры. Частотные преобразователи общего назначения поддерживают параллельную работу нескольких двигателей; однако несколько моментов требуют особого внимания: мощность VFD должна быть не меньше суммы мощностей отдельных двигателей с учетом дополнительного запаса прочности; для каждого двигателя требуется отдельное тепловое реле перегрузки для защиты; режим векторного управления использовать нельзя — разрешен только режим управления по напряжению/частоте (V/F). Кроме того, запуск и остановка всех двигателей должны быть синхронизированы; не рекомендуется индивидуально включать или отключать конкретный двигатель во время работы системы.
Идентификация параметров двигателя является критически важным этапом для достижения оптимального соответствия системы. При первоначальной настройке универсального частотного преобразователя (VFD) в режиме векторного управления требуется точное определение параметров двигателя для эффективной работы. Хотя функция автоматической идентификации обеспечивает удобство, точность полученных параметров может зависеть от реальных условий на объекте. Во время процесса идентификации двигатель должен быть отключен от механической нагрузки и находиться в «холодном» состоянии (при комнатной температуре). В случаях, когда отключение нагрузки невозможно, может быть выбран метод «статической идентификации», хотя он обычно обеспечивает немного меньшую точность. Пользователи также имеют возможность вручную вводить параметры непосредственно с таблички двигателя; однако необходимо внимательно следить за правильным соответствием единиц измерения между спецификациями таблички и внутренними настройками параметров VFD. Точность этой идентификации параметров напрямую влияет на общую производительность системы векторного управления.
Изменения в согласовании системы, вызванные старением двигателя, представляют значительную проблему. После длительной эксплуатации сопротивление изоляции обмоток двигателя может ухудшиться, а подшипники могут износиться; такие изменения могут негативно повлиять на эффективность управления VFD. Если возникают проблемы — такие как нестабильность работы или недостаточный крутящий момент — рекомендуется повторно выполнить процесс идентификации параметров двигателя для обновления модели двигателя, хранящейся в VFD. Если двигатель достиг продвинутой стадии старения, дальнейшее использование может привести к частым сбоям VFD; в таких случаях замена двигателя является окончательным решением.
Выбор двигателей для новых установок также требует тщательного рассмотрения. Когда условия позволяют, настоятельно рекомендуется использовать двигатели, специально разработанные для применения с приводами с переменной частотой. Эти специализированные двигатели имеют оптимизации — особенно в отношении конструкции изоляции, систем охлаждения и конструкции подшипников — которые адаптированы к уникальным характеристикам питания ПЧ. В результате они обеспечивают превосходную совместимость с ПЧ, что приводит к увеличению срока службы и улучшению эксплуатационных характеристик. В практических применениях, если возникают проблемы с подбором, рекомендуется устранять их, следуя следующим шагам: во-первых, проверить совместимость основных параметров привода с переменной частотой (ПЧ) и двигателя; во-вторых, осмотреть установку и проводку на наличие неисправностей; в-третьих, оценить, не превышают ли условия эксплуатации проектные ограничения; и, наконец, рассмотреть необходимость добавления периферийных устройств — таких как реакторы или фильтры. При сложных проблемах с подбором разумным решением является обращение за профессиональной технической поддержкой.
Часть 8: Проблемы электромагнитной совместимости и решения для частотных преобразователей