L'avvento degli azionamenti a frequenza variabile (VFD) ha rivoluzionato il controllo dell'automazione industriale e l'efficienza energetica dei motori. I VFD sono praticamente indispensabili nella produzione industriale e, anche nella vita quotidiana, sono diventati componenti integrali degli ascensori e dei condizionatori d'aria a frequenza variabile-. I VFD hanno permeato ogni angolo della produzione e della vita quotidiana. Tuttavia, hanno anche introdotto sfide senza precedenti, tra cui i danni ai motori rappresentano una delle questioni più importanti.
Molti hanno già osservato il fenomeno dei VFD che danneggiano i motori. Ad esempio, un produttore di pompe ha recentemente dovuto affrontare frequenti segnalazioni da parte dei clienti relative a guasti delle pompe verificatisi durante i periodi di garanzia. In precedenza, i prodotti di questo produttore erano noti per la loro affidabilità. L'indagine ha rivelato che tutte le pompe danneggiate erano azionate da azionamenti a frequenza variabile.
Sebbene il problema del danno motorio indotto dal VFD- stia guadagnando attenzione, i meccanismi sottostanti rimangono poco chiari e le misure preventive sono in gran parte sconosciute. Questo articolo si propone di affrontare queste incertezze.
Danni ai motori causati dai VFD
I danni ai motori causati dai VFD si manifestano principalmente in due modi: danni agli avvolgimenti dello statore e danni ai cuscinetti, come illustrato nella Figura 1. Tali danni si verificano in genere in un arco di tempo che va da diverse settimane a oltre un anno. La durata specifica dipende da numerosi fattori, tra cui la marca del VFD, la marca del motore, la potenza nominale del motore, la frequenza portante del VFD, la lunghezza del cavo tra il VFD e il motore e la temperatura ambiente. Il guasto prematuro del motore provoca notevoli perdite economiche alle imprese. Queste perdite comprendono non solo i costi di riparazione e sostituzione ma, in modo ancora più critico, l’impatto finanziario di tempi di inattività imprevisti della produzione. Pertanto, quando si utilizzano VFD per azionare i motori, la questione dei danni al motore richiede particolare attenzione.
Differenze tra azionamento a frequenza variabile e azionamento a frequenza di linea
Per comprendere perché i motori a frequenza di linea sono più soggetti a danni in condizioni di azionamento a frequenza variabile, è necessario innanzitutto comprendere le differenze tra la tensione fornita da un azionamento a frequenza variabile e la tensione a frequenza di linea. Quindi, bisogna capire come queste differenze influiscono negativamente sul motore.
Per capire perché i motori sono più soggetti a danni in condizioni di azionamento VFD rispetto al funzionamento a frequenza di linea-, dobbiamo prima esaminare le differenze tra la tensione fornita da un VFD e la tensione a frequenza di linea-. Bisogna poi capire come queste differenze incidono negativamente sul motore.
La struttura di base di un convertitore di frequenza è mostrata nella Figura 2, composta da due sezioni principali: il circuito raddrizzatore e il circuito inverter. Il circuito raddrizzatore forma un circuito di uscita in tensione CC utilizzando diodi standard e condensatori di filtro. Il circuito dell'inverter converte questa tensione CC in una forma d'onda di tensione modulata in larghezza di impulso (tensione PWM). Di conseguenza, la forma d'onda di tensione che aziona il motore dal VFD è una forma d'onda di impulso con ampiezze di impulso variabili, non una forma d'onda di tensione sinusoidale. L'azionamento del motore con questa tensione pulsata è la causa principale dei danni al motore.
Meccanismo di danneggiamento dell'inverter agli avvolgimenti dello statore del motore
Quando le tensioni impulsive si propagano attraverso i cavi, l'impedenza non corrispondente tra il cavo e il carico provoca riflessioni all'estremità del carico. Queste riflessioni provocano la sovrapposizione di onde incidenti e riflesse, generando tensioni significativamente più elevate. La loro ampiezza può raggiungere fino al doppio della tensione del bus CC-circa tre volte la tensione di ingresso dell'inverter-come illustrato nella Figura 3. Tensioni di picco eccessivamente elevate applicate agli avvolgimenti dello statore del motore provocano picchi di tensione. Frequenti picchi di sovratensione possono causare guasti prematuri al motore.
La durata effettiva di un motore azionato da un convertitore di frequenza dopo essere stato sottoposto a picchi di tensione dipende da numerosi fattori, tra cui temperatura, contaminazione, vibrazioni, tensione, frequenza portante e processo di produzione dell'isolamento della bobina.
Quanto più alta è la frequenza portante del convertitore di frequenza, tanto più la forma d'onda della corrente di uscita si avvicina a un'onda sinusoidale. Ciò riduce la temperatura operativa del motore, prolungando così la durata dell'isolamento. Tuttavia, una frequenza portante più elevata significa più picchi di tensione generati al secondo, con conseguenti impatti più frequenti sul motore. La Figura 4 illustra come varia la durata dell'isolamento in base alla lunghezza del cavo e alla frequenza portante. Il grafico indica che per un cavo da 200 piedi, aumentando la frequenza portante da 3 kHz a 12 kHz (un aumento di quattro volte) si riduce la durata dell'isolamento da circa 80.000 ore a 20.000 ore (una diminuzione di quattro volte).
Effetto della frequenza portante sull'isolamento
Maggiore è la temperatura del motore, minore è la durata dell'isolamento. Come mostrato nella Figura 5, quando la temperatura sale a 75 gradi, la durata del motore si riduce solo al 50%. I motori azionati da convertitori di frequenza (VFD) sono soggetti a temperature significativamente più elevate rispetto a quelli azionati dalla tensione di frequenza di rete, a causa della tensione PWM contenente una percentuale maggiore di componenti ad alta-frequenza.
Meccanismo di azionamento a frequenza variabile Danni ai cuscinetti del motore
La causa dei danni ai cuscinetti del motore da parte del convertitore di frequenza è il flusso di corrente attraverso i cuscinetti, che si verifica in uno stato di collegamento intermittente. I circuiti collegati in modo intermittente generano archi e questi archi bruciano i cuscinetti.
Due cause principali inducono il flusso di corrente attraverso i cuscinetti del motore CA: in primo luogo, la tensione indotta dallo squilibrio del campo elettromagnetico interno; in secondo luogo, percorsi di corrente ad alta-frequenza creati dalla capacità parassita.
In un motore a induzione CA ideale, il campo magnetico interno è simmetrico. Quando le correnti negli avvolgimenti trifase- sono uguali e sfasate-di 120 gradi, sull'albero motore non viene indotta alcuna tensione. Tuttavia, quando la tensione PWM in uscita dall'inverter provoca un'asimmetria del campo magnetico all'interno del motore, la tensione viene indotta sull'albero. Questa tensione varia generalmente da 10 a 30 V, a seconda della tensione di comando-una tensione di comando più elevata comporta una tensione dell'albero più elevata. Se questa tensione supera la resistenza dell'isolamento dell'olio lubrificante all'interno del cuscinetto, si forma un percorso elettrico. Mentre l'albero ruota, l'isolamento dell'olio lubrificante interrompe periodicamente il flusso di corrente. Questo processo assomiglia all'azione di commutazione di un interruttore meccanico, che genera un arco che erode le superfici dell'albero, delle sfere e delle piste dei cuscinetti, formando cavità. Senza vibrazioni esterne, una lieve vaiolatura provoca un impatto minimo. Tuttavia, se combinato con le vibrazioni esterne, crea solchi che compromettono notevolmente il funzionamento del motore.
Inoltre, gli esperimenti indicano che la tensione sull'albero è correlata anche alla frequenza fondamentale della tensione di uscita dell'inverter. Più bassa è la frequenza fondamentale, maggiore è la tensione sull'albero, con conseguenti danni più gravi ai cuscinetti.
Durante la fase di funzionamento iniziale, quando la temperatura del lubrificante è bassa, le ampiezze di corrente variano da 5 a 200 mA. Correnti così basse non provocano danni ai cuscinetti. Tuttavia, dopo un funzionamento prolungato, quando la temperatura del lubrificante aumenta, le correnti di picco possono raggiungere da 5 a 10 A. Ciò induce la formazione di archi, formando micro-cavi sulle superfici dei cuscinetti.
Protezione degli avvolgimenti dello statore del motore
Quando la lunghezza dei cavi supera i 30 metri, i moderni azionamenti a frequenza variabile (VFD) generano inevitabilmente picchi di tensione sui terminali del motore, riducendone la durata. Due approcci prevengono i danni al motore: utilizzare motori con una maggiore resistenza alla rottura dell'isolamento dell'avvolgimento (comunemente chiamati motori compatibili con VFD-) o implementare misure per ridurre le tensioni di picco. Il primo è adatto a nuovi progetti, mentre il secondo è ideale per il retrofit di motori esistenti.
Attualmente vengono utilizzati quattro metodi comuni di protezione del motore:
(1) Installazione di reattori all'uscita dell'inverter: questo è l'approccio utilizzato più frequentemente. Tuttavia, si noti che, sebbene efficace per cavi più corti (sotto i 30 metri), le sue prestazioni a volte potrebbero non essere ottimali, come mostrato nella Figura 6(c).
(2) Installazione di un filtro du/dt all'uscita dell'inverter: adatto per lunghezze dei cavi inferiori a 300 metri. Sebbene leggermente più costoso dei reattori, fornisce risultati significativamente migliori, come mostrato nella Figura 6(d).
(3) Installazione di un filtro sinusoidale all'uscita dell'inverter: questa è la soluzione più ideale. Convertendo la tensione impulsiva PWM in una tensione sinusoidale, il motore funziona in condizioni identiche a quelle della tensione a frequenza di linea. Questo approccio risolve completamente il problema dei picchi di tensione (i picchi di tensione non si verificheranno indipendentemente dalla lunghezza del cavo).
(4) Installazione di un assorbitore di picchi di tensione sull'interfaccia del cavo-motore: gli svantaggi delle misure precedenti sono che i reattori o i filtri diventano ingombranti, pesanti e costosi per i motori ad alta-potenza. Inoltre, sia i reattori che i filtri provocano cadute di tensione che riducono la coppia di uscita del motore. L'utilizzo di un assorbitore di tensione di picco dell'inverter supera queste limitazioni. L'assorbitore di sovratensione SVA sviluppato dall'Istituto 706 della Seconda Accademia della CASIC impiega elettronica di potenza avanzata e tecnologia di controllo intelligente, che lo rendono una soluzione ideale per prevenire danni al motore. Inoltre il limitatore di sovratensione SVA protegge anche i cuscinetti del motore.