モーターが早く壊れて、インバーターが鬼役？モーターとインバーターの秘密がこの記事でわかります!
多くの人が、インバータがモータに損傷を与える現象を発見しました。たとえば、ウォーター ポンプ工場では、過去 2 年間に、保証期間中にウォーター ポンプが損傷したとユーザーから頻繁に報告がありました。以前は、ポンプ工場の製品の品質は非常に信頼できました。調査の結果、これらの損傷したウォーターポンプはすべて周波数変換器によって駆動されていたことが判明しました。
周波数コンバータの出現は、産業オートメーション制御とモーターの省エネに革新をもたらしました。工業生産は周波数変換器とほぼ切り離せないものです。日常生活においてもエレベーターやインバーターエアコンは欠かせない部品となっています。周波数変換器は、生産と生活の隅々に浸透し始めています。しかし、周波数変換器は前例のないトラブルも数多く引き起こしており、その中でもモーターの損傷は最も典型的な現象の一つです。
多くの人が、インバータがモータに損傷を与える現象を発見しました。たとえば、ウォーター ポンプ工場では、過去 2 年間に、保証期間中にウォーター ポンプが損傷したとユーザーから頻繁に報告がありました。以前は、ポンプ工場の製品の品質は非常に信頼できました。調査の結果、これらの損傷したウォーターポンプはすべて周波数変換器によって駆動されていたことが判明しました。
周波数変換器がモーターを損傷するという現象はますます注目を集めていますが、この現象のメカニズムはおろか、それを防ぐ方法もまだわかっていません。この記事の目的は、これらの混乱を解決することです。
インバーターモーターの損傷
インバータによるモータの損傷には、図 1 に示すように、固定子巻線の損傷とベアリングの損傷の 2 つの側面があります。この種の損傷は、一般に数週間から 10 か月以内に発生しますが、具体的な期間は状況によって異なります。インバータのブランド、モータのブランド、モータの電力、インバータのキャリア周波数、インバータとモータ間のケーブルの長さ、および周囲温度。多くの要因が関連しています。モーターの初期の偶発的な損傷は、企業の生産に多大な経済的損失をもたらします。この種の損失は、モーターの修理や交換の費用だけでなく、さらに重要なことに、予期せぬ生産停止によって引き起こされる経済的損失です。したがって、周波数変換器を使用してモータを駆動する場合には、モータの損傷の問題に十分な注意を払う必要があります。
インバーターモーターの損傷
インバータ駆動と産業用高周波駆動の違い
インバータ駆動で商用周波モータが破損しやすいメカニズムを理解するには、まずインバータ駆動モータの電圧と商用周波電圧の違いを理解する必要があります。次に、この違いがモーターにどのような悪影響を与えるかを学びます。
周波数変換器の基本構造を図 2 に示します。これには、整流回路とインバータ回路の 2 つの部分が含まれます。整流回路は通常のダイオードとフィルタコンデンサで構成される直流電圧出力回路で、インバータ回路は直流電圧をパルス幅変調電圧波形（PWM電圧）に変換します。したがって、インバータ駆動モータの電圧波形は正弦波ではなく、パルス幅が変化するパルス波形となります。モータをパルス電圧で駆動することは、モータが破損しやすい根本原因となります。
インバータのモータ固定子巻線損傷のメカニズム
ケーブル上にパルス電圧を伝送する場合、ケーブルのインピーダンスと負荷のインピーダンスが一致していないと負荷端で反射が発生します。反射の結果、入射波と反射波が重なり、より高い電圧が形成されます。その振幅は、図 3 に示すように、最大で DC バス電圧の 2 倍、つまりインバータの入力電圧の約 3 倍に達することがあります。モータのステータのコイルに過剰なピーク電圧が加わり、コイルに電圧ショックを引き起こします。 、頻繁な過電圧ショックにより、モーターが早期に故障する可能性があります。
周波数変換器によって駆動されるモーターがピーク電圧の影響を受けると、その実際の寿命は、温度、汚染、振動、電圧、キャリア周波数、コイル絶縁プロセスなどの多くの要因に関係します。
インバータのキャリア周波数が高いほど、出力電流波形は正弦波に近くなり、モータの動作温度が下がり、絶縁体の寿命が長くなります。ただし、キャリア周波数が高いほど、1 秒あたりに発生するスパイク電圧の数が多くなり、モーターへのショックの数も多くなります。図 4 は、ケーブル長とキャリア周波数の関数としての絶縁寿命を示しています。この図から、200 フィートのケーブルの場合、キャリア周波数が 3kHz から 12kHz に増加すると (4 倍の変化)、絶縁体の寿命は約 80,000 時間から 20,000 時間に減少することがわかります (1 分の 2 の差)。 4回）。
絶縁に対するキャリア周波数の影響
モーターの温度が高くなると絶縁体の寿命は短くなり、図5に示すように、温度が75℃に上昇するとモーターの寿命はわずか50％になります。インバータ駆動のモータの場合、PWM 電圧には高周波成分が多く含まれるため、モータの温度は電源周波数電圧駆動に比べて非常に高くなります。
インバータのモータ軸受損傷のメカニズム
周波数変換器がモータのベアリングを損傷する原因は、ベアリングに電流が流れており、この電流が断続状態にあるためです。断続接続回路によりアークが発生し、そのアークによりベアリングが焼損します。
AC モーターのベアリングに電流が流れる主な理由は 2 つあります。1 つ目は内部電磁場のアンバランスによって発生する誘導電圧、2 つ目は浮遊容量によって生じる高周波電流経路です。
理想的な AC 誘導モーター内の磁場は対称です。三相巻線の電流が等しく、位相が 120°異なる場合、モーターのシャフトに電圧は誘導されません。インバータが出力する PWM 電圧によりモータ内部の磁界が非対称になると、シャフトに電圧が誘導されます。電圧範囲は10～30Vで、駆動電圧に関係します。駆動電圧が高くなるほど、シャフトにかかる電圧も高くなります。高い。この電圧の値が軸受内の潤滑油の絶縁耐力を超えると、電流経路が形成されます。シャフトの回転中のある時点で、潤滑油の絶縁により電流が再び止まります。このプロセスは、機械式スイッチのオン/オフのプロセスに似ています。このプロセスでは、アークが生成され、シャフト、ボール、シャフト ボウルの表面がアブレートされ、ピットが形成されます。外部振動がなければ、小さなディンプルはあまり影響しませんが、外部振動があると溝が発生し、モーターの動作に大きな影響を与えます。
さらに、実験では、シャフトの電圧がインバーターの出力電圧の基本周波数にも関係していることが示されています。基本周波数が低いほど、シャフトにかかる電圧が高くなり、ベアリングの損傷がより深刻になります。
モーターの作動初期、潤滑油温度が低い場合、電流範囲は 5 ～ 200mA であり、このような小さな電流ではベアリングに損傷を与えることはありません。しかし、モーターを一定期間運転すると、潤滑油の温度が上昇し、ピーク電流が 5 ～ 10A に達し、フラッシュオーバーが発生し、軸受部品の表面に小さなピットが形成されます。
モーターの固定子巻線の保護
ケーブルの長さが 30 メートルを超えると、最新の周波数変換器では必然的にモーター端で電圧スパイクが発生し、モーターの寿命が短くなります。モーターの損傷を防ぐためのアイデアは 2 つあります。1つは巻線の絶縁性や絶縁耐力が高いモータ（一般的に周波数可変モータと呼ばれます）を使用すること、もう1つはピーク電圧を下げる対策を講じることです。前者の対策は新設プロジェクトに適しており、後者の対策は既存のモーターの改造に適しています。
現在、一般的に使用されているモーター保護方式は次のとおりです。
1) 周波数変換器の出力端にリアクトルを設置します。この方法は最も一般的に使用されますが、この方法は短いケーブル (30 メートル未満) には一定の効果がありますが、場合によってはその効果が理想的ではないことに注意してください。 、図６（ｃ）に示すように。
2) 周波数変換器の出力端に dv/dt フィルタを設置します。ケーブル長が 300 メートル未満の場合に適しており、価格はリアクトルより若干高くなりますが、効果は十分にあります。図 6(d) に示すように、大幅に改善されました。
3) 周波数変換器の出力に正弦波フィルターを取り付けます。この対策が最も理想的です。ここでは、PWMパルス電圧が正弦波電圧に変更されるため、モーターは電源周波数電圧と同じ条件で動作し、ピーク電圧の問題は完全に解決されます（ケーブルがどんなに長くても、ピーク電圧なし）。
4) ケーブルとモーター間の界面にピーク電圧吸収装置を設置します。これまでの対策の欠点は、モーターの出力が大きい場合、リアクトルやフィルターの体積と重量が大きくなり、価格が相対的に高価になることです。高い。また、リアクトルとフィルタの両方で一定の電圧降下が発生し、モータの出力トルクに影響を与えます。インバータのピーク電圧吸収装置を使用すると、これらの欠点を克服できます。第 2 航空宇宙科学産業協会 706 が開発した SVA スパイク電圧吸収装置は、高度なパワーエレクトロニクス技術とインテリジェント制御技術を採用しており、モーターの損傷を解決する理想的なデバイスです。さらに、SVA スパイクアブソーバーがモーターのベアリングを保護します。
スパイク電圧吸収装置は新しいタイプのモーター保護装置です。モーターの電源入力端子を並列に接続します。
1) ピーク電圧検出回路は、モーター電源ラインの電圧振幅をリアルタイムで検出します。
2) 検出された電圧の大きさが設定されたしきい値を超えると、ピーク電圧のエネルギーを吸収するようにピーク エネルギー バッファ回路を制御します。
3) ピーク電圧のエネルギーがピークエネルギーバッファーに満たされると、ピークエネルギー吸収制御弁が開き、バッファー内のピークエネルギーがピークエネルギー吸収器に放出され、電気エネルギーが熱に変換されます。エネルギー;
4) 温度モニターは、ピークエネルギー吸収体の温度を監視します。温度が高すぎる場合、ピーク電圧吸収制御弁が適切に閉じてエネルギー吸収を低減します（モーターの保護を確保することを前提としています）。これにより、ピーク電圧吸収器が過熱して損傷するのを防ぎます。ダメージ;
5) 軸受電流吸収回路の機能は、軸受電流を吸収し、モータ軸受を保護することです。
ピークアブソーバは、前述の du/dt フィルタや正弦波フィルタなどのモータ保護方式と比較して、小型、低価格、設置（並列設置）が容易であることが最大の利点です。特にハイパワーの場合、価格、体積、重量の点でピークアブソーバーの利点が非常に顕著になります。また、並列に設置されているため電圧降下はありませんが、du/dtフィルターと正弦波フィルターにはある程度の電圧降下があり、正弦波フィルターの電圧降下は10に近くなります。 ％を超えると、モーターのトルクが低下します。
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