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变频器的出现为工业自动化控制、电机节能带来了革新。工业生产中几乎离不开变频器,即使在日常生活中,电梯、变频空调也成为不可缺少的部分,变频器已经开始渗入到生产、生活的各个角落。然而,变频器也带来了许多**的困扰,其中损伤电机就是较典型的现象之一。
很多人已经发现了变频器对电机损伤的现象。例如,某水泵厂,近两年来,他的用户频繁报告水泵在保修期内发生损坏的现象。而过去,这个水泵厂的产品质量十分可靠。经过调查,发现这些损坏的水泵都是用变频器驱动的。
尽管变频器损伤电机的现象越来越被人们所关注,但是人们对造成这种现象的机理还不清楚,更不知道如何来预防。分享本文的目的是解决这些困惑。
变频器对电机的损伤
变频器对电机的损伤包括两个方面,定子绕组的损伤和轴承的损伤,如下图所示。这种损伤一般发生在几周至十几个月内,具体时间与变频器的品牌、电机的品牌、电机的功率、变频器的载波频率、变频器与电机之间的电缆长度、环境温度等诸多因素有关。电机的早期意外损坏给企业的生产带来巨大的经济损失。这种损失不仅是电机维修和更换带来的费用,更主要的是意外停产带来的经济损失。因此,在使用变频器驱动电机时,必须对电机损伤的问题有足够的重视
载波频率对绝缘的影响
电机的温度越高,绝缘的寿命越短,如图5所示,当温度升高到75?c时,电机的寿命只有50%。变频器驱动的电机,由于pwm电压包含较多的高频成份,电机温度会远**工频电压驱动的情况。
变频器损伤电机轴承的机理
变频器损伤电机轴承的原因是,有流过轴承的电流,并且这种电流处于断续连通的状态,断续连通的电路会产生电弧,电弧烧毁了轴承。
导致交流电机的轴承中流过电流的原因主要有两个,**,内部电磁场不平衡产生的感应电压,*二,杂散电容引起的高频电流通路。
理想交流感应电机内部的磁场是对称的,当三相绕组的电流相等,并且相位相差120?时,不会在电机的轴杆上感应出电压。变频器输出的pwm电压导致电机内部的磁场不对称时,就会在轴杆上感应出电压,电压的幅度在10~30v,这与驱动电压有关,驱动电压越高,轴杆上的电压越高。
当这个电压的数值**过轴承中的润滑油的绝缘强度时,就会形成一个电流通路。轴杆旋转过程中,在某个时刻,润滑油的绝缘又阻断了电流。这个过程类似于机械式开关的通断过程,这个过程中会产生电弧,烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面,形成凹坑。如果没有外部振动,小凹坑不会产生过大的影响,但是如果有外部振动时,会产生凹槽,这对电机的运转影响很大。
另外,实验表明,轴杆上的电压还与变频器输出电压的基波频率有关,基波频率越低,轴杆上的电压越高,轴承损伤越严重。
在马达工作的初期,润滑油温度较低的时候,电流幅度在5-200ma,这么小的电流不会对轴承产生任何损坏。但是,当马达运行一段时间后,随着润滑油温度升高,峰值电流会达到5-10a,这会产生飞弧,在轴承部件的表面形成小坑。
电机定子绕组的保护
当电缆的长度**过30米时,现代变频器必然会在电机端产生尖峰电压,缩短电机的寿命。防止电机出现损伤,有两个思路,一个是采用绕组绝缘抗电强度更高的电机(一般称为变频电机),另一个是采取措施减小尖峰电压。**种措施适合于新建的项目,后一种措施适合于对已有的电机进行改造。
目前常用的电机保护方法有以下4个:
①在变频器的输出端安装电抗器:这个措施较常用,但是需要注意的是,这个方法对于较短的电缆(30米以下)有一定效果,但是有时效果不够理想,如图6(c)所示;
②在变频器的输出端安装dv/dt滤波器:这个措施适用于电缆长度小于300米的场合,价格略**电抗器,但是效果有了明显的改善,如图6(d)所示;
③在变频器的输出端安装正弦波滤波器:这个措施是较理想的。因为在这里,将pwm脉冲电压变成了正弦波电压,是电机工作在与工频电压相同的条件下,尖峰电压的问题得到了彻底的解决(电缆再长,也不会出现尖峰电压了);
④在电缆与电机接口的位置安装尖峰电压吸收器:几个措施的缺点是当电机的功率较大时,电抗器或滤波器的体积、重量很大,价格较高,另外,电抗器和滤波器都会导致一定的电压降,影响电机的输出力矩,采用变频器尖峰电压吸收器能够克服这些缺点。**科工集团二院706所开发的sva尖峰电压吸收器,采用先进的电力电子技术和智能控制技术,是解决电机损伤的理想设备。另外,sva尖峰吸收器还能保护电机的轴承。
尖峰电压吸收器是一种新型的电机保护装置,如图7所示(**科工集团的sva型号)。并联连接电机的电源输入端。
sva尖峰电压吸收器的原理框图如图8所示,它的工作过程如下:
①尖峰电压检测电路实时检测电机电源线上的电压幅度;
②当检测到电压的幅度**过设定的阈值时,控制尖峰能量缓冲电路,使其吸收尖峰电压的能量;
③当尖峰电压的能量充满尖峰能量缓冲器时,尖峰能量吸收控制阀门打开,使缓冲器中的尖峰能量泄放到尖峰能量吸收器,将电能转变成热能;
④温度监控器监测尖峰能量吸收器的温度,当温度过高时,适当关闭尖峰能量吸收控制阀门,减小能量的吸收(在保电机受到保护的前提下),避免尖峰电压吸收器过热而损坏;
④温度监控器监测尖峰能量吸收器的温度,当温度过高时,适当关闭尖峰能量吸收控制阀门,减小能量的吸收(在保电机受到保护的前提下),避免尖峰电压吸收器过热而损坏;
⑤轴承电流吸收电路的作用是将轴承电流吸收掉,保护电机轴承。
尖峰吸收器与所述的du/dt滤波器、正弦波滤波器等电机保护方法相比,较大的好处是,体积小、价格低,安装简便(并联安装)。特别是功率较大的场合,尖峰吸收器在价格、体积、重量等方面的优点很**。另外,由于是并联安装,不会产生电压降,而du/dt滤波器和正弦波
模块化传输系统的分布式控制
krups采用多标准模块的理念,包括旋转模块、移动托盘模块、止动器模块和分割器。如今,对于外界,每个模块都作为黑箱工作,只需通过现场总线连接与中央控制器进行双向通信。在公司内部,krups称这些传输系统模块为具有自主智能的智能模块。因此,krups公司十年前就开始寻找可以直接安装在模块上的自主控制器。
自图尔克数年前推出其tben-l-plc block控制器以来,krups省去了许多构建系统的工作量。除了e-cart系统外,他们还在许多其他机型中使用这款ip67控制器。该控制器与驱动器、阀组以及模块其他组件的通信通过总线接口实现,而与主控制器的通信则大多通过profinet实现。
“这款控制器给我们带来了许多优势。现在模块可以立即部署,*任何其他现场编程设备,例如更换、插入、数据备份等。”krups公司控制开发人员christian mies说道。此外,该紧凑型控制器还支持多种协议,真正物**所值。
e-cart系统在电池生产中节能
针对德国汽车制造商的电池组生产,krups开发了一个带130个自驱动小车,1公里输送轨道,70个转盘和大约140个止动器的输送系统。每10个止动器共用一个tben-l-plc作为客户主控制器的网关。这大大减少了客户所需的总线节点数量。
不同于大多数传统系统,tben-l-plc能够与e-cart系统的小车通信。止动器上装有nfc(近场通信)单元,以便使用tben-l-plc作为网关来实现主控制器与小车间的通信。通过这种方式,小车可以根据其状态或者是否存在警告消息来移除。另一大优势是:当小车等待时,不会消耗任何电力。
ip67使接线更少
krups认识到通过ip67技术可以大大减轻工作量。“仅仅是将24v电缆和信号连接到止动器的12个控制器上,然后贴上标签就已经是非常耗费人力的工作了。tben-l-plc仅通过这项节省就可以轻松收回成本。”it经理christian mies赞赏道。e-cart系统不仅是节能和故障安全的,还可以实现工业4.0应用场景中强调的更灵活的流程,并且已经成功实施