Değişken frekanslı sürücülerin (VFD'ler) ortaya çıkışı, endüstriyel otomasyon kontrolünde ve motor enerji verimliliğinde devrim yarattı. VFD'ler endüstriyel üretimde neredeyse vazgeçilmezdir ve hatta günlük yaşamda asansörlerin ve değişken{1}frekanslı klimaların ayrılmaz bileşenleri haline gelmiştir. VFD'ler üretimin ve günlük yaşamın her köşesine nüfuz etmiştir. Ancak aynı zamanda benzeri görülmemiş zorluklar da ortaya çıkardılar; motor hasarı en önemli sorunlardan biri oldu.
Birçoğu, VFD'lerin motorlara zarar vermesi olgusunu zaten gözlemlemiştir. Örneğin, bir pompa üreticisi son zamanlarda müşterilerden garanti süreleri içinde meydana gelen pompa arızaları hakkında sık sık raporlarla karşılaşıyordu. Daha önce bu üreticinin ürünleri güvenilirliğiyle biliniyordu. Soruşturma, hasarlı pompaların tamamının değişken frekanslı sürücüler tarafından çalıştırıldığını ortaya çıkardı.
VFD{0}}nin neden olduğu motor hasarı konusu dikkat çekmesine rağmen, altta yatan mekanizmalar belirsizliğini koruyor ve önleyici tedbirler büyük ölçüde bilinmiyor. Bu makale bu belirsizlikleri gidermeyi amaçlamaktadır.
VFD'lerin Neden Olduğu Motorlarda Hasar
Motorlarda VFD'lerden kaynaklanan hasarlar iki ana şekilde kendini gösterir: Şekil 1'de gösterildiği gibi stator sargısı hasarı ve yatak hasarı. Bu tür hasarlar genellikle birkaç haftadan bir yıla kadar değişen bir zaman diliminde meydana gelir. Spesifik süre, VFD markası, motor markası, motor güç değeri, VFD taşıyıcı frekansı, VFD ile motor arasındaki kablo uzunluğu ve ortam sıcaklığı dahil olmak üzere çok sayıda faktöre bağlıdır. Erken motor arızası işletmelere önemli ekonomik kayıplara neden olur. Bu kayıplar yalnızca onarım ve değiştirme maliyetlerini değil, daha da önemlisi beklenmedik üretim kesintilerinin mali etkisini de kapsıyor. Bu nedenle, motorları sürmek için VFD'ler kullanıldığında, motor hasarı konusu büyük önem gerektirir.
Değişken Frekanslı Sürücü ile Hat Frekanslı Sürücü Arasındaki Farklar
Hat frekanslı motorların neden değişken frekanslı sürücü koşullarında hasara daha yatkın olduğunu anlamak için öncelikle değişken frekanslı sürücü tarafından sağlanan voltaj ile hat frekansı voltajı arasındaki farklar anlaşılmalıdır. O halde bu farklılıkların motoru nasıl olumsuz etkilediğini anlamak gerekir.
Motorların, hat-frekansında çalışmaya kıyasla VFD sürücü koşulları altında hasara neden daha yatkın olduğunu anlamak için, öncelikle bir VFD tarafından sağlanan voltaj ile hat-frekansı voltajı arasındaki farkları incelememiz gerekir. Daha sonra bu farklılıkların motoru nasıl olumsuz etkilediğini anlamalıyız.
Değişken frekanslı bir sürücünün temel yapısı, iki ana bölümden oluşan Şekil 2'de gösterilmiştir: doğrultucu devresi ve invertör devresi. Doğrultucu devresi, standart diyotları ve filtre kapasitörlerini kullanarak bir DC voltaj çıkış devresi oluşturur. İnverter devresi bu DC voltajını darbe-genişliği modülasyonlu voltaj dalga biçimine (PWM voltajı) dönüştürür. Sonuç olarak, motoru VFD'den çalıştıran voltaj dalga biçimi sinüzoidal bir voltaj dalga biçimi değil, değişen darbe genişliklerine sahip bir darbe dalga biçimidir. Motorun bu darbeli gerilimle çalıştırılması, motor hasarının temel nedenidir.
Motor Stator Sargılarında İnvertörün Hasar Mekanizması
Darbe gerilimleri kablolar boyunca yayıldığında, kablo ile yük arasındaki uyumsuz empedans, yük ucunda yansımalara neden olur. Bu yansımalar, gelen ve yansıyan dalgaların üst üste binmesine neden olarak önemli ölçüde daha yüksek voltajlar üretir. Genlikleri, Şekil 3'te gösterildiği gibi, DC bara voltajının iki katına-inverter giriş voltajının yaklaşık üç katına- ulaşabilir. Motor stator sargılarına uygulanan aşırı yüksek ani voltajlar, voltaj dalgalanmalarına neden olur. Sık sık aşırı gerilim dalgalanmaları erken motor arızasına yol açabilir.
Değişken frekanslı bir sürücü tarafından çalıştırılan bir motorun voltaj yükselmelerine maruz kaldıktan sonraki gerçek ömrü, sıcaklık, kirlenme, titreşim, voltaj, taşıyıcı frekansı ve bobin yalıtımının üretim süreci dahil olmak üzere çok sayıda faktöre bağlıdır.
Frekans dönüştürücünün taşıyıcı frekansı ne kadar yüksek olursa, çıkış akımı dalga biçimi sinüs dalgasına o kadar yaklaşır. Bu, motorun çalışma sıcaklığını azaltır ve böylece izolasyon ömrünü uzatır. Bununla birlikte, daha yüksek bir taşıyıcı frekansı, saniyede daha fazla ani gerilimin üretilmesi anlamına gelir ve bu da motor üzerinde daha sık darbelere neden olur. Şekil 4 yalıtım ömrünün kablo uzunluğuna ve taşıyıcı frekansına göre nasıl değiştiğini göstermektedir. Grafik, 200 ft'lik bir kablo için taşıyıcı frekansını 3 kHz'den 12 kHz'e çıkarmanın (dört kat artış) yalıtım ömrünü yaklaşık 80.000 saatten 20.000 saate (dört kat azalma) azalttığını gösterir.
Taşıyıcı Frekansın Yalıtım Üzerindeki Etkisi
Motor sıcaklığı ne kadar yüksek olursa izolasyon ömrü o kadar kısa olur. Şekil 5'te görüldüğü gibi sıcaklık 75 dereceye yükseldiğinde motorun ömrü sadece %50'ye düşer. Değişken frekanslı sürücüler (VFD'ler) tarafından çalıştırılan motorlar, PWM voltajının daha yüksek oranda yüksek-frekans bileşenleri içermesi nedeniyle, şebeke frekansı voltajıyla çalıştırılanlara kıyasla önemli ölçüde daha yüksek sıcaklıklara maruz kalır.
Değişken Frekanslı Sürücünün Motor Rulmanlarına Zarar Verme Mekanizması
Değişken frekanslı sürücünün motor yataklarına verdiği hasarın nedeni, aralıklı olarak bağlı bir durumda meydana gelen, yatakların içinden geçen akımın akışıdır. Aralıklı olarak bağlanan devreler ark oluşturur ve bu arklar rulmanları yakar.
AC motor yatakları boyunca akım akışını tetikleyen iki temel neden vardır: birincisi, dahili elektromanyetik alan dengesizliğinden kaynaklanan voltaj; ikinci olarak başıboş kapasitans tarafından oluşturulan yüksek-frekanslı akım yolları.
İdeal bir AC endüksiyon motorunda iç manyetik alan simetriktir. Üç-faz sargılarındaki akımlar eşit olduğunda ve faz-120 derece kaydırıldığında, motor şaftında herhangi bir voltaj indüklenmez. Ancak invertörden gelen PWM gerilim çıkışı motor içerisinde manyetik alan asimetrisine neden olduğunda mil üzerinde gerilim indüklenir. Bu voltaj genellikle sürücü voltajına bağlı olarak 10 ila 30V arasında değişir-daha yüksek sürücü voltajı, daha yüksek şaft voltajıyla sonuçlanır. Bu voltajın yatağın içindeki yağlama yağının izolasyon gücünü aşması durumunda elektriksel bir yol oluşur. Şaft döndükçe, yağlama yağının yalıtımı periyodik olarak akım akışını keser. Bu süreç, mekanik bir anahtarın anahtarlama hareketine benzer; şaftın, bilyaların ve yatak yuvalarının yüzeylerini aşındıran ark oluşturarak çukurlar oluşturur. Harici titreşim olmadığında küçük çukurlaşmalar minimum düzeyde etkiye neden olur. Ancak harici titreşimle birleştiğinde motorun çalışmasını önemli ölçüde bozan oyuklar oluşturur.
Ek olarak deneyler, şaft üzerindeki voltajın aynı zamanda invertörün çıkış voltajının temel frekansıyla da ilişkili olduğunu göstermektedir. Temel frekans ne kadar düşük olursa, şaft üzerindeki voltaj da o kadar yüksek olur ve bu da daha ciddi yatak hasarına neden olur.
Yağlayıcı sıcaklığının düşük olduğu ilk çalışma aşamasında akım genlikleri 5 ila 200 mA arasında değişir. Bu kadar düşük akımlar yatak hasarına neden olmaz. Bununla birlikte, uzun süreli çalışmanın ardından, yağ sıcaklığı arttıkça tepe akımları 5 ila 10 A'ya ulaşabilir. Bu, ark oluşumuna neden olur ve yatak yüzeylerinde mikro-çukurlar oluşturur.
Motor Stator Sargılarının Korunması
Kablo uzunlukları 30 metreyi aştığında, modern değişken frekanslı sürücüler (VFD'ler) kaçınılmaz olarak motor terminallerinde ani voltajlar üreterek motorun ömrünü kısaltır. Motorun hasar görmesini önlemek için iki yaklaşım vardır: Sargı izolasyonunun bozulma direnci daha yüksek olan motorların kullanılması (genellikle VFD-uyumlu motorlar olarak adlandırılır) veya ani voltaj yükselmelerini azaltacak önlemlerin uygulanması. İlki yeni projeler için uygundur, ikincisi ise mevcut motorların yenilenmesi için idealdir.
Şu anda dört yaygın motor koruma yöntemi kullanılmaktadır:
(1) İnvertör çıkışına reaktörlerin kurulması: Bu en sık kullanılan yaklaşımdır. Ancak, daha kısa kablolar (30 metrenin altında) için etkili olsa da, Şekil 6(c)'de gösterildiği gibi performansının bazen idealin altında olabileceğini unutmayın.
(2) İnvertör çıkışına bir dv/dt filtresinin takılması: Bu, 300 metrenin altındaki kablo uzunlukları için uygundur. Reaktörlerden biraz daha pahalı olmasına rağmen, Şekil 6(d)'de gösterildiği gibi önemli ölçüde iyileştirilmiş sonuçlar sağlar.
(3) İnvertör çıkışına sinüs dalgası filtresi takılması: Bu en ideal çözümdür. PWM darbe voltajının sinüs dalgası voltajına dönüştürülmesiyle motor, hat frekansı voltajıyla aynı koşullar altında çalışır. Bu yaklaşım, ani voltaj yükselmesi sorununu tamamen çözer (kablo uzunluğundan bağımsız olarak ani gerilimler meydana gelmez).
(4) Kablo-motor arayüzüne bir ani voltaj emici takılması: Önceki önlemlerin dezavantajları, reaktörlerin veya filtrelerin hantal, ağır ve yüksek-güçlü motorlar için maliyetli hale gelmesidir. Ayrıca hem reaktörler hem de filtreler, motor çıkış torkunu azaltan voltaj düşüşlerine neden olur. Bir invertör ani voltaj emicinin kullanılması bu sınırlamaların üstesinden gelir. İkinci CASIC Akademisi'nin 706 Enstitüsü tarafından geliştirilen SVA aşırı gerilim sönümleyici, gelişmiş güç elektroniği ve akıllı kontrol teknolojisinden yararlanır ve bu da onu motor hasarını önlemek için ideal bir çözüm haline getirir. Ayrıca SVA darbe emici aynı zamanda motor yataklarını da korur.