可変周波数ドライブ (VFD) の出現は、産業オートメーション制御とモーターのエネルギー効率に革命をもたらしました。 VFD は工業生産において事実上不可欠であり、日常生活においてもエレベーターや可変周波数エアコンに不可欠なコンポーネントとなっています。- VFD は生産や日常生活の隅々に浸透しています。しかし、モーターの損傷が最も顕著な問題の 1 つであるなど、前例のない課題も抱えています。
VFD がモーターを損傷する現象は多くの人がすでに観察しています。たとえば、あるポンプ メーカーは最近、保証期間内にポンプの故障が発生したという顧客からの頻繁な報告に直面しました。以前は、このメーカーの製品はその信頼性で知られていました。調査の結果、損傷したポンプはすべて可変周波数ドライブによって駆動されていたことが判明しました。
VFD- によるモーター損傷の問題は注目を集めていますが、根本的なメカニズムは依然として不明であり、予防策もほとんど知られていません。この記事は、これらの不確実性に対処することを目的としています。
VFDによるモーターの損傷
VFD によるモーターの損傷は、図 1 に示すように、ステータ巻線の損傷とベアリングの損傷という 2 つの主な方法で現れます。このような損傷は通常、数週間から 1 年以上の範囲内で発生します。具体的な持続時間は、VFD ブランド、モーター ブランド、モーター出力定格、VFD キャリア周波数、VFD とモーター間のケーブル長、周囲温度などの多くの要因によって異なります。モーターの早期故障は企業に多大な経済的損失を与えます。これらの損失には、修理や交換のコストだけでなく、より重要なことに、予期せぬ生産ダウンタイムによる財務上の影響も含まれます。したがって、VFD を使用してモーターを駆動する場合は、モーターの損傷の問題に十分な注意を払う必要があります。
可変周波数駆動とライン周波数駆動の違い
可変周波数ドライブ条件下で電源周波数モータが損傷しやすい理由を理解するには、まず可変周波数ドライブによって供給される電圧と電源周波数電圧の違いを把握する必要があります。次に、これらの違いがモーターにどのような悪影響を与えるかを理解する必要があります。
電源周波数動作と比較して、VFD 駆動条件下でモーターが損傷しやすい理由を理解するには、まず VFD によって供給される電圧と電源周波数電圧の違いを調べる必要があります。-次に、これらの違いがモーターにどのような悪影響を与えるかを理解する必要があります。
可変周波数ドライブの基本構造を図 2 に示します。この構造は、整流回路とインバータ回路の 2 つの主要セクションで構成されています。整流回路は、標準のダイオードとフィルター コンデンサを使用して DC 電圧出力回路を形成します。インバータ回路は、この DC 電圧をパルス幅変調電圧波形 (PWM 電圧) に変換します。{3}したがって、VFD からモーターを駆動する電圧波形は、正弦波の電圧波形ではなく、パルス幅が変化するパルス波形になります。このパルス電圧でモーターを駆動することは、モーター損傷の根本的な原因となります。
インバータのモータ固定子巻線損傷のメカニズム
パルス電圧がケーブル内を伝播すると、ケーブルと負荷の間のインピーダンスの不整合により、負荷端で反射が発生します。これらの反射により、入射波と反射波が重なり、大幅に高い電圧が発生します。図 3 に示すように、その振幅は DC バス電圧の最大 2 倍-インバータ入力電圧の約 3 倍-に達することがあります。モータの固定子巻線に印加される過度に高いスパイク電圧は、電圧サージを引き起こします。過電圧サージが頻繁に発生すると、モーターの早期故障につながる可能性があります。
電圧スパイクにさらされた後の可変周波数ドライブで駆動されるモーターの実際の寿命は、温度、汚れ、振動、電圧、キャリア周波数、コイル絶縁の製造プロセスなどの多くの要因によって異なります。
周波数変換器のキャリア周波数が高くなるほど、出力電流波形は正弦波に近づきます。これによりモーターの動作温度が下がり、絶縁寿命が延びます。ただし、キャリア周波数が高いほど、1 秒あたりに生成されるスパイク電圧が多くなり、モーターへの衝撃がより頻繁に発生します。図 4 は、絶縁寿命がケーブル長とキャリア周波数によってどのように変化するかを示しています。このグラフは、200 フィートのケーブルの場合、キャリア周波数を 3 kHz から 12 kHz (4 倍の増加) に増加させると、絶縁寿命が約 80,000 時間から 20,000 時間 (4 分の 1 の減少) に減少することを示しています。
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寿命は短くなります。図 5 に示すように、温度が 75 度に上昇すると、モーターの寿命はわずか 50% に減少します。可変周波数ドライブ (VFD) で駆動されるモーターは、商用周波数電圧で駆動されるモーターに比べて大幅に高温になります。これは、PWM 電圧には高周波成分が多く含まれるためです。-。
可変周波数駆動によるモーターベアリングの損傷のメカニズム
可変周波駆動によるモータのベアリングの損傷の原因は、断続的に接続された状態でベアリングに電流が流れることです。回路が断続的に接続されるとアークが発生し、このアークによってベアリングが焼き切れます。
AC モーターのベアリングに電流が流れる主な原因は 2 つあります。1 つは内部の電磁界の不均衡による誘導電圧です。 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 誘導モーターでは、内部磁場は対称です。 3 相巻線の電流が等しく、位相が 120 度ずれている場合、-モーター シャフトに電圧は誘導されません。しかし、インバータから出力されるPWM電圧によりモータ内部に磁界の非対称性が生じると、シャフトに電圧が誘起されます。この電圧は通常、駆動電圧に応じて 10 ～ 30 V の範囲になります。-駆動電圧が高いほど、シャフト電圧も高くなります。この電圧が軸受内の潤滑油の絶縁強度を超えると、電気経路が形成されます。シャフトが回転すると、潤滑油の絶縁体によって電流の流れが定期的に遮断されます。このプロセスは機械式スイッチのスイッチング動作に似ており、アークを発生させてシャフト、ボール、ベアリングレースの表面を侵食してピットを形成します。外部からの振動がなければ、小さなピッチングによる影響は最小限に抑えられます。しかし、外部振動と組み合わさると溝が生じ、モーターの動作に重大な影響を及ぼします。
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。
潤滑剤の温度が低い初期動作段階では、電流振幅の範囲は 5 ～ 200 mA です。このような低電流ではベアリングに損傷を与えることはありません。ただし、長時間の運転後、潤滑剤の温度が上昇すると、ピーク電流が 5 ～ 10 A に達することがあります。これによりアーク放電が誘発され、軸受表面に微細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、最新の可変周波数ドライブ (VFD) によって必然的にモーター端子にスパイク電圧が発生し、モーターの寿命が短くなります。モーターの損傷を防ぐには 2 つのアプローチがあり、巻線の絶縁破壊強度がより高いモーター (一般に VFD- 互換モーターと呼ばれます) を使用するか、スパイク電圧を低減する対策を講じます。前者は新しいプロジェクトに適しており、後者は既存のモーターの改造に最適です。
現在、次の 4 つの一般的なモーター保護方法が採用されています。
(1) インバータ出力にリアクトルを設置する: これは最も頻繁に使用されるアプローチです。ただし、短いケーブル (30 メートル未満) には効果的ですが、図 6(c) に示すように、そのパフォーマンスが最適ではない場合があることに注意してください。
(2) インバータ出力に dv/dt フィルタを取り付ける: これは、300 メートル未満のケーブル長に適しています。リアクターよりも若干高価ですが、図 6(d) に示すように、大幅に改善された結果が得られます。
(3) インバータ出力に正弦波フィルタを設置する：これが最も理想的な解決策です。 PWMパルス電圧を正弦波電圧に変換することで、モータは線間周波数電圧と同じ条件で動作します。このアプローチにより、スパイク電圧の問題が完全に解決されます (ケーブルの長さに関係なく、スパイク電圧は発生しません)。
(4) ケーブル-モーターのインターフェースにスパイク電圧吸収装置を取り付ける: これまでの対策の欠点は、高出力モーターの場合、リアクトルやフィルタが大きく、重くなり、コストが高くなるという点です。{2}}さらに、リアクトルとフィルタの両方により電圧降下が発生し、モータの出力トルクが低下します。インバータスパイク電圧吸収装置を使用すると、これらの制限が克服されます。 CASIC 第 2 アカデミーの 706 研究所によって開発された SVA サージ電圧アブソーバーは、高度なパワー エレクトロニクスとインテリジェントな制御技術を採用しており、モーターの損傷を防ぐための理想的なソリューションとなっています。さらに、SVA サージアブソーバはモーターのベアリングも保護します。