При подключении взрывозащищённого электродвигателя к преобразователю частоты недостаточно проверить мощность и маркировку Ex. Широтно-импульсное напряжение создаёт дополнительную нагрузку на изоляцию, может вызывать токи через подшипники и меняет тепловой режим. Для выбора привода нужно согласовать двигатель, преобразователь, кабельную линию и защиту. Допустимость частотного регулирования должна быть подтверждена документацией на конкретный двигатель.
Рис. 1. Иллюстрация двигателя для работы в холодных условиях. По изображению нельзя определить условия его применения; допустимость питания от преобразователя подтверждают технической документацией.
Три риска при питании от преобразователя частоты
Импульсные перенапряжения и повреждение изоляции
На выходе преобразователя формируются импульсы напряжения с крутыми фронтами. Высокая скорость изменения напряжения du/dt увеличивает электрическую нагрузку на межвитковую изоляцию. Отражения импульсов в кабеле могут дополнительно повышать пиковое напряжение на клеммах двигателя. Результат зависит от характеристик преобразователя, кабеля и обмотки; универсальной длины, после которой обязательно возникает повреждение, нет.
Сравнивать нужно допустимое пиковое напряжение и время нарастания импульса, указанные изготовителем двигателя, с условиями на его клеммах. Номинального напряжения и класса нагревостойкости F или H для такой оценки недостаточно: нагревостойкость и стойкость к повторяющимся импульсам — разные характеристики. Если данные об импульсной стойкости отсутствуют, их следует запросить у поставщика до подключения двигателя.
Электроэрозия подшипников
Синфазное напряжение преобразователя может создавать напряжение на валу и высокочастотные токи через подшипники. При электрическом пробое смазочной плёнки на поверхностях качения появляются микрократеры; со временем могут образоваться характерные поперечные полосы и вырасти шум и вибрация. При этом сопротивление изоляции обмотки может оставаться в пределах нормы. В технической документации для этого явления используют термин «подшипниковые токи».
По одному шуму или внешнему виду дорожек причину отказа не устанавливают: проверяют также смазку, центровку и механическую нагрузку. Защиту выбирают с учётом возможного пути тока через двигатель и приводимый механизм. Это может быть сочетание правильного экранирования и заземления, изолированного подшипника и фильтра синфазных токов. Заземляющие щётки и кольца допустимы для взрывозащищённого двигателя только при согласовании с его изготовителем и соблюдении условий взрывозащиты.
Перегрев при длительной работе на низкой скорости
У двигателя с вентилятором на валу снижение скорости ухудшает охлаждение. При этом требуемый момент и ток могут оставаться высокими, особенно у конвейера или другого механизма с постоянным моментом нагрузки. Оценивать нагрев по одной только частоте вращения нельзя: нужны допустимая нагрузочная характеристика двигателя, условия охлаждения и продолжительность работы в этом режиме.
У центробежных насосов и вентиляторов момент нагрузки обычно уменьшается со снижением скорости, поэтому условия могут быть мягче, чем у привода с постоянным моментом. Но допустимый режим всё равно проверяют по данным изготовителя. При необходимости ограничивают нагрузку или предусматривают независимую вентиляцию в исполнении, разрешённом для данного двигателя и взрывоопасной зоны. Класс энергоэффективности IE3 или IE4 не заменяет такой проверки.
Рис. 2. Иллюстрация подогрева двигателя. Антиконденсатный подогрев обычно применяют во время остановки; при работе двигателя его отключают в соответствии со схемой изготовителя.
Что указать в опросном листе
Кроме мощности, напряжения, условий окружающей среды и требуемой взрывозащиты, поставщику нужны данные о частотно-регулируемом приводе. До заказа стоит согласовать следующие шесть позиций.
Кабельная линия: фактическая длина, тип и сечение кабеля, экранирование, способ прокладки и наличие параллельных ветвей. Эти данные нужны для проверки допустимой длины, перенапряжений и требований к заземлению.
Обмотка: подтверждение пригодности для питания от выбранного преобразователя, допустимое пиковое напряжение на клеммах и время нарастания импульса, а также требуемые выходные фильтры.
Рабочий диапазон: минимальная и максимальная выходная частота преобразователя, момент нагрузки, перегрузки и длительность режимов. Отдельно указывают допустимый диапазон частоты коммутации, или несущей частоты ШИМ: это другой параметр.
Выходная фильтрация: необходимость реактора, du/dt-фильтра, синусного фильтра или фильтра синфазных токов по документации на двигатель и преобразователь. Для выбранного устройства проверяют напряжение, ток, частоты и допустимую кабельную линию.
Подшипники и заземление: согласованная схема защиты от подшипниковых токов, включая исполнение подшипников, соединение экранов и уравнивание потенциалов двигателя и приводимого механизма.
Тепловая защита: допустимая нагрузка на низкой скорости, способ охлаждения и подключение датчиков температуры. PTC-термисторы и устройство отключения должны применяться по инструкции изготовителя и условиям сертификата Ex.
Рис. 3. Иллюстрация маркировки и документов на двигатель. Она не заменяет проверку подлинных документов на конкретную модель, включая разрешённые частоты, нагрузку, охлаждение и защитные устройства.
Выбор выходной защиты для длинного кабеля
Для предварительной оценки нужны напряжение питания и звена постоянного тока, характеристики выходных импульсов преобразователя, параметры кабеля и данные об изоляции двигателя. Длины 30 или 50 м нельзя использовать как общую границу безопасности. У одного привода фильтр может потребоваться при коротком кабеле, у другого допускается более длинная линия — в пределах, указанных изготовителями.
Фильтр подбирают под конкретную задачу. du/dt-фильтр ограничивает крутизну фронта и пиковые напряжения, синусный фильтр сглаживает межфазное напряжение, а фильтр синфазных токов решает другую задачу. Обычный выходной реактор не равноценен каждому из этих устройств. Универсальной последовательности «сначала снизить несущую частоту, затем добавить реактор» нет; снижение частоты коммутации само по себе не гарантирует уменьшения du/dt или пикового напряжения.
Частота коммутации, потери и шум
При переходе на частотное регулирование у двигателя может появиться тональный шум, связанный с ШИМ. Изменение частоты коммутации меняет его спектр и уровень, но результат зависит от двигателя, нагрузки и алгоритма управления. Повышение этой частоты нередко уменьшает слышимый шум, одновременно увеличивая коммутационные потери преобразователя.
Настройку выбирают в допустимых пределах для двигателя, преобразователя и фильтра. Учитывают акустические требования, нагрев, токовую нагрузку и длину кабеля. В согласованной спецификации указывают частоту коммутации отдельно от выходной частоты, которая задаёт скорость двигателя. Изменение одной из этих настроек не заменяет проверку всей системы.
Мера
Основное назначение
Что проверить
Ограничения
Настройка частоты коммутации
Согласование шума, потерь и режима работы
Допустимый диапазон двигателя, преобразователя и фильтра
Не гарантирует снижения du/dt и пикового напряжения
Выходной реактор
Ограничение отдельных высокочастотных составляющих и кабельной нагрузки
Совместимость с приводом, допустимые ток и длина кабеля
Не заменяет автоматически du/dt- или синусный фильтр
du/dt-фильтр
Ограничение скорости изменения и пиков напряжения
Напряжение, ток, частоты и допустимая кабельная линия
Межфазное напряжение остаётся импульсным; защита от синфазных токов требует отдельной оценки
Синусный фильтр
Сглаживание межфазного напряжения и снижение связанных с ШИМ нагрузок
Совместимость, рабочие частоты, падение напряжения и тепловые потери
Обычный межфазный фильтр не устраняет все синфазные токи
Для взрывоопасной зоны отдельно проверяют условия сертификата и инструкции на двигатель: разрешено ли питание от преобразователя, какие диапазоны скорости и нагрузки допустимы, нужна ли независимая вентиляция и как тепловая защита должна отключать двигатель. Если документы подтверждают только питание от сети, перевод на преобразователь согласуют с изготовителем. Самостоятельная установка фильтра не подтверждает соответствие требованиям взрывозащиты.
Материалы по смежным вопросам
При подборе привода полезно дополнительно проверить три темы: подшипники и смазку, изоляцию обмотки и энергоэффективность. Они помогают уточнить требования к двигателю и его обслуживанию.
Подшипники и смазка. Для выбранного режима уточняют допустимую скорость, механическую нагрузку, тип смазки и интервалы её пополнения. Защиту от электрических токов рассматривают отдельно от обычного расчёта ресурса подшипника.
Изоляция обмотки. Классы F и H характеризуют нагревостойкость изоляционной системы. Они не подтверждают допустимость любых импульсов от преобразователя: требования к импульсной стойкости нужно проверять отдельно.
Энергоэффективность. Сравнивать IE3 и IE4 полезно вместе с графиком нагрузки и временем работы. Для частотно-регулируемого привода учитывают также потери преобразователя и фильтров, а допустимый нагрев проверяют по данным для выбранного режима.
Что зафиксировать при пусконаладке
Протокол пусконаладки должен описывать фактически собранный привод. Тогда при замене кабеля, преобразователя или двигателя можно проверить, сохраняются ли согласованные условия работы.
В протокол включают модели двигателя и преобразователя; диапазон выходной частоты и настройку частоты коммутации; фактическую длину и тип кабеля; тип фильтра; исполнение подшипников и схему заземления. Отдельно записывают нагрузку, температуру окружающей среды, работу охлаждения и результаты проверки тепловой защиты. Результаты измерения сопротивления изоляции приводят вместе с температурой обмотки и условиями испытания.
Допустимые значения и порядок проверок берут из документации изготовителей и условий применения оборудования. Особенно важно подтвердить отключение при срабатывании температурной защиты и блокировку пуска при неисправности обязательного охлаждения, если такая блокировка предусмотрена проектом и документацией Ex.
Что можно проверить измерениями
Если расчётных данных недостаточно, согласуют измерения на конкретной установке. Для оценки изоляционной нагрузки проверяют пиковое напряжение и время нарастания импульсов на клеммах двигателя. Для оценки нагрева фиксируют нагрузку, скорость, условия охлаждения и показания температурных датчиков.
Измерение сопротивления изоляции помогает оценить её состояние, но не подтверждает стойкость к повторяющимся импульсам ШИМ. Его выполняют на отключённом двигателе по инструкции изготовителя, с отсоединённым преобразователем и чувствительными цепями. При подозрении на подшипниковые токи могут понадобиться специальные измерения напряжения на валу и токов; одного контроля вибрации для установления причины недостаточно.
Результаты относятся к проверенной конфигурации: двигателю, преобразователю, настройкам, кабелю, фильтру и нагрузке. После изменения этой конфигурации совместимость проверяют повторно. Ожидаемый срок службы нельзя обосновать только длиной кабеля или одной настройкой несущей частоты.
Если двигатель уже работает и появились неисправности
При перегреве, срабатывании защиты, ухудшении изоляции или необычной вибрации сначала определяют, допустима ли дальнейшая работа. Для оборудования во взрывоопасной зоне это решение принимают с учётом условий Ex и инструкции изготовителя. Затем проверяют кабель, заземление, настройки преобразователя, охлаждение и тепловую защиту. Повреждённую изоляцию нельзя восстановить установкой фильтра или снижением частоты коммутации; перед повторным пуском требуется оценка состояния двигателя.
Подшипники проверяют на электрические и механические повреждения. Характерные следы электроэрозии сопоставляют с результатами осмотра и измерений, после чего согласуют защиту с изготовителем. Замена подшипника без устранения причины может привести к повторному отказу. Для подбора решения поставщику передают данные двигателя и преобразователя, длину кабеля, настройки, условия нагрузки и результаты диагностики.