Come i convertitori di frequenza possono rovinare i motori e cosa si può fare al riguardo

I VFD controllano i motori con un'onda sinusoidale simulata nota come modulazione di larghezza di impulso (PWM). Il problema è che le tensioni di picco create dal VFD possono spesso diventare abbastanza alte da rompere l'isolamento del motore e cortocircuitare gli avvolgimenti del motore. La prima cosa che può proteggere i motori da questo tipo di guasto è utilizzare motori "VFD-rated". Nel corso del tempo questo termine è stato ampiamente utilizzato in modo improprio. Come breve riepilogo, le linee guida per motori e generatori della National Electrical Manufacturer's Association (NEMA) (MG1) Parte 31 sono le specifiche per i motori classificati VFD e specificano l'uso dell'isolamento VFD premium. Questa specifica è ciò che rende un motore "classificato VFD" come definito da NEMA. Assicurati di includerlo in un elenco di controllo o in una specifica quando acquisti nuovi motori per l'utilizzo di VFD.

È importante controllare lo stato dei cuscinetti quando si utilizzano i convertitori di frequenza.

Anche se si utilizza un motore "classificato VFD" come definito da NEMA MG1 parte 31, il motore non è ancora protetto dalle correnti dell'albero create dai VFD. Queste correnti dell'albero prendono cuscinetti motore funzionali e meticolosamente lucidati e li trasformano in modo aggressivo in opere d'arte industriale non operative. Questo è il risultato di milioni di piccoli archi all'ora che si scaricano attraverso i cuscinetti del motore. Questi archi causano in modo distruttivo vaiolatura, brina e scanalature nei cuscinetti del motore e nelle piste dei cuscinetti, con conseguente guasto prematuro del motore.

Non esiste una bacchetta magica per inviare queste correnti nell'aldilà. Tuttavia, è possibile reindirizzare e neutralizzare gli effetti dannosi sul motore e sui cuscinetti del motore in modi diversi. Ciò può essere ottenuto attraverso una combinazione di tecnologie, come anelli di messa a terra dell'albero, cinghie di messa a terra, cuscinetti in ceramica, alloggiamenti motore isolati e persino piste di cuscinetti rivestite. La migliore soluzione o combinazione di soluzioni varierà in base all'applicazione specifica.

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Generalmente, quando un VFD viene utilizzato su un motore, è perché non funzionerà alla massima velocità (almeno non sempre). Quando il motore rallenta, si raffredda meno perché la ventola di raffreddamento interna del motore non ruota alla massima velocità e quindi non fornisce un raffreddamento ottimale. È importante notare che questo non è solo il caso di velocità estremamente basse, diciamo sotto i 20 hz, perché qualsiasi cosa al di sotto della velocità massima del motore riduce l'efficacia delle ventole di raffreddamento e provoca un aumento del calore, diminuendo la vita operativa del motore.

A meno che il motore non funzioni continuamente a velocità estremamente basse, correggere questo problema è abbastanza semplice. Assicurarsi che, quando si acquista un nuovo motore, sia targato con un fattore di servizio di 1,15 o più. Alcuni potrebbero pensare: "quando un motore viene azionato da un VFD, il fattore di servizio scompare" e potrebbe essere corretto. Tuttavia, l'aumento del fattore di servizio darà quel margine termico extra per consentire al motore di funzionare a freddo e avere una normale aspettativa di vita.

Nelle applicazioni con cavo motore lungo, gli impulsi PWM VFD si accumulano l'uno sull'altro, creando tensioni di picco che rompono rapidamente l'isolamento del motore e gli avvolgimenti del motore corti. Di recente ho parlato con un sovrintendente elettrico che ha perso otto motori da 500 CV con inverter in meno di tre mesi a causa di questo problema. Questi erano motori di alta qualità e non solo qualsiasi motore si sarebbe guastato in questa situazione, ma alcuni probabilmente si sarebbero guastati prima poiché le tensioni di picco superavano i 1.500 V CC. Per riferimento, le lunghezze dei cavi in ​​questa particolare situazione erano inferiori a 400 piedi dal VFD al motore.

Le regole empiriche variano, dai un'occhiata alle applicazioni con cavi che superano i 100 piedi (30 metri). Quando si valuta il costo dei tempi di fermo su applicazioni critiche o il costo per spingere e tirare i motori delle pompe sommergibili, l'assunzione di rischi inutili sembra irrazionale.

Ci sono tre soluzioni che vengono comunemente prese in considerazione quando si affronta questo problema. Il primo è il più semplice, ovvero selezionare un VFD che regolerà automaticamente la commutazione dei suoi transistor e limiterà i picchi di tensione nelle applicazioni con cavo lungo. Questa tecnologia è stata definita "soft PWM" e i dati suggeriscono che funzionerà favorevolmente in molte applicazioni. È comunque necessario utilizzare un motore NEMA MG1 parte 31.

Il secondo è installare un filtro dV/dt sull'uscita del VFD, che in genere garantisce la limitazione dei picchi di tensione di picco a circa 975 VDC su un sistema a 480 VDC. In generale, se un motore soddisfa gli standard NEMA MG1 parte 30 o parte 31, un filtro dV/dt funzionerà molto bene per la maggior parte delle situazioni.

La terza è un'opzione premium, ovvero l'uso di filtri sinusoidali sull'uscita del VFD. Un filtro sinusoidale converte l'onda PWM da un VFD in un'onda sinusoidale pulita e manterrà i picchi di tensione pari o inferiori a circa 800 VDC su sistemi a 480 VDC. I filtri sinusoidali funzionano straordinariamente bene, ma spesso costano tanto quanto o più del costo di uno chassis VFD. Tuttavia, tale costo può essere irrilevante rispetto alla spesa dei tempi di inattività o dei costi push and pull.

I motori a velocità eccessiva con VFD possono causare una serie di problemi meccanici relativi al motore. L'aumento delle vibrazioni è generalmente il punto in cui questo problema inizia e si traduce in un'usura accelerata dei cuscinetti, problemi generali di bilanciamento e problemi complessi di vibrazione del sistema, che possono persino causare guasti all'attrezzatura condotta.

È importante ricordare che i VFD faranno funzionare volentieri i motori elettrici oltre la loro velocità nominale. I motori a velocità eccessiva sono abbastanza comuni per diversi motivi, ma sono generalmente usati come un modo per compensare una sorta di difetto meccanico. I motori NEMA standard sono progettati per funzionare fino al 25% al ​​di sopra della loro velocità nominale e, fintanto che l'assorbimento di corrente è inferiore alla potenza nominale del motore a pieno carico, non dovrebbero esserci problemi. Ricorda solo che quando un motore supera la velocità massima oltre il suo amperaggio a pieno carico, può perdere la coppia disponibile sull'albero del motore. Ciò può comportare una condizione del motore in stallo, che generalmente non è dannosa per il motore, ma può sicuramente essere fastidiosa.

Queste informazioni prepareranno meglio i manager ad avere una discussione istruita con il personale e i fornitori per assicurarsi che stiano ottenendo l'attrezzatura migliore per la loro situazione, garantendo al contempo una corretta salute del motore. 

Se il processo e le procedure non vengono seguiti correttamente per i convertitori di frequenza, i motori possono essere danneggiati in diversi modi.

Luke Lancaster è vicepresidente delle vendite per Energy Management Corp. Lancaster può essere raggiunto all'indirizzo [email protected].

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