Schützen Sie die effizienten Motoren von heute vor Schäden durch PWM

Dec 15, 2023

Das US-Energieministerium (DOE) führt Mindesteffizienzgrenzwerte für Pumpsysteme und deren Komponenten ein. Mittlerweile fordern Endverbraucher Systeme mit immer höherer Effizienz. Eine Möglichkeit für Pumpenhersteller, die Bedürfnisse beider Gruppen zu erfüllen, besteht darin, Lösungen einzuführen, die es Pumpsystemen ermöglichen, ihre Geschwindigkeit zu ändern, um bei sich änderndem Leistungsbedarf die höchste Effizienz aufrechtzuerhalten.

Bei Pumpsystemen, die von Elektromotoren angetrieben werden, wird diese Effizienzsteigerung typischerweise durch Hinzufügen eines Frequenzumrichters (VFD) zum Motor erreicht. Ein VFD ist ein Antrieb mit einstellbarer Drehzahl, der die Drehzahl und das Drehmoment des Wechselstrommotors durch Variation der Motoreingangsfrequenz und -spannung steuert. Viele in der Pumpenindustrie sind mit der Funktionsweise von VFDs und ihren Effizienzvorteilen vertraut. Was nicht so allgemein verstanden wird, ist, wie man Motoren vor den potenziell schädlichen Auswirkungen schützt, die ein Frequenzumrichter hervorrufen kann, und wie man diese Auswirkungen in einem Pumpsystem reduziert.

Viele Motorenhersteller bieten Motoren an, die für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter oder Wechselrichter ausgelegt sind. Diese Motoren wurden speziell für den Betrieb mit der pulsweitenmodulierten (PWM) Leistungswellenform eines Frequenzumrichters entwickelt. PWM ist eine Modulationstechnik, die hauptsächlich zur Steuerung der Spannungs- und Stromwellenformversorgung eines Motors verwendet wird. Sie wird oft bevorzugt, da es sich um eine hocheffiziente Methode zur Motordrehzahlregelung handelt.

Eine PWM-Wellenform kann jedoch zu Problemen innerhalb eines Motors führen. Beispielsweise kann es dazu führen, dass in einer Motorwicklung Spannungsspitzen auftreten, die deutlich über der Nennspannung sowohl des Motors als auch der Standard-Motorwicklungsgrenzwerte liegen. Motoren, die mit einem Frequenzumrichter verwendet werden sollen, sollten daher über verbesserte Isoliermaterialien und -prozesse verfügen – im Vergleich zu einem Standard-Isoliersystem – zum Schutz vor Spannungsspitzen, die weit über der Nennspannung liegen.

Gemäß MG1 Teil 31 der National Electrical Manufacturer's Association (NEMA) sollten Motoren mit einer Nennspannung von 600 Volt oder weniger, die in Frequenzumrichtern verwendet werden, über Wicklungen verfügen, die mindestens vor einer Spannungsspitze des 3,1-fachen der Nennspannung schützen. Bei Motoren mit einer Nennspannung von mehr als 600 Volt beträgt der Mindestwert das 2,04-fache der Nennspannung des Motors.

PWM-Wellenformen können sich auch auf die Lager eines Elektromotors auswirken. Bei Antrieb mit normalem Sinuswellenstrom haben die drei Phasen, die den Motor antreiben, eine ausgeglichene Ladung. Mit anderen Worten: Wenn eine Phase bei +460 V liegt, liegt die zweite bei -460 V und die dritte Phase bei Null. Die PWM-Wellenform ist jedoch keine echte Sinuswelle. Pulsierende Gleichspannung (DC) erzeugt eine imitierte Sinuswelle, die zu Problemen mit dem Ladungsgleichgewicht im Motor führt. Zwischen Rotor und Stator baut sich eine Differenzladung auf, die ausgeglichen werden muss. Diese Ladung wird durch die Gleichtaktspannung (CMV) verursacht.

Wie jeder weiß, der im Winter einen Türknauf berührt hat, gleicht Elektrizität dieses Ungleichgewicht aus, indem er den Weg zur Erde mit dem geringsten Widerstand findet. Der Schock, den Sie bekommen, wenn Sie im Winter einen Türknauf berühren, ist eine kleinere Version dessen, was im Lager eines Motors passiert, der nicht richtig installiert und geschützt ist. Wenn die Lager nicht von der Welle isoliert sind und das System falsch geerdet ist, stellen die Lager den Weg mit dem geringsten Widerstand dar, den ein Motor zum Ladungsausgleich anstrebt. Wenn dieses Gleichgewicht innerhalb eines Lagers auftritt, spricht man von Elektroentladungsbearbeitung (EDM).

Bei EDM können sich bei laufendem Motor Materialstücke aus dem Lager lösen, was zu schweren Schäden am Lager führen kann – oder zumindest im Laufe der Zeit zu Geräuschen, Hitze und vorzeitigem Ausfall führen kann. Eine Möglichkeit, CMV zu verhindern, besteht darin, dem Motor einen Pfad mit niedrigem Widerstand zu geben, um die Ladung zwischen Rotor und Stator auszugleichen. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass dem Motor eine Wellenerdungsvorrichtung hinzugefügt und der Motor geerdet wird. Bei größeren Motoren kann zusätzlicher Schutz erreicht werden, indem das Lager gegenüber dem Wellenerdungsring isoliert wird, um zirkulierende Ströme zu eliminieren.

Diese Motorschutzfunktionen sind zwar hilfreich, gehen aber nicht an der Wurzel, weshalb Motoren den schädlichen Auswirkungen von PWM-Wellenformen ausgesetzt sind.

Um ein Pumpsystem mit variabler Drehzahl robust und zuverlässig zu machen, bedarf es mehr als nur dem Zusammenbau von Pumpe, Motor und VFD. Diese Komponenten müssen in ein einziges System integriert und als solches betrieben werden, das darauf ausgelegt ist, Probleme zu mindern, die bei der Verwendung von PWM-Leistungswellenformen auftreten.

Motorwicklungen sollten beispielsweise immer über einen zusätzlichen Schutz gegen Spannungsspitzen verfügen, wenn sie mit einer PWM-Wellenform betrieben werden. Allerdings können CMV- und andere Probleme, die durch die Interaktion zwischen Motor und VFD entstehen, durch die Befolgung geeigneter Installationstechniken gemildert werden.

VFD-Installation Die vom VFD zum Motor verlaufenden Stromkabel sollten abgeschirmt und speziell für die Verwendung mit einem VFD ausgelegt sein. Erkundigen Sie sich beim Hersteller, ob sie die empfohlene Größe für die Spannungs- und Stromgrenzen des Systems haben.

Erdung Der Motor ist nicht vollständig geschützt, wenn er allein geerdet ist. Der VFD erzeugt hochfrequente Geräusche, die ebenfalls zum Antrieb geerdet werden müssen. Zur Erdung des Frequenzumrichters gehört mehr als nur die Verlegung eines Kabels zurück zur gemeinsamen Masse des Antriebs. Der Motor sollte mit einem geflochtenen Erdungskabel, das mindestens die gleiche Größe wie ein einzelnes Stromkabel hat und im selben Kabelkanal wie die Stromkabel verläuft, am Antrieb geerdet werden.

Auswahl des Kabelkanals Der Kabelkanal, in dem diese Stromkabel und das Erdungskabel untergebracht sind, sollte aus Metall bestehen. Die Leitung sollte sowohl an den Motor als auch an den Antrieb angeschlossen werden, ohne diese zu isolieren. PVC, Kunststoff oder andere Isoliermaterialien sollten nicht zum Anschluss von Metallrohren an einen Antriebs- oder Motorklemmenkasten verwendet werden. Wenn eines dieser Materialien verwendet wird, ist es wichtig, dass das Metallrohr, das die Stromleitungen und das Erdungskabel führt, ordnungsgemäß an den Erdungskreis angeschlossen ist.

Einen Systemansatz verfolgenUm einen Motor vor Schäden durch PWM zu schützen, kann ein Motorhersteller zusätzliche Schutzmaßnahmen für die Wicklung, die Wellenerdung und die isolierten Lager vornehmen. Dem Ausgang eines VFD können auch zusätzliche Schutzmaßnahmen hinzugefügt werden. Hersteller fügen diese Schutzmaßnahmen hinzu, da sie nicht vorhersagen können, wo, wie und wann diese Komponenten installiert werden. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese Auswirkungen abzumildern, bevor sie auftreten – indem diese Komponenten als integriertes System entworfen und installiert werden.

Um die beste Lösung zu erreichen, sollten Motor und VFD als ein einziges System behandelt werden. Wenn der Motor wieder am Antrieb geerdet ist und Kabel, Leitung und Filter die richtige Größe haben, sollte das Ergebnis ein Antriebssystem mit variabler Drehzahl sein, das den Spezifikationen entspricht.

Patrick Hogg ist Anwendungstechnikmanager für die allgemeine Industrie und Pumpen bei der Nidec Motor Corporation. Hogg hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau und einen MBA der University of Missouri-St. Louis. Er kann unter [email protected] erreicht werden.