Proteggi i motori efficienti di oggi dai danni PWM

Dec 15, 2023

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sta implementando limiti minimi di efficienza sui sistemi di pompaggio e sui loro componenti. Nel frattempo, gli utenti finali richiedono sistemi con efficienza sempre maggiore. Un modo in cui i produttori di pompe soddisfano le esigenze di entrambi i gruppi è introducendo soluzioni che consentono ai sistemi di pompaggio di cambiare velocità per mantenere la massima efficienza quando cambia la domanda di produzione.

Sui sistemi di pompaggio azionati da motori elettrici, questo aumento di efficienza si ottiene generalmente aggiungendo un convertitore di frequenza (VFD) al motore. Un VFD è un azionamento a velocità regolabile che controlla la velocità e la coppia del motore in corrente alternata (CA) variando la frequenza e la tensione di ingresso del motore. Molti nel settore delle pompe hanno familiarità con il funzionamento dei VFD e con i loro vantaggi in termini di efficienza. Ciò che non è così comunemente compreso è come proteggere i motori dagli effetti potenzialmente dannosi che un VFD può produrre e come ridurre questi effetti in un sistema di pompaggio.

Molti produttori di motori offrono motori progettati per funzionare su un VFD o un inverter. Questi motori sono stati appositamente progettati per funzionare se alimentati dalla forma d'onda di potenza modulata in larghezza di impulso (PWM) di un VFD. PWM è una tecnica di modulazione utilizzata principalmente per controllare l'alimentazione della forma d'onda di tensione e corrente a un motore. È spesso preferito perché è un metodo altamente efficiente di controllo della velocità del motore.

Una forma d'onda PWM può, tuttavia, creare problemi all'interno di un motore. Ad esempio, può causare picchi di tensione nell'avvolgimento del motore ben al di sopra della tensione nominale sia del motore che dei limiti di avvolgimento del motore standard. I motori che devono essere utilizzati con un VFD, pertanto, dovrebbero avere materiali e processi isolanti migliorati: rispetto a un sistema di isolamento standard, per la protezione da picchi di tensione ben superiori alla tensione nominale.

Secondo la National Electrical Manufacturer's Association (NEMA) MG1 Parte 31, i motori con una tensione nominale di 600 volt o inferiore utilizzati sui VFD dovrebbero avere avvolgimenti che proteggano, come minimo, da un picco di tensione pari a 3,1 volte la tensione nominale. Per i motori con una tensione nominale superiore a 600 volt, il minimo è 2,04 volte la tensione nominale del motore.

Le forme d'onda PWM possono anche avere un impatto sui cuscinetti di un motore elettrico. Quando vengono alimentate da un'onda sinusoidale standard, le tre fasi che alimentano il motore hanno una carica bilanciata. In altre parole, quando una fase è a +460V, la seconda è a -460V e la terza fase è a zero. La forma d'onda PWM, tuttavia, non è una vera onda sinusoidale. La tensione di corrente continua pulsante (CC) crea un'imitazione dell'onda sinusoidale, che causa un problema con il bilanciamento della carica all'interno del motore. Tra il rotore e lo statore si accumula una carica differenziale che deve essere bilanciata. Tale carica è causata dalla tensione di modo comune (CMV).

Come sa chiunque abbia toccato la maniglia di una porta in inverno, l’elettricità corregge questo squilibrio trovando il percorso di resistenza più basso verso terra. Lo shock che si prova quando si tocca la maniglia di una porta in inverno è una versione in scala ridotta di ciò che accade all'interno del cuscinetto di un motore che non è installato e protetto correttamente. Se i cuscinetti non sono isolati dall'albero e il sistema non è messo a terra in modo corretto, i cuscinetti forniscono il percorso di minor resistenza che il motore cerca per bilanciare la carica. Quando questo equilibrio avviene all'interno di un cuscinetto, si parla di elettroerosione (EDM).

Quando si verifica l'EDM, pezzi di materiale dal cuscinetto possono staccarsi mentre il motore è in funzione, danneggiando gravemente il cuscinetto o almeno causando rumore, calore e guasti prematuri nel tempo. Un modo per prevenire CMV è fornire al motore un percorso a bassa resistenza per bilanciare la carica tra il rotore e lo statore. Ciò si ottiene comunemente aggiungendo un dispositivo di messa a terra dell'albero al motore e mettendo a terra il motore. Sui motori più grandi, è possibile ottenere una protezione aggiuntiva isolando il cuscinetto opposto all'anello di messa a terra dell'albero per eliminare le correnti circolanti.

Sebbene utili, queste funzionalità di protezione del motore non vanno alla radice di ciò che causa l'esposizione dei motori agli effetti dannosi causati dalle forme d'onda PWM.