परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव (वीएफडी) के आगमन ने औद्योगिक स्वचालन नियंत्रण और मोटर ऊर्जा दक्षता में क्रांति ला दी है। वीएफडी वस्तुतः औद्योगिक उत्पादन में अपरिहार्य हैं, और यहां तक कि दैनिक जीवन में भी, वे लिफ्ट और वैरिएबल {{1}आवृत्ति एयर कंडीशनर में अभिन्न घटक बन गए हैं। वीएफडी ने उत्पादन और दैनिक जीवन के हर कोने में प्रवेश कर लिया है। हालाँकि, उन्होंने अभूतपूर्व चुनौतियाँ भी पेश की हैं, जिनमें मोटर क्षति सबसे प्रमुख मुद्दों में से एक है।
कई लोग पहले ही वीएफडी द्वारा मोटरों को नुकसान पहुंचाने की घटना देख चुके हैं। उदाहरण के लिए, एक पंप निर्माता को हाल ही में वारंटी अवधि के भीतर होने वाली पंप विफलताओं के बारे में ग्राहकों से लगातार रिपोर्ट का सामना करना पड़ा। पहले, इस निर्माता के उत्पाद अपनी विश्वसनीयता के लिए जाने जाते थे। जांच से पता चला कि सभी क्षतिग्रस्त पंप वैरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव द्वारा संचालित थे।
यद्यपि वीएफडी प्रेरित मोटर क्षति का मुद्दा ध्यान आकर्षित कर रहा है, अंतर्निहित तंत्र अस्पष्ट हैं, और निवारक उपाय काफी हद तक अज्ञात हैं। इस लेख का उद्देश्य इन अनिश्चितताओं को दूर करना है।
वीएफडी के कारण मोटरों को नुकसान
वीएफडी से मोटरों को होने वाली क्षति दो प्राथमिक तरीकों से प्रकट होती है: स्टेटर वाइंडिंग क्षति और बीयरिंग क्षति, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। ऐसी क्षति आम तौर पर कई हफ्तों से लेकर एक वर्ष से अधिक की समय सीमा के भीतर होती है। विशिष्ट अवधि कई कारकों पर निर्भर करती है, जिसमें वीएफडी ब्रांड, मोटर ब्रांड, मोटर पावर रेटिंग, वीएफडी वाहक आवृत्ति, वीएफडी और मोटर के बीच केबल की लंबाई और परिवेश का तापमान शामिल है। समय से पहले मोटर विफलता से उद्यमों को काफी आर्थिक नुकसान होता है। इन नुकसानों में न केवल मरम्मत और प्रतिस्थापन लागत शामिल है, बल्कि अधिक गंभीर रूप से, अप्रत्याशित उत्पादन डाउनटाइम का वित्तीय प्रभाव भी शामिल है। इसलिए, मोटर चलाने के लिए वीएफडी का उपयोग करते समय, मोटर क्षति का मुद्दा महत्वपूर्ण ध्यान देने की मांग करता है।
वेरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव और लाइन फ़्रीक्वेंसी ड्राइव के बीच अंतर
यह समझने के लिए कि वैरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव स्थितियों के तहत लाइन फ़्रीक्वेंसी मोटर्स के क्षतिग्रस्त होने की संभावना अधिक क्यों होती है, सबसे पहले वैरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव द्वारा आपूर्ति किए गए वोल्टेज और लाइन फ़्रीक्वेंसी वोल्टेज के बीच के अंतर को समझना होगा। फिर, किसी को यह समझना चाहिए कि ये अंतर मोटर पर कैसे प्रतिकूल प्रभाव डालते हैं।
यह समझने के लिए कि लाइन आवृत्ति ऑपरेशन की तुलना में वीएफडी ड्राइव स्थितियों के तहत मोटरों को नुकसान होने की अधिक संभावना क्यों है, हमें पहले वीएफडी द्वारा आपूर्ति किए गए वोल्टेज और लाइन आवृत्ति वोल्टेज के बीच अंतर की जांच करनी चाहिए। फिर हमें यह समझना चाहिए कि ये अंतर मोटर पर कैसे नकारात्मक प्रभाव डालते हैं।
एक परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव की मूल संरचना चित्र 2 में दिखाई गई है, जिसमें दो मुख्य खंड शामिल हैं: रेक्टिफायर सर्किट और इन्वर्टर सर्किट। रेक्टिफायर सर्किट मानक डायोड और फिल्टर कैपेसिटर का उपयोग करके एक डीसी वोल्टेज आउटपुट सर्किट बनाता है। इन्वर्टर सर्किट इस डीसी वोल्टेज को पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेटेड वोल्टेज वेवफॉर्म (पीडब्लूएम वोल्टेज) में परिवर्तित करता है। नतीजतन, वीएफडी से मोटर को चलाने वाला वोल्टेज तरंगरूप अलग-अलग पल्स चौड़ाई वाला एक पल्स तरंगरूप है, न कि साइनसॉइडल वोल्टेज तरंगरूप। इस स्पंदित वोल्टेज के साथ मोटर चलाना मोटर क्षति का मूल कारण है।
मोटर स्टेटर वाइंडिंग्स को इन्वर्टर क्षति का तंत्र
जब पल्स वोल्टेज केबलों के माध्यम से फैलता है, तो केबल और लोड के बीच बेमेल प्रतिबाधा लोड के अंत में प्रतिबिंब का कारण बनती है। इन प्रतिबिंबों के परिणामस्वरूप आपतित और परावर्तित तरंगों का सुपरपोजिशन होता है, जिससे काफी अधिक वोल्टेज उत्पन्न होता है। उनका आयाम डीसी बस वोल्टेज के दोगुने तक पहुंच सकता है {{2}इन्वर्टर इनपुट वोल्टेज के लगभग तीन गुना {{3}जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। मोटर स्टेटर वाइंडिंग्स पर लगाए गए अत्यधिक उच्च स्पाइक वोल्टेज के कारण वोल्टेज में वृद्धि होती है। बार-बार ओवरवॉल्टेज बढ़ने से समय से पहले मोटर खराब हो सकती है।
वोल्टेज स्पाइक्स के अधीन होने के बाद एक चर आवृत्ति ड्राइव द्वारा संचालित मोटर का वास्तविक जीवनकाल तापमान, संदूषण, कंपन, वोल्टेज, वाहक आवृत्ति और कॉइल इन्सुलेशन की विनिर्माण प्रक्रिया सहित कई कारकों पर निर्भर करता है।
फ़्रीक्वेंसी कनवर्टर की वाहक आवृत्ति जितनी अधिक होगी, आउटपुट करंट वेवफ़ॉर्म साइन वेव के उतना ही करीब पहुंचेगा। इससे मोटर का परिचालन तापमान कम हो जाता है, जिससे इन्सुलेशन का जीवनकाल बढ़ जाता है। हालाँकि, उच्च वाहक आवृत्ति का अर्थ है प्रति सेकंड अधिक स्पाइक वोल्टेज उत्पन्न होना, जिसके परिणामस्वरूप मोटर पर अधिक बार प्रभाव पड़ता है। चित्र 4 दिखाता है कि इन्सुलेशन का जीवनकाल केबल की लंबाई और वाहक आवृत्ति के साथ कैसे भिन्न होता है। ग्राफ इंगित करता है कि 200-फुट केबल के लिए, वाहक आवृत्ति को 3 kHz से 12 kHz (चार गुना वृद्धि) तक बढ़ाने से इन्सुलेशन जीवन लगभग 80,000 घंटे से 20,000 घंटे (चार गुना कमी) कम हो जाता है।
इन्सुलेशन पर वाहक आवृत्ति का प्रभाव
मोटर का तापमान जितना अधिक होगा, इन्सुलेशन का जीवनकाल उतना ही कम होगा। जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, जब तापमान 75 डिग्री तक बढ़ जाता है, तो मोटर का जीवनकाल केवल 50% तक कम हो जाता है। परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव (वीएफडी) द्वारा संचालित मोटर्स उपयोगिता आवृत्ति वोल्टेज द्वारा संचालित मोटर्स की तुलना में काफी अधिक तापमान का अनुभव करते हैं, पीडब्लूएम वोल्टेज में उच्च आवृत्ति घटकों का उच्च अनुपात होता है।
मोटर बियरिंग्स को वेरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव क्षति का तंत्र
मोटर बीयरिंगों में परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव क्षति का कारण बीयरिंगों के माध्यम से धारा का प्रवाह है, जो रुक-रुक कर जुड़े हुए अवस्था में होता है। रुक-रुक कर जुड़े सर्किट आर्क उत्पन्न करते हैं, और ये आर्क बीयरिंग को जला देते हैं।
दो प्राथमिक कारण एसी मोटर बीयरिंग के माध्यम से विद्युत प्रवाह को प्रेरित करते हैं: पहला, आंतरिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र असंतुलन से प्रेरित वोल्टेज; दूसरा, आवारा धारिता द्वारा निर्मित उच्च आवृत्ति धारा पथ।
एक आदर्श एसी इंडक्शन मोटर में, आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र सममित होता है। जब तीन चरण वाइंडिंग में धाराएं बराबर होती हैं और चरण 120 डिग्री स्थानांतरित हो जाते हैं, तो मोटर शाफ्ट पर कोई वोल्टेज प्रेरित नहीं होता है। हालाँकि, जब इन्वर्टर से पीडब्लूएम वोल्टेज आउटपुट मोटर के भीतर चुंबकीय क्षेत्र विषमता का कारण बनता है, तो शाफ्ट पर वोल्टेज प्रेरित होता है। यह वोल्टेज आमतौर पर 10 से 30V तक होता है, जो ड्राइव वोल्टेज पर निर्भर करता है। उच्च ड्राइव वोल्टेज के परिणामस्वरूप उच्च शाफ्ट वोल्टेज होता है। यदि यह वोल्टेज बेयरिंग के भीतर चिकनाई वाले तेल की इन्सुलेशन शक्ति से अधिक हो जाता है, तो एक विद्युत पथ बनता है। जैसे ही शाफ्ट घूमता है, चिकनाई वाले तेल का इन्सुलेशन समय-समय पर वर्तमान प्रवाह को बाधित करता है। यह प्रक्रिया एक यांत्रिक स्विच की स्विचिंग क्रिया से मिलती-जुलती है, जिससे चाप उत्पन्न होता है जो शाफ्ट, गेंदों और बीयरिंग रेस की सतहों को नष्ट कर देता है, जिससे गड्ढे बन जाते हैं। बाहरी कंपन के बिना, मामूली गड्ढे न्यूनतम प्रभाव डालते हैं। हालाँकि, बाहरी कंपन के साथ संयुक्त होने पर, यह खांचे बनाता है जो मोटर संचालन को महत्वपूर्ण रूप से ख़राब करता है।
इसके अतिरिक्त, प्रयोगों से संकेत मिलता है कि शाफ्ट पर वोल्टेज इन्वर्टर के आउटपुट वोल्टेज की मौलिक आवृत्ति से भी संबंधित है। मौलिक आवृत्ति जितनी कम होगी, शाफ्ट पर वोल्टेज उतना अधिक होगा, जिसके परिणामस्वरूप अधिक गंभीर बीयरिंग क्षति होगी।
प्रारंभिक ऑपरेशन चरण के दौरान जब स्नेहक तापमान कम होता है, तो वर्तमान आयाम 5 से 200 एमए तक होता है। इतनी कम धारा से बीयरिंग को कोई नुकसान नहीं होता है। हालाँकि, लंबे समय तक संचालन के बाद, जैसे-जैसे स्नेहक का तापमान बढ़ता है, चरम धाराएँ 5 से 10 ए तक पहुँच सकती हैं। यह उभरने को प्रेरित करता है, जिससे असर वाली सतहों पर सूक्ष्म गड्ढे बन जाते हैं।
मोटर स्टेटर वाइंडिंग्स की सुरक्षा करना
जब केबल की लंबाई 30 मीटर से अधिक हो जाती है, तो आधुनिक परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव (वीएफडी) अनिवार्य रूप से मोटर टर्मिनलों पर स्पाइक वोल्टेज उत्पन्न करते हैं, जिससे मोटर का जीवनकाल छोटा हो जाता है। दो दृष्टिकोण मोटर क्षति को रोकते हैं: उच्च वाइंडिंग इन्सुलेशन ब्रेकडाउन ताकत वाले मोटरों का उपयोग करना (आमतौर पर वीएफडी संगत मोटर कहा जाता है) या स्पाइक वोल्टेज को कम करने के उपायों को लागू करना। पहला नई परियोजनाओं के लिए उपयुक्त है, जबकि दूसरा मौजूदा मोटरों की रेट्रोफिटिंग के लिए आदर्श है।
वर्तमान में, चार सामान्य मोटर सुरक्षा विधियाँ कार्यरत हैं:
(1) इन्वर्टर आउटपुट पर रिएक्टर स्थापित करना: यह सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला तरीका है। हालाँकि, ध्यान दें कि छोटी केबलों (30 मीटर से कम) के लिए प्रभावी होते हुए भी, इसका प्रदर्शन कभी-कभी इष्टतम से कम हो सकता है, जैसा कि चित्र 6(सी) में दिखाया गया है।
(2) इन्वर्टर आउटपुट पर एक डीवी/डीटी फिल्टर स्थापित करना: यह 300 मीटर से कम लंबाई वाली केबल के लिए उपयुक्त है। हालांकि रिएक्टरों की तुलना में थोड़ा अधिक महंगा है, यह काफी बेहतर परिणाम देता है, जैसा कि चित्र 6 (डी) में दिखाया गया है।
(3) इन्वर्टर आउटपुट पर साइन वेव फ़िल्टर स्थापित करना: यह सबसे आदर्श समाधान है। पीडब्लूएम पल्स वोल्टेज को साइन वेव वोल्टेज में परिवर्तित करके, मोटर लाइन फ़्रीक्वेंसी वोल्टेज के समान परिस्थितियों में संचालित होती है। यह दृष्टिकोण स्पाइक वोल्टेज समस्या को पूरी तरह से हल करता है (केबल की लंबाई की परवाह किए बिना स्पाइक वोल्टेज नहीं होगा)।
(4) केबल मोटर इंटरफ़ेस पर स्पाइक वोल्टेज अवशोषक स्थापित करना: पिछले उपायों की कमियां यह हैं कि रिएक्टर या फिल्टर भारी, भारी और उच्च शक्ति मोटरों के लिए महंगे हो जाते हैं। इसके अतिरिक्त, रिएक्टर और फिल्टर दोनों वोल्टेज ड्रॉप का कारण बनते हैं जो मोटर आउटपुट टॉर्क को कम करते हैं। इन्वर्टर स्पाइक वोल्टेज अवशोषक का उपयोग इन सीमाओं को पार कर जाता है। CASIC की दूसरी अकादमी के 706 संस्थान द्वारा विकसित SVA सर्ज वोल्टेज अवशोषक उन्नत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और बुद्धिमान नियंत्रण तकनीक का उपयोग करता है, जो इसे मोटर क्षति को रोकने के लिए एक आदर्श समाधान बनाता है। इसके अलावा, एसवीए सर्ज अवशोषक मोटर बीयरिंग की भी सुरक्षा करता है।