SpiKeGuard™ Isolatie Systeem

SPANNING METEN IN DE MOTOR. Regelaars met hogere voedingsspanningen tussen de 500-700 VAC, veroorzaken hoge spanningspieken aan de motorklemmen. De exacte hoogte hangt af van de regelaar, de gebruikte kabel(lengte), motor en de toepassing. Echter, de spanning die de wikkeldraad ‘ziet’, en niet de spanning aan de klemmen, is het kritieke punt. Tests worden meestal uitgevoerd door twee stukken draad te twisten en de hoge testspanning van de ene draad naar de andere toe te passen. Deze situatie zou natuurlijk nooit in een motor mogen voorkomen als die goed is ontworpen en geproduceerd. Spanningen aan de motor-klemmen worden verdeeld over vele windingen draad in een spoel in de motor, die vervolgens (hoewel ongelijk) verdeeld worden over vele windingen in elke spoel. Het doel in het ontwerp is om ervoor te zorgen dat de spanning tussen twee draden onder veilige niveaus blijft, rekening houdend met hun isolatie.

VERSCHILLENDE DRADEN VAN VERSCHILLENDE FABRIKANTEN. Niet alleen is de draad anders, maar fabrikanten introduceren ook nieuwe versies of generaties van draad. Om de kwestie nog ingewikkelder te maken, zijn er geen normen voor het testen of beoordelen van draad of enig ander isolatiecomponent voor gebruik op regelaars. SPIT werkt nauw samen met draadfabrikanten bij het ontwikkelen van nieuwe generatie producten om ervoor te zorgen dat ze goed samenwerken met andere materialen en productieprocessen. SPIT voert ook eigen tests uit om gegevens van draadfabrikanten aan te vullen en te verifiëren.

FOUTEN IN DE EERSTE WINDING. Er is veel discussie over ongelijke spanningsverdeling in de spoelen (of de zogenaamde eerste winding fouten) in door omvormer-gevoede motoren. Uit tests en ervaring van SPIT is gebleken dat dit een non-issue is voor kleine motoren (<IEC280), iets dat ‘kan gebeuren’ maar bijna nooit gebeurt. Zelfs motorstoringen die oorspronkelijk werden toebedeeld aan windingsluiting, blijken vaak andere oorzaken te hebben bij nadere analyse. Bij grotere motoren is het wel een probleem. Hier hebben vrijwel alle gerenommeerde motorfabrikanten manieren om met dit probleem om te gaan. Over het algemeen komen fouten in de eerste winding vooral voor bij regelaars met een lage schakelfrequentie of een soort ‘just-in-time’ schakelpatroon. Hierdoor kan de puls dieper in de spoel doordringen.

WAAROM CLAIMEN SOMMIGE FABRIKANTEN GROTE VERBETERINGEN MET DE NIEUWE DRAADTYPEN? Zoals de voorgaande grafieken hebben laten zien, ligt het voordeel van ‘speciaal’ wikkeldraad in situaties waarin de draad wordt blootgesteld aan hoge pieken van de omvormer. Een isolatiesysteem minimaliseert, mits goed ontworpen, de blootstelling van de draad aan deze hoge spanning. Draad met een inverterspecificatie moeten de levensduur van de motor verlengen bij gebruik op een omvormer in een aandrijfsysteem. Het moet ook een veiligheidsmarge bieden. Er mag echter niet op worden vertrouwd als de enige bron van bescherming tegen mogelijke spanningspieken. Als het vervangen van de draad alleen al tot aanzienlijke levensverbeteringen leidt, zou dat een indicatie kunnen zijn van een ernstiger probleem in het fundamentele motorontwerp en de productiemethoden.

SpiKEGUARD™ Element 2 – Spoelen in de statorkern aanbrengen
Technieken en processen die worden gebruikt om de wikkeldraad in de statorkern te steken of te schuiven zijn belangrijker dan de coating die op de draad wordt gebruikt. De coating kan niet effectief zijn als deze beschadigd of ingekerfd is. Speciale aandacht moet niet alleen worden besteed aan de apparatuur en processen die worden gebruikt bij de productie van motoren, maar ook aan de afwegingen die worden gemaakt bij de ontwikkeling van nieuwe draadcoatings. Er moet een evenwicht worden bereikt bij het overwegen van coronaweerstand, flexibiliteit en slijtvastheid.

METHODEN VOOR HET WIKKELEN. Omdat de spanning over de windingen wordt verdeeld, is het belangrijk dat de wikkeling gelijkmatig verloopt en dat de draden niet willekeurig elkaar kruisen. Er zijn verschillende manieren om dit te bereiken met behulp van verschillende soorten wikkelmallen en spoel inbreng spieen, of met handmatige wikkelprocessen. De afweging hier is draadpositie versus draadschade. SPIT heeft automatische wikkelmallen en inserters van hoge kwaliteit geselecteerd, gebouwd volgens onze specificaties, voor de productie van kleinere motoren. Grotere motoren worden, afhankelijk van het ontwerp, met de hand of machinaal gewikkeld. In elk geval wordt er zorg voor gedragen dat de beste kwaliteit wordt gegarandeerd. Dit omvat speciale training voor productiemedewerkers die betrokken zijn bij het wikkelen van motoren met invertervermogen.

Sommige fabrikanten gebruiken zogenaamde ‘in slot’-winders. Bij deze wikkelmethode loopt de draad door ‘naalden’ die de draad via de smalle gleufopening rechtstreeks in de gleuf voeren. Maar de draad moet voor elke winding heen en weer lopen over de lengte van de stator en rond de blikvingers aan elk uiteinde. Vergelijk dit met draad die soepel van een spoel op een mal komt en de afgewerkte spoelen in één keer inbrengt. Er zijn duidelijk afwegingen. Het genoemde voordeel van in-slot wikkelen is de mogelijkheid (in theorie) om de draad ‘automatisch in de sleuf te positioneren’ of in lagen te leggen, waarbij het begin en het einde van de spoel zo ver mogelijk uit elkaar worden gehouden. Omdat de draad vrij kan bewegen, zijn de spoelen in de praktijk nooit perfect. En zoals gezegd is een ordelijke wikkeling het doel van elke methode.

Het punt is dat er geen duidelijke ‘beste manier’ is om statoren in de dagelijkse productie te wikkelen. Als dat zo was, zou iedereen het gebruiken. De sleutel tot succes is het selecteren van een beproefde methode, het ontwerpen ervan en het perfectioneren ervan. De resultaten zullen voor zich spreken.

ISOLATIEMATERIALEN. De beste wikkelaar kan slechte blikpakketten of groefisolatie die niet geschikt is voor de toepassing niet goedmaken. SPIT maakt gebruik van een verscheidenheid aan hoogwaardige isolatiematerialen (polyesterfilms en laminaten zoals natuurlijk Mica, DMD, NMN) die specifiek zijn afgestemd op het productieproces en de isolatieklasse.

SpiKEGUARD™ Element 3 – Isoleer alle kritieke gebieden

GROEF ISOLATIE. Het is van cruciaal belang dat alle uitlopers van de spoelen op de juiste manier worden omhuld, afhankelijk van hun locatie en de spanning waaraan ze zullen worden blootgesteld. Deze uitlopers moeten mogelijk over spoelen lopen van andere fasen waar de spanningsverschillen het grootst zullen zijn. Alleen vertrouwen op de draadcoating zou een vergissing zijn. Om deze uitlopers adequaat te beschermen, is het vaak nodig dat de isolatiebuis zich uitstrekt van het klemmenbord tot (ver) in de statorgleuf.

FASE ISOLATIE. Fase-isolatie kan het moeilijkste onderdeel van het gehele wikkelproces zijn, en van cruciaal belang. Het is het enige isolatiecomponent dat specifiek is ontworpen om spoelen en draden van verschillende fasen te scheiden (waar de grootste potentiaal verschillen aanwezig zijn). Sommige fabrikanten hebben juist hierop bezuinigd. Dunnere materialen (of helemaal geen isolatie) of onjuist geplaatste fase-isolatie kunnen onopgemerkt blijven bij motoren die bedoeld zijn voor laagspanning of uitsluitend voor sinusvormige spanning. Maar tegenwoordig worden er steeds meer motoren op een omvormer aangesloten. Terwijl sommige fabrikanten tussenfase-isolatie aanbrachten in motoren die dit oorspronkelijk niet hadden, was SPIT druk bezig met het zoeken naar manieren om onze fase-isolatie, die altijd al werd aangebracht door ons, te verbeteren.

VERBINDING ISOLATIE. Er zijn veel manieren om de verbindingen tussen uitlopers en spoelen te maken en te isoleren. SPIT blijft altijd zoeken naar verbeterde methoden. Maar voorlopig worden verbindingen nog steeds voorzien van tape of isolatiebuis om ze op te vullen en te beschermen, wat een hoog niveau van elektrische en mechanische sterkte oplevert. Verbindingen die door de isolatie heen prikken zijn een veelvoorkomend probleem bij motoren aan een omvormer, maar ook een punt waar u zich geen zorgen over hoeft te maken bij motoren die opnieuw zijn ontworpen door SPIT.

BANDAGEREN EN TUSSENBLOKKEN. SPIT zorgt ervoor dat de wikkelingen goed worden ondersteund en vastgezet, omdat in door omvormer aangedreven motoren andere trillingspatronen kunnen optreden dan motoren die direct op het net aangesloten zijn.

THERMISCHE OVERWEGINGEN. Vanwege harmonische verliezen kunnen omvormer gestuurde motoren heter worden dan wanneer ze rechtstreeks door het net worden gevoed. Zorg ervoor dat het koelsysteem van de motor (vaak de ventilator en de vinnen) voldoende efficiënt is.

SpiKEGUARD™ Element 4 – Impregneren
Om effectief te zijn, moet de lak goed in de sleuven en tussen de draden doordringen. Bij motoren met ronddraad gewikkelde motoren vervangt de lak de lucht rondom en tussen de draden. Dit verkleint de hoeveelheid lucht die kan ioniseren of tot ozon kan omzetten. Een dikkere laklaag aan de buitenkant van de spoel betekent niet dat de hars ook daadwerkelijk in de spoel is doorgedrongen. Er moet ook op worden gelet dat de juiste hard wordt gekozen voor het gebruikte draadtype. Uit tests is gebleken dat sommige harsen de levensduur van draden met omvormer-rating daadwerkelijk verkorten, ook al zijn ze chemisch compatibel.

Het komt erop neer dat SpiKEGUARD™ een isolatiesysteem vertegenwoordigt dat bestaat uit kwaliteitsklasse F- en klasse H-componenten, ontworpen om samen te werken en op de juiste manier te worden geïmplementeerd. Het is een systeem dat op meer dan één manier geschikt is voor omvormers.

DEFINITIES

Besturing: ook wel omvormer of converter genoemd, is een elektronisch apparaat dat een AC- of DC-ingangsstroom omzet in een gecontroleerde AC-uitgangsspanning of -stroom (zoals gedefinieerd in verschillende IEC-, NEMA- en IEEE-normen)

Corona: een vonkende ontlading die wordt geproduceerd in de buurt van een geleider, zonder deze sterk te verwarmen, als gevolg van ionisatie van de lucht rondom de geleider, veroorzaakt door een spanningsgradiënt die een bepaalde kritische waarde overschrijdt.

Corona-aanvangsspanning: de laagste of beginspanning waarbij continue corona optreedt.

Aandrijving: de apparatuur die wordt gebruikt voor het omzetten van elektrisch vermogen in mechanisch vermogen dat geschikt is voor de bediening van een machine. Een omvormer is een combinatie van een stroomomvormer (besturing), motor en eventuele op de motor gemonteerde hulpapparatuur (zoals gedefinieerd in IEC-, NEMA- en IEEE-normen).

dU/dt: letterlijk delta (verandering in) volt gedeeld door delta (verandering in) tijd. Het is de helling of snelheid waarmee de spanning in de loop van de tijd verandert van een spanningspuls of golfvorm. Normaal gesproken wordt dit gemeten in volt per microseconde (V/µs). Een moderne IGBT-aandrijving heeft een waarde van ergens tussen de 6 tot 10 kV/µs.

IGBT (isolated gate bipolar transistor): een halfgeleider component dat veel wordt gebruikt in de vermogenselektronica, vooral in situaties die een hoog rendement en snel schakelen vereisen. Het combineert de eenvoudige gate-drive karakteristieken van metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistors (MOSFET’s) met het hoge stroom- en lage verzadigingsspanningsvermogen van bipolaire transistors. gebruikt in moderne PWM-omvormers.

Nanoseconde (ns): Een miljardste van een seconde.

Ozon: een lichtblauw gas met een duidelijke, scherpe geur. Een vorm van zuurstof, 03. Dit gas zal reageren met bepaalde organische verbindingen.

Piekspanning: de momentane piekwaarde, normaal gesproken de maximale spanningswaarde.

PWM (pulsbreedte modulatie): Een besturingsmethode die de pulsbreedte varieert om een gewenste golfvorm te produceren.

Stijgtijd: het tijdsinterval van de voorflank tussen het moment waarop de waarde een gespecificeerde onder- en bovengrens bereikt. Dit kan 10% tot 90% (normaal gesproken) van de piekwaarde zijn, of van de steady-state-waarde. Beide definities worden gebruikt, waardoor regelmatig verwarring ontstaat. IEC gebruikt de steady-state-waarde. Waarden van 50-70 ns (nanoseconden) zijn gebruikelijk voor de nieuwste IGBT-modules; waarden van 200-300 ns komen voornamelijk nog voor op oudere omvormers.

Spanningspiek: een vervorming (waarvan gewoonlijk wordt aangenomen dat deze een relatief hoge spanning heeft) in een spanningspuls van relatief korte duur, gesuperponeerd op een anderszins regelmatige of gewenste golfvorm.

Hoe werkt de omvormer – motor combinatie?

De verkorte versie van hoe een AC PWM variabele frequentieregeling werkt, is als volgt. Als eerste stap richt de omvormer de AC netspanning gelijk naar een DC spanning. Dit noemt men de tussenkring. Vervolgens produceert de regeling met behulp van vermogenselektronica zoals transistors of SCRs een stroom van pulsen die de gewenste spanning en frequentie ‘simuleren’. De afbeelding aan de rechterkant toont een sinusgolf (AC) lijnspanning, bovenop de gepulste omvormeruitgang, of ‘gesimuleerde’ AC. Het aantal en de breedte van de pulsen varieert of wordt gemoduleerd (PWM) zodat, als je de pulsen gemiddeld (of gemiddelde, RMS) zou nemen, je dezelfde waarde krijgt als de sinusgolf. Merk op dat de pulsen dezelfde hoogte hebben. Dit klopt omdat de DC-spanning die de regeling gebruikt om deze pulsen te maken bijna constant is als de AC-stroom naar de regeling een constante waarde heeft.

De oorzaak van deze opslingering kan op verschillende manieren worden verklaard. Het kan worden gezien als de elektrische respons van het ‘circuit’ bestaande uit de inductie, weerstand en capaciteit van de motor en kabel op de puls. Of het kan worden gezien als de interactie van pulsen die worden teruggekaatst door de motor en pulsen die afkomstig zijn van de besturing. Hoe dan ook, het resultaat is een piekspanning die ongeveer twee keer zo hoog (vaak nog hoger) is als de puls die de besturing in de eerste plaats heeft afgegeven, met daarnaast de toevoeging van hoogfrequent ‘opslingeren’.