U stroje napájeného ze sítě jsou napěťové procesy ve vinutí a jejich vliv na izolační systém dostatečně prozkoumány a známy. Ze znalostí těchto procesů vyplývá i celá metodika návrhu vinutí i izolačního systému.
Jakost izolačního systému se v průběhu historie vývoje asynchronních strojů zvyšovala i díky novým izolačním materiálům a dokonalejším technologiím výroby izolace a tím i celého vinutí. Při zachování prostoru v drážce je současná izolace podstatně napěťově i tepelně odolnější, než byly dřívější izolační systémy, díky jistému předimenzování se u ní zvýšila odolnost proti přepětí a přetížení (obecně proti běžným degradačním vlivům) a v důsledku toho i její životnost a spolehlivost.
U stroje napájeného z měniče je namáhání izolace zcela odlišné. K procesům v dielektriku, které můžeme u klasického napájení považovat téměř za statické, přistupuje dynamické namáhání a vliv přepěťových špiček, které už nejsou ojedinělým jevem s málo pravděpodobným výskytem, ale jevem, který doprovází každý napájecí impuls. Dielektrické jevy vedou ke zvýšení ztrát v izolaci a ke zvýšenému oteplení, dielektrikum se tak stává dalším zdrojem tepla ve stroji. Degradační mechanismy v izolaci jsou pak jiné než u klasicky napájeného stroje, jiná (nižší) je tak i životnost izolace, a naopak vyšší je pravděpodobnost její poruchy.
Kromě samotné velikosti přepětí má rozhodující vliv na namáhání izolace i změna rozložení napětí na vinutí. V důsledku této změny je značně namáhána závitová izolace vstupní cívky a už jen z této příčiny může dojít k jejímu rychlému napěťovému průrazu.
Tepelné namáhání izolačního systému
Oteplování jednotlivých prvků izolačního systému je prvotně zapříčiněno vlivy provozu, tj. proudovým zatížením vodičů, četností spínaní, časovým využitím, a zvláště dobou trvání přechodných dějů (rozběhy, brždění). Záleží rovněž na přípustné přetížitelnosti motoru (velikosti tepelné rezervy). Při napájení z měniče se částečně mění rozložení zdrojů oteplení v závislosti na uvedených provozních stavech, snižuje se podíl přechodných dějů při spouštění a brždění a omezuje se tak i vliv četnosti spínání. Tento příznivý vliv měniče na oteplení je však v protikladu se zhoršeným chlazením (jen u motorů s vlastním chlazením a regulací na nižší otáčky) a zvýšeným vývinem tepla ve všech aktivních i konstrukčních částech díky vlivu harmonických v napájení viz dále.
Teplo je řazeno mezi nejvýznamnější degradační činitele. Za stárnutí izolantů vlivem tepla odpovídají nevratné fyzikálně – chemické děje, které jsou způsobeny oxidací, hydrolýzou (působení vodní páry), pyrolýzou (rozklad teplotou), případně i odpařováním nízkomolekulárních složek. Tyto degradační děje byly u strojů napájených ze sítě dominantní. U stroje napájeného z měniče však nad těmito mechanismy stárnutí převažují dielektrické (polarizační a depolarizační) procesy, přítomnost výbojové činnosti (částečné a klouzavé výboje) a fyzikálně-chemické produkty, doprovázející výboje (např. silně oxidační vlastnosti ozónu).
Elektrické namáhání izolačního systému
Kromě tepelného namáhání se v izolaci projevují i další degradační děje, jejichž prvotní příčinou je elektrické namáhání. Některé z nich jsou ve svém důsledku zdrojem oteplení a tím i další příčinou urychlení teplotního stárnutí. Ve srovnání s klasicky napájeným strojem se jedná především o dielektrické ztráty v izolantu a vliv výbojové činnosti.
Dielektrické ztráty vznikají v izolačním systému působením elektrického pole. Ztrátová energie se pak mění v teplo, kterým se dielektrikum zahřívá. Ztráty vzrůstají se čtvercem kmitočtu. Podle mechanismu vzniku a fyzikální podstaty existují tři druhy dielektrických ztrát: vodivostní, polarizační a ztráty následkem elektrických výbojů.
Následkem překročení mezních parametrů izolace nastává její průraz. Elektrický průraz izolace je obecně náhodný jev.
U dobrého izolačního systému a dobré technologie závisí pravděpodobnost průrazu izolace na:
- počtu slabých míst v izolaci, tj. na její homogenitě
- velikosti a charakteru a době působení a strmosti změn napětí mezi závity
- velikosti jejich styčné plochy
- homogenitě elektrického pole.
Napěťové poměry v soustavě měnič – motor
Zdroj v soustavě měnič – motor generuje posloupnost napěťových pulsů. Tyto napěťové pulsy postupují po vedení, které propojuje měnič s motorem (kabelu) směrem k motoru ve formě šířící se vlny. Vzhledem k rychlosti dějů, které se v soustavě odehrávají, je nutné uvažovat i se skutečností omezené rychlosti šíření vlny a počítat s možností odrazu vlny na rozhraních.
Není-li doba nárůstu napětí na začátku kabelu podstatně větší než doba šíření vlny po kabelu, vznikne nestacionární děj a je možno ve stejném časovém okamžiku naměřit různé napětí na různých místech kabelu. Existuje určitá kritická délka vedení, závislá na době nárůstu napětí a rychlosti šíření po vedení. Pro kabel nízkého napětí a dobu čela rovnou 0,1 μs je tato délka cca 15 m. Napětí na konci vedení může stoupat až na dvojnásobek napětí v meziobvodu. Velikost napětí na svorkách motoru tak závisí i na délce kabelu mezi měničem a motorem a na parametrech kabelu.
Vzhledem k vysoké spínací frekvenci, a především vysoké strmosti napájecích pulsů není možné ani na samotné vinutí motoru pohlížet jako na elektrický obvod se soustředěnými parametry, pro výzkum dějů uvnitř vinutí a v izolaci je nutné elektrický obvod stroje a měniče chápat jako soustavu s rozloženými parametry. Časově rychlé změny napájecího napětí jsou příčinou nabíjecích a vybíjecích přechodných dějů, které mají charakter nabíjecích a vybíjecích pulsů. U izolovaného motoru vzniká na jeho kostře elektrický potenciál, jehož časový průběh je stejný jako průběh součtu okamžitých hodnot napětí všech tří napájecích fází. Toto tzv. souhlasné napětí může u stroje běžné velikosti dosáhnout i hodnot nebezpečných pro obsluhu a být příčinou nesprávné funkce ochran či nekontrolovaných výbojů statického náboje.
Dojde-li u izolovaného motoru ke spojení s nulovým potenciálem přes hřídel, veškerý kapacitní proud z kostry motoru se bude uzavírat cestou, která vede mj. i přes ložiska. V tomto okamžiku je nutno zkoumat i vliv tohoto proudu na konstrukční části stroje.
Závěr
Se změnou způsobu napájení souvisí změna degradačních mechanismů a rovněž jejich vliv na celkovou životnost a spolehlivost asynchronního motoru. Mění se rozložení namáhání jednotlivých uzlů stroje a tím i jejich využití, které může být i výrazně odlišné od projektovaných parametrů. Z hlediska spolehlivosti stroje jako celku je nutné věnovat pozornost především klíčovým uzlům stroje – vinutí a ložiskům.
