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河北瀾途水泵制造有限公司
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閱讀：1309發(fā)布時間：2022-12-4
一、普通異步電動機都是按恒頻恒壓設(shè)計的，不可能適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。以下為變頻器對電機的影響
1、電動機的效率和溫升的問題
不論那種形式的變頻器，在運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。拒資料介紹，以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為：2u+1(u為調(diào)制比)。
高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加，顯著的是轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗。因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗都會使電動機額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%--20%。
2、電動機絕緣強度問題
目前中小型變頻器，不少是采用PWM的控制方式。他的載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機對地絕緣構(gòu)成威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。
3、諧波電磁噪聲與震動
普通異步電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風(fēng)等因素所引起的震動和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動機工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構(gòu)件的固有震動頻率。
4、電動機對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力
由于采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動，為實現(xiàn)頻繁啟動和制動創(chuàng)造了條件，因而電動機的機械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。
5、低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題
首先，異步電動機的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較底時，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通異步電動機再轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。
6、變頻電機工作原理
下圖(a)是拆開的風(fēng)扇電機的照片，風(fēng)扇采用的是變頻電機，這從線圈所在的位置就可以辨認(rèn)出來。下圖(b)是變頻電機控制電路板，控制芯片將集DSP功能與驅(qū)動器于一體，簡化了電路結(jié)構(gòu)。通過對控制芯片編程，可改變電機轉(zhuǎn)速。
二、變頻電動機的特點
1、電磁設(shè)計
對普通異步電動機來說，再設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應(yīng)能力。方式一般如下：
1) 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗增加。
2)為抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增加電動機的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。
3)變頻電動機的主磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計
再結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題：
1)絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。
2)對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
3)冷卻方式：一般采用強迫通風(fēng)冷卻，即主電機散熱風(fēng)扇采用獨立的電機驅(qū)動。
4)防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。
5)對恒功率變頻電動機，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。
6) 變頻控制原理
Eg=4.44f1N1kn1фm
控制公式
Eg --氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動勢的有效值;
f1 --定子頻率;
N1 --定子每相繞組的串聯(lián)匝數(shù);
kn1 --基波繞組系數(shù);
Φm --每極氣隙磁通量;
基頻以下調(diào)速
由式“控制公式”可知，只要Eg /f1保持為常值，就可以保持фm不變。但是，繞組中的感應(yīng)電動勢是很難直接控制的，在電動勢較高時可以忽略定子繞組的阻抗壓降而認(rèn)定U1≈Eg，則有U1 /f1 = 常值;在低頻時U1和Eg都比較小，這時不能忽略，可以人為的抬高U1去補嘗定子繞組的阻抗壓降。
基頻以上調(diào)速
當(dāng)基頻以上調(diào)速時，頻率往上升高，但U1卻不能比額定電壓U1n還要大，頂多只能使 U1 =U1n。因此，由式"控制公式"可知，這將迫使磁通與頻率成反比，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。
將以上二種情況結(jié)合起來就可以得到異步電機如以上圖所示的變頻調(diào)速特性。同時這也是變頻電機調(diào)速的V/F曲線圖。在實際運用中，V/F開環(huán)控制也是沿著這條曲線進行的。
三、實際應(yīng)用情況對比
1，電機的效率和溫升在變頻驅(qū)動下，變頻電機效率會高10%左右，而溫升會小20%左右，尤其是在矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制的低頻區(qū)域。
2，變頻電機對于需要頻繁啟動、頻繁調(diào)速、頻繁制動的場合，要優(yōu)于普通電動機。
3，在電磁噪聲和振動方面，變頻電機在變頻驅(qū)動時較普通電動機有更低的噪音和更小的電磁振動。
4，電動機的絕緣強度問題。由于變頻電機專為變頻器驅(qū)動設(shè)計，所以能承受較大的du/dt，所以變頻電動機的絕緣強度要高。尤其是在DTC控制模式下，對電動機的絕緣強度是個很大的考驗。
5，最主要的區(qū)別，還是變頻電動機有額外的散熱(采用獨立的軸流風(fēng)機強迫通風(fēng))，在低頻、直流制動和一些特殊應(yīng)用場合下的散熱要大大的優(yōu)于普通的交流異步電動機。
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