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工频电 机在变频条件下使用,有些风险你必须知道!

作者:工频电 机在变频条件下使用,有些风险你必须来源:工频电 机在变频条件下使用,有些风险你必须 浏览次数: 日期:2018-05-10 09:05:53

普通异 步电动机都是按恒频率、恒电压运行方案设计的,额定工 作点附近比较窄的区域内能够按设计预期高效运行,一般不 宜用于宽范围变频调速。有些客 户基于成本的考虑,直接拿 普通异 步电动机当变频电机用,导致电机故障频发或使用寿命缩短。

 

实际上,不少的 电机企业设计开发了宽频电机,专门用 于宽范围变频调速场合。那么,话题回到“普通异 步电动机当变频电机用”这一命题,究竟这 种简单粗暴的应用有怎样的潜在危害?有无升级到宽频电机的必要?今天我 们从理论分析入手,理清故障频发的内在机理,简要说明问题。

 

效率降  温升增

 

所有的 变频器在运行中都会产生不同程度的谐波电压和电流,使电动机在非正弦电压、电流下运行。变频器的高次谐波会引起 电动机定子铜耗、转子铜耗、铁耗及 附加损耗的增加,最为显 著的是转子铜耗。这些损 耗都会使电动机额外发热,效率降低,输出功率减小,如将普 通三相异步电动机在变频器条件下使用,最为直 接的是温升的增加,特别是对于IP23系列电 机影响更为严重

低速时冷却效果变差

 

首先,异步电 动机的阻抗不尽理想,当电源频率较底时,电源中 高次谐波所引起的损耗较大。其次,普通异 步电动机再转速降低时,冷却风 量与转速的三次方成比例减小,致使电 动机的低速冷却状况变坏,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出。当电源频率较低时,电源中 高次谐波所引起的损耗较大。其次,普通异 步电动机转速降低时,冷却风量减小明显,使电动机冷却状况变坏,直接结果是温升急剧增加,也难以 实现恒转矩输出。

 

绝缘强度无法满足

 

变频器 的载波频率非常高(约为几千到十几千赫),会使电 机定子绕组承受很高的电压,使电机的匝间绝缘承受较为严酷的考验,并对电动机对地绝缘构成威胁,最终的 结果是电机因匝间 、相间和对地故障,严重时 表现为绕组过载。因相间 绝缘和对地绝缘的设计裕度都相对较大,电机更 多的表现为匝间和过载,但对于 自动嵌线机加工的不加相间块的定子,相对故 障也会相对较多。

 

导致电 磁噪音和振动问题

 

普通异 步电动机采用变频器供电时,会使由电磁、机械、通风等 因素所引起的振动和噪声问题更加复杂。变频电 源中各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉,形成各种电磁激振力。当电磁 力波频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时,将产生共振现象,会出现 严重的电磁高频噪声并伴有一定程度的振动。

 

结构疲劳和绝缘老化

 

采用变频器供电,电动机 可以在很低的频率和电压下以无冲击 电流的方式启动,并可利 用变频器所供的各种制动方式进行快速制动,为实现 频繁启动和制动创造了条件,但电动 机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下,给机械 结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。  

 

高性能 变频器的应用给电机行业带来革命性变革,大多数 电机试验设备用静止可调变频电源取代了调压器和变频机组。但终端 客户大多工频供电,必然带 来一个不容忽视的隐患:静止可 调变频电源供电时电机能够正常运转,工频供 电可能无法正常起动。

 

电动机对频繁启动、制动的适应能力

 

由于采 用变频器供电后,电动机 可以在很低的频率和电压下以无冲击 电流的方式启动,并可利 用变频器所供的各种制动方式进行快速制动,为实现 频繁启动和制动创造了条件,因而电 动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下,给机械 结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 

 

针对以上情况,变频电机采用以下设计:

 

1、尽可能 减小定子和转子电阻,降低基波铜耗,以弥补 高次谐波引起的铜耗增加

2、主磁场不饱和设计,一是考 虑高次谐波会加深磁路饱和,二是考 虑在低频时为了提高输出转矩可适当提高变频器的输出电压

3、结构设计,主要是绝缘等级提高;对电动机的振动、噪声问题充分考虑;冷却方 式采用强迫通风冷却,即主电 机散热风扇采用独立的电机驱动方式,强冷风 扇的作用就是为了保证电机在低转速下的冷却。

4、变频电 机的线圈分布电容小一点,矽钢片的电阻大些,这样高 频脉冲对电机的影响就小了,电机的 电感滤波效果要好些。

5、普通电 机即工频电机只需要考虑启动过程和工频一个点的工作情况,然后设计电机;而变频 电机需要考虑启动过程和变频范围内的所有点工作情况,然后设计电机。 

6、为了适 应变频器输出的PWM调宽波 模拟正弦交流电含有大量谐波,专门制作的变频电机,其作用 实际上可理解为电抗器加普通电机。

 

如何区 分普通电机和变频电机?

 

一.普通电 机和变频电机结构上的区别


01.绝缘等级要求更高
  一般变 频电机的绝缘等级为F级或更高,加强对 地绝缘和线匝绝缘强度,特别要 考虑绝缘耐冲击电压的能力。


02.变频电机的振动、噪声要求更高
  变频电 机要充分考虑电动机构件及整体的刚性(公众号:泵管家),尽力提高其固有频率,以避开 与各次力波产生共振现象。


03.变频电 机冷却方式不同
  变频电 机一般采用强迫通风冷却,即主电 机散热风扇采用独立的电机驱动。


04.保护措施要求不同
  对容量超过160KW变频电 动机应采用轴承绝缘措施。主要是 易产生磁路不对称,也会产生轴电流,当其他 高频分量所产生的电流结合一起作用时,轴电流将大为增加,从而导致轴承损坏,所以一 般要采取绝缘措施。 对恒功率变频电动机,当转速超过3000/min时,应采用 耐高温的特殊润滑脂,以补偿 轴承的温度升高。


05.散热系统不同
  变频电 机散热风扇采用独立电源供电,保证持续的散热能力。

二.普通电 机和变频电机设计上的区别


01.电磁设计
  对普通 异步电动机来说,再设计 时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机,由于临 界转差率反比于电源频率,可以在 临界转差率接近1时直接启动,因此,过载能 力和启动性能不在需要过多考虑,而要解 决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。

 


02.结构设计
  
在结构设计时,主要也 是要考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷 却方式等方面的影响。

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