變頻電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別

2019年3月25日來源：防爆云平臺(tái)--防爆產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)平臺(tái) 防爆空調(diào) 防爆電氣防爆電機(jī) 防爆風(fēng)機(jī) 防爆通訊瀏覽 2253 次評(píng)論 0 次

變頻電機(jī)是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，以100%額定負(fù)載在10%~100%額定速度范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，溫升不會(huì)超過該電機(jī)標(biāo)定容許值的電機(jī)。

一、普通異步電動(dòng)機(jī)都是按恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。以下為變頻器對(duì)電機(jī)的影響

1、電動(dòng)機(jī)的效率和溫升的問題

不論那種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)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(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加，為顯著的是轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)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(huì)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(huì)使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)絕緣強(qiáng)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(dòng)機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對(duì)電動(dòng)機(jī)施加陡度很大的沖擊電壓，使電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成威脅，對(duì)地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。

3、諧波電磁噪聲與震動(dòng)

普通異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電時(shí)，會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的震動(dòng)和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的各構(gòu)件的固有震動(dòng)頻率。

4、電動(dòng)機(jī)對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的適應(yīng)能力

由于采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動(dòng)，并可利用變頻器所供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng)造了條件，因而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)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(shí)的冷卻問題

首先，異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較底時(shí)，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通異步電動(dòng)機(jī)再轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動(dòng)機(jī)的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

6、變頻電機(jī)工作原理

下圖(a)是拆開的風(fēng)扇電機(jī)的照片，風(fēng)扇采用的是變頻電機(jī)，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(jī)控制電路板，控制芯片將集DSP功能與驅(qū)動(dòng)器于一體，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。通過對(duì)控制芯片編程，可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

二、變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

1、電磁設(shè)計(jì)

對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來說，再設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，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(shí)直接啟動(dòng)，因此，過載能力和啟動(dòng)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(dòng)機(jī)對(duì)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(bǔ)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。

3)變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)，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(jì)

再結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、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(jí)，一般為F級(jí)或更高，加強(qiáng)對(duì)地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

2)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問題，要充分考慮電動(dòng)機(jī)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(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

4)防止軸電流措施，對(duì)容量超過160KW電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱，也會(huì)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(shí)，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(duì)恒功率變頻電動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時(shí)，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤(rùn)滑脂，以補(bǔ)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)是很難直接控制的，在電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)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(shí)U1和Eg都比較小，這時(shí)不能忽略，可以人為的抬高U1去補(bǔ)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(shí)，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(jī)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(jī)如以上圖所示的變頻調(diào)速特性。同時(shí)這也是變頻電機(jī)調(diào)速的V/F曲線圖。在實(shí)際運(yùn)用中，V/F開環(huán)控制也是沿著這條曲線進(jìn)行的。

三、實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)比

1，電機(jī)的效率和溫升在變頻驅(qū)動(dòng)下，變頻電機(jī)效率會(huì)高10%左右，而溫升會(huì)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(jī)對(duì)于需要頻繁啟動(dòng)、頻繁調(diào)速、頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合，要優(yōu)于普通電動(dòng)機(jī)。

3，在電磁噪聲和振動(dòng)方面，變頻電機(jī)在變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)較普通電動(dòng)機(jī)有更低的噪音和更小的電磁振動(dòng)。

4，電動(dòng)機(jī)的絕緣強(qiáng)度問題。由于變頻電機(jī)專為變頻器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，所以能承受較大的du/dt，所以變頻電動(dòng)機(jī)的絕緣強(qiáng)度要高。尤其是在DTC控制模式下，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣強(qiáng)度是個(gè)很大的考驗(yàn)。

5，主要的區(qū)別，還是變頻電動(dòng)機(jī)有額外的散熱(采用獨(dú)立的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng))，在低頻、直流制動(dòng)和一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合下的散熱要大大的優(yōu)于普通的交流異步電動(dòng)機(jī)。

采用交流變頻調(diào)速電機(jī)比直流調(diào)速電機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn):

( 1)調(diào)速容易 ,而且節(jié)能。

( 2)交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、慣量小、造價(jià)低、維修容易、耐用。

( 3)可以擴(kuò)大容量 ,實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運(yùn)行。

( 4)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和快速制動(dòng)。

( 5)無火花、防爆、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

變頻調(diào)速已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級(jí)變速傳動(dòng)。

特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻電機(jī)的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由于變頻電機(jī)在變頻控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機(jī)的身影。

國(guó)產(chǎn)化高壓變頻裝置的社會(huì)效益顯著,主要有節(jié)能,從而節(jié)約資源,減少環(huán)境污染。消除電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)沖擊以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊,降低電動(dòng)機(jī)和設(shè)備故障率。提高控制精度和自動(dòng)化程度。變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益也非常顯著,對(duì)于泵和風(fēng)機(jī),流體流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比,而功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,轉(zhuǎn)速降低,電機(jī)功耗以三次方下降,因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果非常顯著。如果流量由降到,則轉(zhuǎn)速降到,則轉(zhuǎn)速降到,壓頭降到,而電機(jī)的功耗降到,理論上節(jié)能。如果原本采用風(fēng)門、閥門調(diào)節(jié),流量降低、壓頭增加,電機(jī)功率減少,這樣,變頻調(diào)速比風(fēng)門、閥門類調(diào)節(jié)節(jié)能。除了節(jié)能增效外,對(duì)于不同的負(fù)載,還有一些間接的經(jīng)濟(jì)效益,主要有功率因數(shù)得以提高實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)減小啟動(dòng)力矩對(duì)電機(jī)的電氣機(jī)械損傷控制平滑、穩(wěn)定、精度高。

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