【壓縮機(jī)網(wǎng)】普通異步電動(dòng)機(jī)都是按恒頻率、恒電壓運(yùn)行方案設(shè)計(jì)的，額定工作點(diǎn)附近比較窄的區(qū)域內(nèi)能夠按設(shè)計(jì)預(yù)期高效運(yùn)行，一般不宜用于寬范圍變頻調(diào)速。有些客戶基于成本的考慮，直接拿普通異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)變頻電機(jī)用，導(dǎo)致電機(jī)故障頻發(fā)或使用壽命縮短。

 

　　實(shí)際上，不少的電機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)了寬頻電機(jī)，專門用于寬范圍變頻調(diào)速場(chǎng)合。那么，話題回到“普通異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)變頻電機(jī)用”這一命題，究竟這種簡(jiǎn)單粗暴的應(yīng)用有怎樣的潛在危害?有無升級(jí)到寬頻電機(jī)的必要？今天我們從理論分析入手，理清故障頻發(fā)的內(nèi)在機(jī)理，簡(jiǎn)要說明問題。

 

　　效率降  溫升增

 

　　所有的變頻器在運(yùn)行中都會(huì)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。變頻器的高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗的增加，z*為顯著的是轉(zhuǎn)子銅耗。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)在變頻器條件下使用，z*為直接的是溫升的增加，特別是對(duì)于IP２３系列電機(jī)影響更為嚴(yán)重。

 

　　低速時(shí)冷卻效果變差

 

　　s*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。當(dāng)電源頻率較低時(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)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量減小明顯，使電動(dòng)機(jī)冷卻狀況變壞，直接結(jié)果是溫升急劇增加，也難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

 

　　絕緣強(qiáng)度無法滿足

 

　　變頻器的載波頻率非常高（約為幾千到十幾千赫），會(huì)使電機(jī)定子繞組承受很高的電壓，使電機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)，并對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成威脅，z*終的結(jié)果是電機(jī)因匝間 、相間和對(duì)地故障，嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為繞組過載。因相間絕緣和對(duì)地絕緣的設(shè)計(jì)裕度都相對(duì)較大，電機(jī)更多的表現(xiàn)為匝間和過載，但對(duì)于自動(dòng)嵌線機(jī)加工的不加相間塊的定子，相對(duì)故障也會(huì)相對(duì)較多。

 

　　導(dǎo)致電磁噪音和振動(dòng)問題

 

　　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)等因素所引起的振動(dòng)和噪聲問題更加復(fù)雜。變頻電源中各次時(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，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的電磁高頻噪聲并伴有一定程度的振動(dòng)。

 

　　結(jié)構(gòu)疲勞和絕緣老化

 

　　采用變頻器供電，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，但電動(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。

 

　　高性能變頻器的應(yīng)用給電機(jī)行業(yè)帶來革命性變革，大多數(shù)電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備用靜止可調(diào)變頻電源取代了調(diào)壓器和變頻機(jī)組。但終端客戶大多工頻供電，必然帶來一個(gè)不容忽視的隱患：靜止可調(diào)變頻電源供電時(shí)電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，工頻供電可能無法正常起動(dòng)。

 

　　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。

 

　　針對(duì)以上情況，變頻電機(jī)采用以下設(shè)計(jì)：

 

　　1、盡可能減小定子和轉(zhuǎn)子電阻，降低基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增加

 

　　2、主磁場(chǎng)不飽和設(shè)計(jì)，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)矩可適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓

 

　　3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是絕緣等級(jí)提高；對(duì)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲問題充分考慮；冷卻方式采用強(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)方式，強(qiáng)冷風(fēng)扇的作用就是為了保證電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的冷卻。

 

　　4、變頻電機(jī)的線圈分布電容小一點(diǎn)，矽鋼片的電阻大些，這樣高頻脈沖對(duì)電機(jī)的影響就小了，電機(jī)的電感濾波效果要好些。

 

　　5、普通電機(jī)即工頻電機(jī)只需要考慮啟動(dòng)過程和工頻一個(gè)點(diǎn)的工作情況，然后設(shè)計(jì)電機(jī)；而變頻電機(jī)需要考慮啟動(dòng)過程和變頻范圍內(nèi)的所有點(diǎn)工作情況，然后設(shè)計(jì)電機(jī)。

 

　　6、為了適應(yīng)變頻器輸出的PWM調(diào)寬波模擬正弦交流電含有大量諧波，專門制作的變頻電機(jī)，其作用實(shí)際上可理解為電抗器加普通電機(jī)。

 

　　如何區(qū)分普通電機(jī)和變頻電機(jī)？

 

　　一.普通電機(jī)和變頻電機(jī)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

 

　　01.絕緣等級(jí)要求更高

 

　　一般變頻電機(jī)的絕緣等級(jí)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。

 

　　02.變頻電機(jī)的振動(dòng)、噪聲要求更高

 

　　變頻電機(jī)要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性(公眾號(hào):泵管家)，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。

 

　　03.變頻電機(jī)冷卻方式不同

 

　　變頻電機(jī)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)。

 

　　04.保護(hù)措施要求不同

 

　　對(duì)容量超過160KW變頻電動(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。 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。

 

　　05.散熱系統(tǒng)不同

 

　　變頻電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立電源供電，保證持續(xù)的散熱能力。

 

　　二.普通電機(jī)和變頻電機(jī)設(shè)計(jì)上的區(qū)別

 

　　01.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。

 

　　02.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是要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。