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变频器和电机之间的恩怨情仇

    目前很多中小型三相变频器都是采用PWM控制。它的载频在几千到十千赫左右,使电机定子绕组承受较高的电压上升率,相当于给电机施加陡峭的冲击电压,使电机匝间绝缘承受严峻的考验。
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    本文将从电机效率和温升、电机绝缘强度、谐波电磁噪声和振动、电机对频繁启动和制动的适应性以及低速冷却五个方面讨论变频器on电机的影响。

    1.电机的效率和温升。

    无论是变频器,哪种形式,在运行中都会产生不同程度的谐波电压和电流,使电机在非正弦电压和电流下运行。尽管引入了数据,但以目前广泛使用的正弦波PWM类型变频器,其低次谐波基本为零,剩余约为载波频率两倍大的高次谐波分量为2u+1(u为调制指数)。高次谐波会引起定子铜损耗、转子铜(铝)损耗、铁损耗和附加损耗的增加,其中最显著的是转子铜(铝)损耗。由于异步电机以接近基频的同步速度旋转,高次谐波电压以较大的转差率切割转子线棒,会产生较大的转子损耗。此外,还应考虑皮肤效应引起的额外铜消耗。这些损耗会使电机产生额外的热量,降低效率,降低输出功率。比如普通三相异步电动机在变频器输出的非正弦电源下运行,其温升一般会增加10%-20%。

    2.电机绝缘强度。

    目前很多中小型变频器都是采用PWM控制。它的载频在几千到十千赫左右,使电机定子绕组承受较高的电压上升率,相当于给电机施加陡峭的冲击电压,使电机匝间绝缘承受严峻的考验。此外,PWM变频器产生的矩形斩波脉冲电压叠加在电机工作电压上,会对电机对地绝缘造成威胁,对地绝缘在高压反复冲击下会加速老化。

    3.谐波电磁噪声和振动。

    普通异步电机采用变频器,电磁、机械、通风等因素引起的振动和噪声会变得更加复杂。变频电源中包含的每次谐波都会干扰电机电磁部分固有的空间谐波,形成各种电磁激振力。当电磁波的频率与电机本体的固有振动频率一致或接近时,就会发生共振,从而增加噪声。由于电机工作频率范围宽,转速范围宽,很难避免电机各部件的固有振动频率。

    4.电机对频繁启动和制动的适应性。

    由于变频器用于供电,电机可以在非冲击电流模式下以极低的频率和电压启动,并且变频器提供的各种制动模式可用于快速制动,为频繁启动和制动创造了条件。因此,电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。

    5.低速冷却问题。

    首先,异步电动机的阻抗不理想。当电源频率较低时,电源中高次谐波造成的损耗较大。其次,当普通异步电机转速再次下降时,冷却风量与转速的三次方成比例下降,导致电机低速冷却状况恶化,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出。

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