連接到VFD的電動機接收的功率包括可變的基頻，載波頻率和非常快速的電壓建立。這些因素可能產生負面影響，尤其是在使用現有電動機時。當使用變頻驅動器(VFD)為現有感應電動機供電時，可能會出現許多潛在問題。因此，您應該執行。

當使用變頻驅動器(VFD)為現有的感應電動機供電時，可能會出現許多潛在的問題。因此，您應該進行仔細的研究，以確定這些問題是否嚴重到足以引起對此類安裝的重新考慮。使用VFD，通常剩余可用年限的現有電動機可能突然失效。

現有電動機僅設計用于60 Hz，僅50 Hz或60/50 Hz服務。因此，您必須質疑新的VFD是否可以與您現有的電動機匹配，并且仍然使電動機性能相當好。換句話說，電動機是否能夠處理可能導致更大的振動，熱量上升等并可能導致聽覺噪聲增加的其他因素?

高頻可能會導致問題

在將VFD應用于現有電動機時，應注意由高脈沖頻率引起的可能的副作用。這些負面影響包括額外的熱量，可聽見的噪音和振動。同樣，脈沖寬度調制(PWM)電路(請參見側欄“可調速驅動器的基礎知識”，第38頁)會導致載波頻率的高電壓上升率，并且可能導致電動機繞組的端匝絕緣擊穿，因為以及饋線電纜絕緣。

載波頻率是在可變基頻下獲得電流的副產品，這是電動機中增加瓦特的原因。該功率實際上是浪費的能量，會增加電動機的熱量。此類損耗的量取決于電動機的定子和轉子設計以及載波頻率而變化。

如果使用的頻率不是基本頻率，則電動機會以很高的打滑率運行，因此運行效率低下。(滑差是定子磁場的旋轉速度[感應電動機的同步速度]與轉子速度之間的差。)此外，轉子切割了許多磁通線。這種現象會產生額外的瓦數和額外的熱量。(請注意，電流中的高頻波紋很小，并且額外的熱量比純正弦波產生的熱量高出5%至10%左右)。

由60 Hz功率供電的四極電機的同步速度為1800 rpm。當考慮由4 kHz的電壓載波頻率引起的電流基頻中的“泛音”或紋波時，同一電動機將基于該高頻使電流流過該電動機。因此，由調整為10Hz輸出的VFD供電的四極60Hz設計電機(額定滿載速度為1750 rpm)的轉子將以1/6額定速度旋轉。如果負載的轉矩要求在低速至全額定速度下恒定，則轉差rpm保持恒定。(有關滑移的更多信息，請參閱第38頁的“已知術語”和第46頁的“某些電動機基礎知識”。)對于以10 Hz運行的上述電動機，軸將以250 rpm的轉速旋轉。

轉子在以250 rpm的轉速轉動時，基于10 Hz基本頻率和300 rpm的同步速度(1800 rpm的1/6)，越過磁通線(磁場)，但由于載波頻率電壓為4 kHz。4 kHz的同步速度為120,000 rpm([120 x 4000] [除以4])。

基于120,000 rpm的同步速度和250 rpm的軸速度，您可以看到，與由載波頻率(4 kHz)引起的300 rpm的同步速度相比，由于載波頻率(4 kHz)而被切割的磁通量的電磁線相當大。 -Hz頻率。通過削減由載波頻率引起的額外磁通量，將這個額外的電流傳輸到轉子條，產生的有用功率很小。該電流的大部分以熱量的形式消散，從而增加了電動機的溫度升高。如果電動機在滿負荷運行，則這種額外的熱量又會在電動機中產生約5%到10%的熱量，并且會在電動機的轉子條和定子繞組上施加附加的熱應變。這種高頻功率無法有效地產生轉矩。

由于提到了這些條件和其他條件，您可能希望在將現有電動機連接到VFD時降低其額定值。電機耗散的載波頻率的能量取決于電壓的幅度和頻率，以及在合成頻率下電機的電抗和電阻。電流的幅度由電壓與阻抗之比確定，而損耗的瓦數則是電流平方乘以電阻的乘積。

其他不良副作用

您還應該注意由高頻引起的其他潛在副作用。其中包括不良的聽覺噪聲，有害的振動和軸承問題。

振動和噪音問題。為避免噪音和振動問題，建議使用的電動機不要具有會在電動機(及其負載)產生的頻率上發生諧振的組件。在已知功率頻率(例如60 Hz)的系統上，這是可能的。但是，當今的VFD沒有標準載波頻率，其基頻范圍可以從60 Hz的不到10%到60 Hz的100%，甚至更高。根據VFD的品牌和型號與現有電動機配合使用，以及其他因素(如現場電氣系統的特性)，某些組件中的共振可能會或可能不會被激發。

您還必須考慮到，當60 Hz設計的電動機以不同的頻率運行時，電動機的各個組件可能會發生機械共振，例如風扇或軸。每個組件都有其自身的自然機械頻率，通過線圈和轉子棒的電頻率會導致機械振動與初始設計參數不同。當電頻率與機械部件的固有頻率匹配時，可能會出現嚴重的問題。這可能包括組件的分解。

軸承問題。另一個尚未完全理解的可能問題是，支撐軸的滾子/滾珠(減摩)軸承的緩慢分解。看來這是由于軸承電流和靜電放電引起的。發生的結果是在滾子/滾珠表面上出現點蝕，并在累積時使軸承產生噪音。如果不解決，振動將開始發展。

氣流問題。在非常低的速度下運行標準60 Hz電動機時，應考慮的另一個因素是，固定并固定在轉子上的風扇可能無法產生足夠的氣流來有效地冷卻電動機。這是因為氣流與軸速度成正比。因此，以一半的軸速，空氣流量是正常流量的一半。為了補償低速電動機時的低流量氣流，如果可以安裝，則將等速鼓風機組件連接到電動機的背面通常會提供足夠的冷卻。

導體絕緣擊穿

如前所述，PWM電路會導致載波頻率上的高電壓上升速率，從而導致電動機繞組的端匝絕緣擊穿，以及饋線電纜絕緣可能擊穿。這與電壓的非常高的上升速率(電壓隨時間變化的速率)以及由VFD引起的非常快速重復的電壓脈沖有關。[省略圖3的圖示]。由于這種現象，電機中發生了導體絕緣故障。該主題尚未完全理解，目前正在研究中。有關此問題的已知事實總結如下。

目前使用的VFD逆變器部分中的開關會導致電動機繞組內的瞬時匝間電壓大大高于等效的正弦波電源產生的電壓。

基本電壓的每個周期都包含多個電壓脈沖。

電機與其VFD之間的距離過長會導致匝間電壓變得更高。

有不同的方法來解釋為什么電動機端子處的電壓會增加。有些人用諧振電容/電感(LC)電路來解釋它。其他人用駐波理論來解釋它。兩種方法最終都有相似的結果。當電動機與其VFD之間的距離超過臨界距離(可能低至30英尺)時，電壓過沖可能會超過最初在VFD輸出端子上傳遞的電壓脈沖幅度的兩倍。

對于每個PWM脈沖，此較高的電壓以很高的變化率從零伏到峰值產生一個高的變化率，以至于它在繞組上的分布不均勻，從而在最接近的匝中產生高匝間電壓到電源線。結果會在導體絕緣層上施加很高的應力，這會導致絕緣層的早期損壞。

可提供特殊的逆變器占空電動機，其設計目的是滿足或超過NEMA標準MG1電動機和發電機第.31.40.4.2節“電壓尖峰”中定義的電壓幅度和上升時間。在將現有電動機連接到電纜長度較長的VFD時，應考慮使用濾波器以減少電纜較長引起的影響。

皮膚效應助長損失

除了上述問題之外，您還應該注意另一個損耗成分：集膚效應。趨膚效應導致交流系統中的電流聚集到導體的外表面。這種現象使電阻與電流頻率的平方根直接相關。換句話說，頻率越大，歸因于集膚效應的電阻就越大。載波頻率通常在800 Hz至15 kHz之間，在這些高頻下的電流將導致[Isup.2] R損耗。盡管高頻電流是相對標稱的，但損耗與電流的平方功率有關。而且，由于其基本的高值，即使在其平方根處，載波頻率也可能有些有效。

電機的應用非常重要

您應該記住，電動機是恒轉矩機器。換句話說，在額定速度和額定扭矩下，它將產生一定的功率。當通過頻率降低和電壓降低來降低速度時，如果負載要求，電動機會通過消耗更多電流來嘗試保持恒定的馬力。這可以在一定程度上完成。隨著更多的電流流動，會產生更多的熱量，并且電動機過熱不會花很長時間。

對于在所使用的整個速度范圍內對功率有恒定要求的情況，至關重要的是，電動機的尺寸必須符合預期的最低軸速下的功率要求。例如，如果所需的速度范圍是額定速度的50%至100%，而負載的馬力要求是100 hp，則電動機仍必須能夠以50%的速度產生100 hp的功率。這也意味著在100%的速度下，電機的功率輸出(按負載要求)也將為100馬力;但是，負載的轉矩要求將降低50%。在全速下，電動機將能夠產生200 hp的功率，這意味著電動機將比正常情況下更大。

使用VFD，通過降低基頻以實現較低速度，電壓也與速度降低成正比降低。如前所述，轉子速度為一半時的460V電動機的線路兩端將具有230V的電壓。因此，如果電動機的額定功率在全速時為100 hp，則其輸出在半速時僅為50 hp。

某些負載(例如車床和磨床)在其整個運行速度范圍內都需要恒定的馬力。假設VFD正在為20馬力的車床電動機供電，該電動機的速度降低了25%(3/4額定速度)。車床的旋轉卡盤(用于容納切削工具加工的某些材料)在整個使用速度范圍內都需要恒定的馬力。如果速度降低25%，電壓將降低25%。為了使電動機保持恒定的馬力輸出，它將多消耗33%的電流(正常安培數的4/3)。因為電流會產生熱量(主要是[Iups2] R損耗)，所以電動機將必須具有足夠的熱容量來處理額外的安培數。

根據電動機的使用系數(SF)，某些電動機可以承受一定量的過大熱負荷。通常，SF的范圍是1.0到1.15;超過此點，將發生電機損壞。由于使用VFD降低了電壓，因此，如果需要恒定的馬力，則必須提高電動機的馬力額定值，以使其與使用的最低轉速下的負載要求相匹配。當然，這意味著在以更高的速度使用時，電動機會被過度構建;在以低于滿載的速度運行時，電動機將具有更高的損耗和更低的功率因數(PF)。但是，較低的PF由VFD補償。這是必須接受的條件。否則，您會遇到麻煩。

使用電機時，記住以下關系會有所幫助：

1匹馬力= 0.746千瓦= [3英尺·磅x 1750 rpm] [除以] 5250

這些數字均可以更改。但是，這樣做時，必須保持等式兩邊相等。扭矩為英尺-磅。如果馬力保持恒定并且速度(rpm)降低，則顯然必須增加扭矩。因此，在上述電動機應用中(速度降低25%)，電動機的轉矩輸出必須增加33%。如果kW保持恒定并且電壓降低(使用VFD降低速度會發生這種情況)，則必須增加電流。這可能導致過熱。電機使用不當是導致電機故障的主要原因之一。

如果有人建議為您現有的電動機購買VFD，并且要進行調整以使輸出電壓對于任何特定的基頻設置為任何值(上限為VFD的輸入電壓)，請謹慎使用。

可以進行這種調整;例如，您可以調節VFD以在30 Hz下產生460V。如果線路電壓為460V(因此為最大電壓)，則當基頻增加超過設定點時，流向電動機的電壓將保持恒定。

讓我們再次看上面的例子之一。假設半速時需要100 hp，并且VFD已調整為在30 Hz下提供460V。如果使用額定功率為100 hp的現有電動機，將會發生什么?好吧，電動機將嘗試以半速提供100 hp的功率，如果在電壓保持恒定為460V的情況下提高基本頻率，則電動機將繼續嘗試。(請注意，當基頻低于設定值[例如15 Hz]時，電壓將成比例降低，在這種情況下降至230V。)在30 Hz和460V時，該現有電機定子中的鐵磁飽和，這會導致更多的電流流過，并且電動機變得過熱。這種情況可能會破壞導體絕緣，并對其他電動機組件產生負面影響。電動機通常在其定子中裝有足夠的鐵，以承受一定的伏特與頻率之比(V / Hz)。但是，當比例大幅度增加時，就需要更多的鐵。否則會導致過熱。

盡管如此，在460V下使用30 Hz仍是在恒定馬力下獲得可調速度的有效方法，前提是電動機定子中的鐵芯設計為具有更高的V / Hz比。這意味著必須在電動機的定子中放置更多的鐵。今天制造的某些電動機的定子中有多余的鐵，可以在高V / Hz比率下運行。您必須為他們支付額外費用。但是對于某些類型的應用(例如上述)，與使用容量為兩倍的現有電動機相比，此類電動機可能具有成本效益。這是因為高級電動機可以在30 Hz，460V和正常電流下運行，而現有的大容量電動機在30 Hz，230V的條件下運行，則必須使用兩倍的電流，并且會遭受與高電流相關的損耗。當前操作。

摘要

將電動機應用于需要在寬速度范圍內保持恒定馬力的負載時，經常會發現與熟悉電動機的人一起工作會很有幫助。什么時候。將現有的電動機用于這種用途，通常會在電動機的能力和實際馬力輸出之間做出折衷，換句話說，是電動機的降額。在這種情況下，最好購買具有您所需需求的新電動機。

當您將電動機用于扭矩要求在所施加的整個速度范圍內保持恒定或降低的應用中時，VFD將是實現速度控制的一種很好的方法，前提是電動機能夠處理傳遞給它的失真電力由VFD。在電動機的整個速度范圍內轉矩要求保持恒定或降低的應用包括風扇，泵和傳送帶。

在某些負載下，例如離心泵和風扇，當速度降低時，轉矩通常會隨速度的平方而降低，而馬力會隨速度的立方而降低。因此，如果將馬力設置為速度要求的低端(例如10 hp時為50%額定速度)，則全速時的馬力要求將是八倍，即80 hp。如您所見，在這種情況下，功率要求的決定因素必須基于滿負荷條件。

須知

逆變器 將直流電轉換為交流電的機器，設備或系統。對于VFD，逆變器操作是通過諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和柵極關斷(GTO)晶閘管之類的設備執行的。

整流器。將交流電轉換為直流電的機器，設備或系統。PWM型VFD中的整流由所謂的“橋電路”中的二極管完成。

同步速度。對于感應電動機，定子磁場的旋轉速度稱為同步速度，該同步速度等于(以rpm為單位)：[120] x [f(以Hz為單位的線路頻率)] [除以] P(極數)。

滑。該術語反映了感應電動機的同步速度與其轉子速度之間的差異。滑移率(以百分比為單位)等于[(同步速度-轉子速度)[除以同步速度] x 100。

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VFD的類型不同，但是它們都使用改變基本頻率(60 Hz或50 Hz)的原理來改變速度。VFD的基本組件是整流器/逆變器設備(后者包括電氣開關設備)和電子控件。VFD將輸入的60 Hz電源更改(整流)為DC，然后將DC更改(反相)為AC，但頻率要可調。

對于極數恒定的電動機，基頻與電動機的軸轉速之間存在直接關系。因此，以半額定速度運行的60 Hz額定電動機將由產生30 Hz功率的VFD供電。

當今正在生產的最流行的VFD類型通過脈沖寬度調制(PWM)產生交流電，該交流電將正弦波分成每半個周期恒定振幅的DC段。一個完整的周期由一半的正電壓段和一半的負電壓段組成。電力的這種調制處理對于每個半周期產生非常高的頻率(在800 Hz至15 kHz之間的范圍內)的直流電壓脈沖。在示波器上觀察時，這些脈沖是矩形的，并且在半個周期的中央變寬(持續時間較長)，在半個周期的末尾變窄。[省略圖1的說明]，第41頁。)

電壓脈沖的高頻為十，稱為載波頻率。每半個周期的大量直流電壓“擊發”使直流總線電壓從零到滿的上升時間為十分之一微秒。電壓脈沖的這種上升速率(電壓從零伏到峰值伏特的變化)遠高于正常正弦波的電壓上升速率。由于高的電壓上升速率，會產生電壓尖峰。

當PWM型VFD產生高頻脈動電壓時，與阻抗成反比的結果電流實際上為正弦波形式，但存在許多小的不規則性，例如由諧波產生的音調頻率。樂器以及與樂器相關的泛音。通常，在這些高頻(800至15 kHz)下的總諧波失真(THD)約為5%至10%。

PWM過程產生的輸出是具有正弦波的電流，該正弦波的范圍可以從1到60 Hz(有時，高數字可能會超過60 Hz，以獲得超過額定速度的轉子速度)。但是，電流波形實際上是基頻加上調制處理過程中產生的所有超高頻的總和，用于產生脈動電壓。由于電機繞組的電感，電流波形呈正弦波狀，并疊加有高頻“噪聲”。這會導致當前的正弦波具有許多小的波動或“泛音”，如圖2，第41頁。

VFD的輸出具有兩個組成部分：可調基頻和載波頻率。因此，正在以這些類型的頻率為連接到VFD的電動機供電。

高載波頻率對電機的影響可能是有害的。為了減少這種影響，許多VFD現在使用異步切換，這導致載波頻率以非常高的速度不斷改變頻率。這樣，VFD限制了由載波頻率引起的至少一種負面影響(噪聲)。

您應注意，由于降低了基礎頻率(確定電動機的轉速)以降低額定軸rpm，因此電壓也以相同的比率降低。這意味著，對于以額定速度50%運行的460V電動機供電的VFD，VFD正在向電動機提供30Hz的電源，并且正在以230V的電壓供電。因此，電動機產生的扭矩相同，但僅以一半速度和一半額定馬力產生。

相關文章：典型的電動機/驅動器安裝

在一定負載下使用電機時，了解電機特性和負載特性非常重要。并且，在使用VFD時，這種理解變得更加重要。

感應電動機通常額定用于特定速度，是當今使用最廣泛的驅動機構。對于給定的穩態負載，這些電機將保持恒定的軸速。換句話說，除了由于負載變化引起的額定轉速略有變化外，電機的軸轉速不會變化。取而代之的是，它由電動機輸入電源的頻率和電動機極數確定。

如今，當驅動系統需要調速時，通常的方法是購買VFD并使用設計用于處理其他參數的電動機，這些參數超出了正常60或50 Hz正弦波運行所需的參數。因此，VFD和電動機通常從一個來源訂購為一包。這樣，您不僅可以獲得匹配設計的電動機和VFD，而且還受益于只有一個制造商來應對出現的問題。(請參閱第38頁上的照片。)

但是，出于成本考慮，可能會促進現有電動機與新VFD的匹配。在這種情況下，需要仔細分析此匹配項。

相關文章：一些電動機基礎知識

感應電動機的同步速度由以下公式表示：

[N.s.] =(120xf)[除以] P

其中[Ns] =同步速度(以rpm為單位)

f =以Hz為單位的線路頻率

P =極數

例如，四極，60 Hz感應電動機的同步速度為1800 rpm([120 x 60] [除以4])。

電動機的轉子速度始終小于同步速度，因為前者通過比定子磁場慢的旋轉來獲取電能。(對于發電機，情況恰恰相反;轉子的旋轉速度快于同步速度，將電能輸送到端子。)這種速度差異稱為打滑。滑移率由以下方程式表示：

%滑移率= [([Ns]-[Nr]])[除以] [Ns]] x 100

其中[Nr] =轉子轉速，單位rpm

因此，以1790 rpm的軸轉速運行的空載，高效四極電機將具有56%的滑差率。得出如下：[((1800-1790)[除以] 1800] x 100]。滿載的同一電動機的軸速度可能為1750 rpm。在這種情況下，滑移率將為2.78%，推導為：[(1800-1750)[除以1800] x100。1800 rpm同步速度感應電動機的滿載軸速度通常在1780至1730轉/分。該速度取決于電機效率/設計特性。

較低的速度(打滑量)使轉子能夠越過定子建立的磁通線，從而產生滿足其磁性需求的電力。隨著馬達的蟾蜍增加，轉子的速度降低，從而導致磁通線以更高的速率被切斷。這會在轉子條中感應出更多的電壓并產生更多的電流，從而產生更多的電能來抵消轉矩需求的增加。當磁通線以較高的速率通過時，更多的電流流動，并且由于[Iups2] R損耗而使熱量增加。了解更多電機專業知識及技巧，可加入qq群136274082，業內專業老師傅解答。