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(chǎn)生負面影響，尤其是在使用現(xiàn)有電動機時。當使用變頻驅(qū)動器(VFD)為現(xiàn)有感應電動機供電時，可能會出現(xiàn)許多潛在問題。因此，您應該執(zhí)行。

當使用變頻驅(qū)動器(VFD)為現(xiàn)有的感應電動機供電時，可能會出現(xiàn)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(xiàn)有電動機可能突然失效。

現(xiàn)有電動機僅設(shè)計用于60 Hz，僅50 Hz或60/50 Hz服務。因此，您必須質(zhì)疑新的VFD是否可以與您現(xiàn)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(xiàn)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(diào)制(PWM)電路(請參見側(cè)欄“可調(diào)速驅(qū)動器的基礎(chǔ)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(chǎn)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(zhuǎn)子設(shè)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(zhuǎn)速度[感應電動機的同步速度]與轉(zhuǎn)子速度之間的差。)此外，轉(zhuǎn)子切割了許多磁通線。這種現(xiàn)象會產(chǎn)生額外的瓦數(shù)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(chǎn)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(diào)整為10Hz輸出的VFD供電的四極60Hz設(shè)計電機(額定滿載速度為1750 rpm)的轉(zhuǎn)子將以1/6額定速度旋轉(zhuǎn)。如果負載的轉(zhuǎn)矩要求在低速至全額定速度下恒定，則轉(zhuǎn)差rpm保持恒定。(有關(guān)滑移的更多信息，請參閱第38頁的“已知術(shù)語”和第46頁的“某些電動機基礎(chǔ)知識”。)對于以10 Hz運行的上述電動機，軸將以250 rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子在以250 rpm的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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?shù)睫D(zhuǎn)子條，產(chǎn)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(chǎn)生約5%到10%的熱量，并且會在電動機的轉(zhuǎn)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

由于提到了這些條件和其他條件，您可能希望在將現(xiàn)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(shù)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(chǎn)生的頻率上發(fā)生諧振的組件。在已知功率頻率(例如60 Hz)的系統(tǒng)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(jù)VFD的品牌和型號與現(xiàn)有電動機配合使用，以及其他因素(如現(xiàn)場電氣系統(tǒng)的特性)，某些組件中的共振可能會或可能不會被激發(fā)。

您還必須考慮到，當60 Hz設(shè)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(fā)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(zhuǎn)子棒的電頻率會導致機械振動與初始設(shè)計參數(shù)不同。當電頻率與機械部件的固有頻率匹配時，可能會出現(xiàn)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(fā)生的結(jié)果是在滾子/滾珠表面上出現(xiàn)點蝕，并在累積時使軸承產(chǎn)生噪音。如果不解決，振動將開始發(fā)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(zhuǎn)子上的風扇可能無法產(chǎn)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?shù)退匐妱訖C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(guān)。[省略圖3的圖示]。由于這種現(xiàn)象，電機中發(fā)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(guān)此問題的已知事實總結(jié)如下。

目前使用的VFD逆變器部分中的開關(guān)會導致電動機繞組內(nèi)的瞬時匝間電壓大大高于等效的正弦波電源產(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)生高匝間電壓到電源線。結(jié)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(shè)計目的是滿足或超過NEMA標準MG1電動機和發(fā)電機第.31.40.4.2節(jié)“電壓尖峰”中定義的電壓幅度和上升時間。在將現(xiàn)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(tǒng)中的電流聚集到導體的外表面。這種現(xiàn)象使電阻與電流頻率的平方根直接相關(guān)。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(guān)。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(zhuǎn)矩機器。換句話說，在額定速度和額定扭矩下，它將產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)對功率有恒定要求的情況，至關(guān)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(chǎn)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(zhuǎn)矩要求將降低50%。在全速下，電動機將能夠產(chǎn)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(xiàn)較低速度，電壓也與速度降低成正比降低。如前所述，轉(zhuǎn)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(nèi)都需要恒定的馬力。假設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)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(shù)的4/3)。因為電流會產(chǎn)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(shù)。

根據(jù)電動機的使用系數(shù)(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(fā)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(zhuǎn)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(gòu)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(shù)(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(guān)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(shù)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(zhuǎn)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(fā)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(xiàn)有的電動機購買VFD，并且要進行調(diào)整以使輸出電壓對于任何特定的基頻設(shè)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(diào)整;例如，您可以調(diào)節(jié)VFD以在30 Hz下產(chǎn)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(shè)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(shè)半速時需要100 hp，并且VFD已調(diào)整為在30 Hz下提供460V。如果使用額定功率為100 hp的現(xiàn)有電動機，將會發(fā)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(xù)嘗試。(請注意，當基頻低于設(shè)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(xiàn)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(chǎn)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(diào)速度的有效方法，前提是電動機定子中的鐵芯設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(guān)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(nèi)保持恒定馬力的負載時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)與熟悉電動機的人一起工作會很有幫助。什么時候。將現(xiàn)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(nèi)保持恒定或降低的應用中時，VFD將是實現(xiàn)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(nèi)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)換為交流電的機器，設(shè)備或系統(tǒng)。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(guān)斷(GTO)晶閘管之類的設(shè)備執(zhí)行的。

整流器。將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的機器，設(shè)備或系統(tǒng)。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(zhuǎn)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(shù))。

滑。該術(shù)語反映了感應電動機的同步速度與其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子速度)[除以同步速度] x 100。

相關(guān)文章：可調(diào)速驅(qū)動器的基礎(chǔ)

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(shè)備(后者包括電氣開關(guān)設(shè)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(diào)。

對于極數(shù)恒定的電動機，基頻與電動機的軸轉(zhuǎn)速之間存在直接關(guān)系。因此，以半額定速度運行的60 Hz額定電動機將由產(chǎn)生30 Hz功率的VFD供電。

當今正在生產(chǎn)的最流行的VFD類型通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)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(diào)制處理對于每個半周期產(chǎn)生非常高的頻率(在800 Hz至15 kHz之間的范圍內(nèi))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(xù)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(fā)”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(chǎn)生電壓尖峰。

當PWM型VFD產(chǎn)生高頻脈動電壓時，與阻抗成反比的結(jié)果電流實際上為正弦波形式，但存在許多小的不規(guī)則性，例如由諧波產(chǎn)生的音調(diào)頻率。樂器以及與樂器相關(guān)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(chǎn)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(shù)字可能會超過60 Hz，以獲得超過額定速度的轉(zhuǎn)子速度)。但是，電流波形實際上是基頻加上調(diào)制處理過程中產(chǎn)生的所有超高頻的總和，用于產(chǎn)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(diào)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(xiàn)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(chǔ)頻率(確定電動機的轉(zhuǎn)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(chǎn)生的扭矩相同，但僅以一半速度和一半額定馬力產(chǎn)生。

相關(guān)文章：典型的電動機/驅(qū)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(qū)動機構(gòu)。對于給定的穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)速略有變化外，電機的軸轉(zhuǎn)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(shù)確定。

如今，當驅(qū)動系統(tǒng)需要調(diào)速時，通常的方法是購買VFD并使用設(shè)計用于處理其他參數(shù)的電動機，這些參數(shù)超出了正常60或50 Hz正弦波運行所需的參數(shù)。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(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(guān)文章：一些電動機基礎(chǔ)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(shù)

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(zhuǎn)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(zhuǎn)來獲取電能。(對于發(fā)電機，情況恰恰相反;轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位rpm

因此，以1790 rpm的軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)/分。該速度取決于電機效率/設(shè)計特性。

較低的速度(打滑量)使轉(zhuǎn)子能夠越過定子建立的磁通線，從而產(chǎn)生滿足其磁性需求的電力。隨著馬達的蟾蜍增加，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子條中感應出更多的電壓并產(chǎn)生更多的電流，從而產(chǎn)生更多的電能來抵消轉(zhuǎn)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(yè)知識及技巧，可加入qq群136274082，業(yè)內(nèi)專業(yè)老師傅解答。