变频器对普通异步电动机的影响.doc

1、 变频器对普通异步电动机的影响1、电动机的效率和温升的问题2、电动机绝缘强度问题3、谐波电磁噪声与震动4、电动机对频繁启动、制动的适应能力5、低转速时的冷却问题二、变频电动机的特点1、电磁设计2、结构设计普通异步电动机与变频电机的区别一,普通异步电动机都是按恒频恒压设计的,不可能完全适应变频调速的要求.以下为变频器对电机的影响 1,电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器,在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流,使电动机在非正弦电压,电流下运行.拒资料介绍,以目前普遍使用的正弦波 pwm 型变频器为例,其低次谐波基本为零,剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为:2u+1(u 为调制比

2、 ). 高次谐波会引起电动机定子铜耗,转子铜(铝) 耗,铁耗及附加损耗的增加,最为显著的是转子铜(铝)耗.因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的,因此,高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后,便会产生很大的转子损耗.除此之外,还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗.这些损耗都会使电动机额外发热,效率降低,输出功率减小,如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下,其温升一般要增加 10%-20%. 2,电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器,不少是采用 pwm 的控制方式.他的载波频率约为几千到十几千赫,这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率,相当于对电动机施加陡度

3、很大的冲击电压,使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验.另外,由 pwm 变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上,会对电动机对地绝缘构成威胁,对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化. 3,谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时,会使由电磁,机械,通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂.变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉,形成各种电磁激振力.当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时,将产生共振现象,从而加大噪声.由于电动机工作频率范围宽,转速变化范围大,各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率. 4,电动机对频繁启

4、动,制动的适应能力 由于采用变频器供电后,电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动,并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动,为实现频繁启动和制动创造了条件,因而电动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,低转速时的冷却问题 首先,异步电动机的阻抗不尽理想,当电源频率较底时,电源中高次谐波所引起的损耗较大.其次,普通异步电动机再转速降低时,冷却风量与转速的三次方成比例减小,致使电动机的低速冷却状况变坏,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出.二,变频电动机的特点 1,电磁设计 对普通异步电动机来说,再设计时主要考虑的性能参数是过

5、载能力,启动性能,效率和功率因数.而变频电动机,由于临界转差率反比于电源频率,可以在临界转差率接近 1 时直接启动,因此,过载能力和启动性能不在需要过多考虑,而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力.方式一般如下: 1) 尽可能的减小定子和转子电阻. 减小定子电阻即可降低基波铜耗,以弥补高次谐波引起的铜耗增 2)为抑制电流中的高次谐波,需适当增加电动机的电感.但转子槽漏抗较大其集肤效应也大,高次谐波铜耗也增大.因此,电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性. 3)变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态,一是考虑高次谐波会加深磁路饱和,二是考虑在低频时,为了提高输

6、出转矩而适当提高变频器的输出电压. 2,结构设计 再结构设计时,主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构,振动,噪声冷却方式等方面的影响,一般注意以下问题: 1)绝缘等级,一般为 f级或更高,加强对地绝缘和线匝绝缘强度,特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力. 2)对电机的振动,噪声问题,要充分考虑电动机构件及整体的刚性,尽力提高其固有频率,以避开与各次力波产生共振现象. 3)冷却方式:一般采用强迫通风冷却,即主电机散热风扇采用独立的电机驱动. 4)防止轴电流措施,对容量超过 160kw 电动机应采用轴承绝缘 措施.主要是易产生磁路不对称,也会产生轴电流,当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时

7、,轴电流将大为增加,从而导致轴承损坏,所以一般要采取绝缘措施. 5)对恒功率变频电动机,当转速超过 3000/min 时,应采用耐高温的特殊润滑脂,以补偿轴承的温度升高. 同步电动机: 一, 特点: 1, 功率因数超前,一般额定功率因数为 0.9,有利于改善电网的功率因数,增加电网容量. 2, 运行稳定性高,当电网电压突然下降到额定值的 80%时,其励磁系统一般能自动调节实行强行励磁,保证电动机的运行稳定. 3, 过载 能力比相应的异步电动机大. 4, 运行效率高,尤其是低速异步电动机. 二, 启动方式 1, 异步启 动法,同步 电动机多数在转子上装有类似与异步电机笼式绕组的启动绕组.再励磁回

8、路串接约为励磁绕组电阻值 10 倍的附加电阻来构成闭合电路,把同步电动机的定子直接接入电网,使之按异步电动机启动,当转速达到亚同步转速(95%)时,再切除附加电阻. 2, 变频启动,用变频器启动,不在赘述. 三, 应用 作过油田节电的师傅都知道,油田的抽油机电机,由于要求的启动转矩大,工程师设计时一般将电机设计的很大,这就出现“大马拉小车“现象,如:55kw 的抽油机电机,再平衡块基本调好后,其实际有功一般在十几个 kw,有时还小.我曾做过这样的改造,将抽油机 55kw 异步电动机改为 22kw 同步电机,后用变频器控制,当然也可以根据排液量或别的信号进行自动控制.节电率可达 40%. 因此,

9、异步电动机,同步电动机,变频电动机三者各有特点,主要看您所控制的工况环境,当然还要根据工程成本,能用异步电机尽量用异步电动机.事实上， 变频器产生的谐波应严 格分为两个部分即: 一是输入端谐波含量指标，指 变频器对电网产生的骚扰作用;二是输 出端谐波含量指标，指 变频器的高频辐射和对电动机产生的运转脉动性、温升、绝缘老化、轴承疲劳的副作用。 实际上人们都知道变压器本身在作隔离功能的同时将产生新的谐波源，完全正弦的工 频变压器都存在的励磁 谐波，那非 线性整流叠加的的变压器怎能完美无谐波。 谐波还是有的，可以 说:输入端谐波含量低，符合标准。事实上GB/T14549-93，电能质量，公用电网谐波

10、和一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。以下为 变频器对电机的影响1、电动机的效率和温升的问题不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波 PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比 载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1(u 为调制比)。高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显着的是转子铜(铝) 耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会 产生很大的转子损耗。除此

11、之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。 这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步 电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加 10%-20%。2、电动机绝缘强度问题目前中小型变频器，不少是采用 PWM 的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由 PWM 变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动 机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。3、谐波电磁噪声与震动普通异步电动机采用变频

12、器供电时，会使由电磁、机械、通 风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于 电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种 电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。4、电动机对频繁启动、制 动的适应能力由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动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

13、结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。5、低转速时的冷却问题首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率 较底时， 电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却 风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加， 难以实现恒转矩输出。二、变频电动机的特点1、电磁设计对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于 临界转差率反比于 电源频率，可以在临界转差率接近 1 时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下

14、：1) 尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增2)为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动 机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。3)变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时， 为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。2、结构设计再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题：1)绝缘等级，一般为 F 级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝

15、缘耐冲击电压的能力。2)对电机的振动、噪声问题，要充分考 虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。3)冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。4)对恒功率变频电动机，当转速超过 3000/min 时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。变频电机可在 0。1HZ-130HZ 范围长期运行，普通电机可在：2 极的为 20-65hz 范围长期运行.4 极的为 25-75hz 范围长期运行.6 极的为 30-85hz 范围长期运行.8 极的为 35-100hz 范围长期运行5)防止轴电流措施，对容量超过 160KW 电动机应采

16、用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高 频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。关于电机恒转矩调速和恒功率 调速的分析 首先要记住一点，我们出厂设计 的电机，都是按照在工 频电压 下（380V ，50HZ）的给定下，所得到的额定转速值，如果我们在实际 工况当中，没有达到 380V，比如说只有 300V,50HZ,那么这是一个欠压的情况，肯定是不能达到 额定的转速值，因 为按照这个 电机的设计，50HZ 的频率下，一定要有 380V 的电压来励磁，如今没有在额定电压下，没有达到应有的磁场强度，磁通偏小，那么肯定会影响

17、速度的，不能因为那个 60f/p 这个公式来看速度的变化。又比如说在 380V 的 40HZ 的输入的情况下，根据公式 E=K*F*Q，E 不变，f 降低了，那么 Q 磁通变大了，这是一种过压的情况，过大的励磁，磁通在长时间下，会使电机发热并有可能烧毁的。所以说磁通这个值不能过大，这个值是根据我们电机在设计的时候就决定了其承载磁通能力。我们通常在恒转矩调速时（50HZ 以下），此时的磁通为额 定磁通，也称 为满磁，如果电压/ 频率变大， 则会超过这个磁通值，造成电机发热。下面说恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速，就是说让磁通保持一个不变的值， V/F=Q（磁通）是一个不变的值， 为什么叫恒转矩调

18、速，就是说负载的转矩是个定 值，我 们要求电机输出的转 矩值也是个定值，看公式：T=K*I*Q，如今 Q 不变，那么电机输出转矩就和 I 成正比，因为 Q 这个值我们通过铭牌就可以计算出来的 V(额定电压)/50HZ ，所以在 Q 确定且不变的情况下，我们线圈的额定电流（不论有无负载，最大通过电流）确定的情况下，该电机能输出的最大力矩也就能 够确定（也就能确定电机能带动多大转矩的恒负载），所以我 们电机的过流能力就体现了电机的过载（转矩）能力。在恒转矩调速下，我们也只需要通 过变频器向电机输送经过调制的一定频率的电压（这个比是磁通，是个定值），负载的转矩也是个定值，那么 N 一定， T 一定，

19、输入的功率 P 也就定了。如果 F 增大，转速 N 增大，那么功率 P 也就变大了，因为转矩 T 是不会因为速度增大而变大的（这个也叫恒转矩负载，如传送带。恒转矩负载的特点是负载转矩与 转速无关，任何转速下转矩总保持恒定或基本恒定。应用的场合比如 传送带、 搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载）还有一点，额定转速这个值是电机空转时所得到的值， 这个值对于我们的意义来说，在达到额定电压的情况下，在达到额定功率的情况下，这个值越大，输出转矩就越小，这个就是恒功率调速的一个特点。公式 T=9550*P/N(额定转速)。所以在 F50HZ 的情况下，（这个时候已经输出为最大功率了），我

20、们在使 N 变大的时候，要注意 T 在变小，要避免 T 太小而小于负载转矩引起事故。在恒功率调速时，我们是通过减小磁通来达到减小输出转 矩从而提高速度的这样的过程来调速，所以这个也叫弱磁调速。摘录一：恒转矩负载的特点是负载转矩与转速无关，任何 转速下转矩总保持恒定或基本恒定。 应用的场合比如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载。恒功率负载的特点是比如机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低 时，受机械 强度的限制，转矩不可能无限增大，在低速

21、下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有影响， 电动机在恒磁通调速时，最大容 许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁 调速时，最大容 许输 出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率 调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所 谓“匹配“的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。 这一点从直流 电机特性来理解更容易。除了上述两类负载一般还有风机、泵类负载，他的特点是 转矩和速度的 2 次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的 2 次方减小。这种负载所需的功率与速度的 3 次方成正比。摘录二：恒功率在负载比较轻的场合为多用，恒转矩则多用在重负

22、载。摘录三：恒功率调速是指电机低速时输出转矩大，高速时输出转矩小，即输出功率是恒定的；恒转矩调速是指电机高速、低速时输出转矩一样大，即高速时输出功率大，低速时输出功率小。总结四：额定负载就是额定功率，带有额定负载的电机就是说负载的功率达到了电机额定功率，这个时候是恒功率调速。对于上面所提到的恒转矩负载来讲，我们调速范围一般就定 义在基本频率以下（一般 50HZ）。对 50HZ 以下的调速，一般是不能达到 额定功率的。比如 说起重，在达到额定功率后，我们继续要求速度加大，那么输出力矩就会下降，那如何加速（因 为加速的 话要输出力矩大于负载力矩），所以这个命题是矛盾的。在达到 P/T（额定负载）的转速后，将不能继续增大转速了，否 则将带不动负载。这个不同于恒功率负载 ，恒功率 负载是转速越快，所需的负载转矩是越小。对于恒功率负载来讲，他的调 速范围会经历两个区间。在低速时，某个频率以下时，我们可以认为他是恒转矩调速，因为按照 输出功率恒定来看，速度很低时，电机不可能输出一个无穷大的转矩，这个时候我们应该认为负载转 矩应该是一个恒定值，即恒转矩性质，而输出功率来说也不会直接就为额定功率。而当频率加大到某个 频率以上时， 输出 为额定功率了，那么那个时候就为恒功率调速了。