工頻電機(jī)改變頻的危害

我們今天就簡單談?wù)劰ゎl電機(jī)變頻使用的問題。

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，最為顯著的是轉(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，最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

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，最終的結(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)。Ms.參的朋友小C就有這樣的遭遇：一臺(tái)多速電機(jī)，靜止可調(diào)變頻電源試驗(yàn)（變頻起動(dòng)）時(shí)一切正常，客戶工頻供電在某一個(gè)轉(zhuǎn)速下無法起動(dòng)。因此，模擬實(shí)際工況電源試驗(yàn)合格的變頻電機(jī)應(yīng)用到傳統(tǒng)工頻供電場合同樣可能存在致命缺陷。

電機(jī)工頻和變頻的區(qū)別

工頻是指市電的頻率，在我國是50Hz，其他國家也有60Hz的。中國電力工業(yè)的市電標(biāo)準(zhǔn)頻率定為50赫茲。不論那種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(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。根據(jù)資料表示，以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為： 2u+1 （u為調(diào)制比）。高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此，鉗形接地電阻測試儀高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。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)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%--20%。

變頻電機(jī)主要適合用在頻率變化較大，轉(zhuǎn)速比工頻很低的工況，因?yàn)槠胀姍C(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)風(fēng)扇的風(fēng)量太小，電機(jī)容易發(fā)熱。變頻電機(jī)的風(fēng)扇不與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，是獨(dú)立的，自帶一個(gè)風(fēng)扇用小電機(jī)。

變頻就是改變供電頻率，從而調(diào)節(jié)負(fù)載，起到降低功耗，減小損耗，延長設(shè)備使用壽命等作用。變頻技術(shù)的核心是變頻器，通過對(duì)供電頻率的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻改為30一130 Hz的變化頻率。同時(shí)，還使電源電壓適應(yīng)范圍達(dá)到142-270V，解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而影響電器工作的難題。通 過改變交流電頻的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)。

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