1. Общепромышленные асинхронные электродвигатели спроектированы на постоянную частоту и постоянное напряжение и не могут полностью удовлетворять требованиям частотного регулирования скорости. Ниже приведено влияние преобразователя частоты на электродвигатель

1Проблема КПД и превышения температуры электродвигателя

Независимо от типа преобразователя частоты, в процессе работы он генерирует гармонические напряжения и токи в той или иной степени, заставляя электродвигатель работать при несинусоидальных напряжении и токе. Как сообщается, на примере наиболее распространённых ныне преобразователей частоты типа ШИМ с синусоидальной модуляцией низшие гармоники практически равны нулю, а оставшаяся высшая гармоника, частота которой примерно вдвое выше несущей, выражается как: 2u+1 (где u — коэффициент модуляции).

Высшие гармоники вызывают рост потерь в меди статора, потерь в меди (алюминии) ротора, магнитных потерь и дополнительных потерь электродвигателя; наиболее заметны потери в меди (алюминии) ротора. Поскольку общепромышленный асинхронный электродвигатель вращается с частотой, близкой к синхронной, соответствующей основной частоте, высшая гармоника напряжения, срезая роторные стержни с большим скольжением, вызывает значительные роторные потери. Кроме того, необходимо учитывать дополнительные потери в меди из-за поверхностного эффекта. Все эти потери вызывают дополнительный нагрев электродвигателя, снижение КПД и уменьшение выходной мощности; при работе обычного трёхфазного асинхронного электродвигателя от несинусоидального источника преобразователя частоты превышение температуры обычно возрастает на 10%–20%.

2Проблема электрической прочности изоляции электродвигателя

В настоящее время многие малые и средние преобразователи частоты используют способ управления ШИМ. Их несущая частота составляет примерно от нескольких килогерц до десятков килогерц, что заставляет обмотку статора электродвигателя выдерживать очень высокую скорость нарастания напряжения — эквивалентно воздействию на двигатель импульсного напряжения с большой крутизной, что создаёт жёсткие условия для межвитковой изоляции электродвигателя. Кроме того, прямоугольное импульсное ударное напряжение, генерируемое ШИМ-преобразователем, накладывается на рабочее напряжение электродвигателя и создаёт угрозу для его изоляции относительно земли; при многократных ударах высоким напряжением изоляция относительно земли ускоренно стареет.

3Гармонические электромагнитные шум и вибрация

При питании общепромышленного асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты вибрация и шум, вызванные электромагнитными, механическими, вентиляционными и другими факторами, становятся более сложными. Временные гармоники разных порядков, содержащиеся в частотном источнике питания, интерферируют с собственными пространственными гармониками электромагнитной части электродвигателя, образуя различные электромагнитные возбуждающие силы. Когда частота электромагнитной силовой волны совпадает или близка к собственной частоте вибрации корпуса электродвигателя, возникает резонанс, усиливающий шум. Поскольку рабочий диапазон частот электродвигателя широк, а диапазон изменения скорости велик, частоты различных электромагнитных силовых волн трудно вывести за пределы собственных частот вибрации элементов электродвигателя.

4Приспособленность электродвигателя к частым пускам и торможениям

После перехода на питание от преобразователя частоты электродвигатель может запускаться при очень низких частоте и напряжении без ударного тока и быстро тормозиться различными способами торможения, предоставляемыми преобразователем, что создаёт условия для частых пусков и торможений; в результате механическая и электромагнитная системы электродвигателя находятся под воздействием циклически меняющихся сил, что вызывает усталость и ускоренное старение механических и изоляционных конструкций.

5Проблема охлаждения при низкой частоте вращения

Во-первых, полное сопротивление общепромышленного асинхронного электродвигателя далеко от идеального, и при низкой частоте питания потери от высших гармоник в источнике велики. Во-вторых, при снижении частоты вращения общепромышленного асинхронного электродвигателя объём охлаждающего воздуха уменьшается пропорционально кубу частоты вращения, что ухудшает охлаждение на низких скоростях и резко повышает превышение температуры, затрудняя выдачу постоянного момента.

2. Особенности частотно-регулируемого электродвигателя

1Электромагнитная конструкция

Для общепромышленного асинхронного электродвигателя при проектировании основными рассматриваемыми параметрами являются перегрузочная способность, пусковые свойства, КПД и коэффициент мощности. В частотно-регулируемом же электродвигателе, поскольку критическое скольжение обратно пропорционально частоте питания, возможен прямой пуск при критическом скольжении, близком к 1, поэтому перегрузочная способность и пусковые свойства не требуют особого внимания, а ключевая задача — улучшить приспособленность электродвигателя к несинусоидальному источнику питания. Способы обычно следующие:

1) По возможности уменьшить сопротивление статора и ротора.

Уменьшение сопротивления статора снижает потери в меди основной гармоники, компенсируя рост потерь в меди от высших гармоник

2) Для подавления высших гармоник в токе необходимо соответственно увеличить индуктивность электродвигателя. Однако при больших индуктивных сопротивлениях рассеяния пазов ротора велик и поверхностный эффект, возрастают и потери в меди от высших гармоник. Поэтому величину индуктивного сопротивления рассеяния электродвигателя следует согласовывать с учётом обоснованности согласования импедансов во всём диапазоне регулирования скорости.

3) Основная магнитная цепь частотно-регулируемого электродвигателя обычно проектируется ненасыщенной: во-первых, чтобы высшие гармоники не усугубляли насыщение магнитной цепи, во-вторых, чтобы при низких частотах можно было соответственно повысить выходное напряжение преобразователя для увеличения выходного момента.

2Конструктивная проработка

При конструктивной проработке также в основном учитывается влияние характеристик несинусоидального источника питания на изоляционную конструкцию, вибрацию, шум и способ охлаждения частотно-регулируемого электродвигателя; обычно обращают внимание на следующие вопросы:

1) Класс изоляции обычно F или выше; усиливается изоляция относительно земли и межвитковая прочность изоляции, особенно учитывается способность изоляции выдерживать ударные напряжения.

2) В вопросах вибрации и шума электродвигателя необходимо в полной мере учитывать жёсткость элементов и конструкции в целом, стремясь повысить их собственные частоты, чтобы избежать резонанса с силовыми волнами разных порядков.

3) Способ охлаждения: обычно применяется принудительное вентиляционное охлаждение, то есть вентилятор охлаждения основного двигателя приводится отдельным электродвигателем.

4) Меры против осевых токов: для электродвигателей мощностью свыше 160 кВт следует применять меры изоляции подшипников. Главным образом легко возникает асимметрия магнитной цепи, а также образуются осевые токи; когда токи от других высокочастотных составляющих действуют совместно, осевой ток значительно возрастает, что приводит к повреждению подшипников, поэтому обычно принимают изоляционные меры.

5) Для частотно-регулируемого электродвигателя с постоянной мощностью при частоте вращения свыше 3000 об./мин следует применять специальную термостойкую консистентную смазку для компенсации повышения температуры подшипников.

3. Сравнение в реальных условиях применения

1．ЭлектродвигательКПД и превышение температуры при частотном приводе, частотно-регулируемыйЭлектродвигательКПД окажется примерно на 10% выше, а превышение температуры — примерно на 20% ниже, особенно в низкочастотной области при векторном управлении или прямом управлении моментом. 

2. Частотно-регулируемыйЭлектродвигательв ситуациях, требующих частых пусков, частого регулирования скорости и частого торможения, превосходит общепромышленный электродвигатель. 

3. В отношении электромагнитного шума и вибрации частотно-регулируемыйЭлектродвигательпри частотном приводе имеет более низкий шум и меньшую электромагнитную вибрацию по сравнению с общепромышленным электродвигателем. 

4. Проблема электрической прочности изоляции электродвигателя. Поскольку частотно-регулируемый электродвигательспроектирован специально для привода от преобразователя частоты, он способен выдерживать большие du/dt, поэтому изоляция частотно-регулируемого электродвигателя должна быть более прочной. Особенно в режиме управления DTC это серьёзное испытание для электрической прочности изоляции электродвигателя. 

5. Главное отличие всё же в том, что частотно-регулируемый электродвигатель имеет дополнительное охлаждение (принудительный обдув отдельным осевым вентилятором), и его охлаждение при низких частотах, постоянном токе торможения и в некоторых специальных применениях значительно лучше, чем у обычного асинхронного электродвигателя переменного тока.