将新型变频器与现有电机配合使用及可能产生的问题

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连接到VFD的电机接收的功率包括可变的基频，载波频率和非常快速的电压累积。这些因素会产生负面影响，尤其是在使用现有电机时。当使用变频驱动器（VFD）为现有感应电机供电时，存在许多潜在问题。因此，你应该执行
连接到VFD的电机接收的功率包括可变的基频，载波频率和非常快速的电压累积。这些因素会产生负面影响，尤其是在使用现有电机时。
当变频驱动器（VFD）用于为现有的感应电动机供电时，存在许多可能成为现实的潜在问题。因此，您应该仔细研究，以确定这些问题是否足以导致重新考虑此类安装。对于VFD，通常具有许多有用年限的现有电动机可能会突然失效。

高频率可能会导致问题
在将VFD应用于现有电机时，您应该注意由高脉冲频率引起的可能的副作用。这些负面影响包括额外的热量，可听噪音和振动。此外，脉冲宽度调制（PWM）电路（参见第38页的侧栏“可调速驱动器基础知识”）会导致载波频率的高电压上升，从而导致电机绕组端匝的绝缘击穿。以及馈线电缆绝缘。
载波频率是在可变基频下获得电流的副产品，是在电动机中具有额外功率的原因; 这种能量基本上是浪费的能量，它会给电动机增加热量。这种损耗的大小取决于电动机的定子和转子设计以及载波的频率。
由60Hz功率供电的四极电动机的同步速度为1800rpm。当考虑由4kHz的电压载波频率引起的电流基频中的“泛音”或波纹时，该相同的电动机将基于该高频流过它。因此，通过调节到10Hz输出的VFD供电的四极，60Hz设计的电动机（额定满载速度为1750rpm）的转子将以1/6额定速度转动。如果负载的扭矩要求在低至全额定速度下保持恒定，则滑差保持恒定。（有关滑动的更多信息，请参阅第38页上的“需要了解的术语”和第46页上的“某些电机基础知识”。）对于上述以10 Hz运行的电机，轴将以250 rpm的转速转动。
转子在转速为250转/分时，基于10赫兹的基频和300转/分的同步速度（1800转/分的1/6）交叉磁通线（磁场），也是由于载波频率电压为4 kHz。4 kHz的同步速度为120,000 rpm（[120 x 4000] [除以] 4）。
由于上述这些和其他条件，您可能希望在连接到VFD时降低现有电机的额定值。来自电机消耗的载波频率的能量取决于电压的幅度和频率，以及电机在合成频率下的电抗和电阻。电流的幅度由电阻与阻抗之比确定，而瓦特损失是电流的平方乘以电阻的乘积。
其他不受欢迎的副作用
您还应该了解高频引起的其他潜在副作用。这些包括不期望的可听噪声，有害振动和轴承问题。
振动和噪音问题。为避免噪音和振动问题，建议使用的电机不要有能够在电机（及其负载）产生的频率下产生共振的元件。这在已知功率频率的系统上是可能的，例如60Hz。然而，今天的VFD没有标准的载波频率，基频的范围可以从60Hz的不到10％到60Hz的100％以及更高。根据VFD的品牌和型号与现有电机的配合，以及其他因素（如现场电气系统的特性），某些组件的共振可能会或可能不会被激发。
轴承问题。另一个可能仍未完全理解的问题是支撑轴的滚子/滚珠（减摩）轴承的缓慢分解。这似乎是由轴承电流和静电放电引起的。发生的事情是在滚子/滚珠表面上发生点蚀，并且在累积时会导致轴承产生噪音。如果不解决，振动将开始发展。
气流问题。在极低速运行标准60 Hz电机时应考虑的另一个因素是固定并连接到转子上的风扇可能无法产生足够的气流来有效冷却电机。这是真的，因为空气流量与轴速度成比例。因此，在半轴速度下，空气流量是正常流量的一半。为了补偿低电机速度下的低容量空气流量，如果可以安装，将恒速鼓风机组件连接到电机背面通常可以提供足够的冷却。
导体绝缘击穿
如上所述，导致载波频率上的高电压上升的PWM电路可能导致电机绕组的端匝的绝缘击穿，以及馈线电缆绝缘的可能击穿。这涉及电压的非常高的上升速率（电压变化相对于时间的速率）以及由VFD引起的非常快速重复的电压脉冲。[图3的插图]。由于这种现象，已经发生了电动机中的导体绝缘故障。该主题尚未完全理解，目前正在研究中。关于该问题的已知事实总结如下。

• 目前使用的VFD的逆变器部分中的开关导致电动机绕组内的瞬时匝间电压显着高于等效正常正弦波电源产生的电压。
• 基波电压的每个周期由许多电压脉冲组成。
• 电机与其VFD之间的长距离导致匝间电压变得更高。
  

有不同的方法来解释为什么电机端子的电压会增加。一些人用谐振电容/电感（LC）电路来解释它; 其他人用驻波理论来解释它。两种方法最终都得到了类似的结果。当电动机与其VFD之间的距离超过临界距离（可能低至30英尺）时，存在的电压过冲可能超过最初在VFD输出端子处传递的电压脉冲的幅度的两倍。
对于每个PWM脉冲，从零伏特到其峰值，这种较高的电压在电机上以如此高的变化率出现，它在绕组上不均匀地分布，导致最接近的匝数中的高匝间电压对电力线索。结果对导体绝缘施加非常高的应力，这可能导致绝缘层的早期破坏。
特殊的变频器负载电机可用于满足或超过NEMA标准MG1，电机和发电机，章节.31.40.4.2。，电压尖峰中规定的电压幅度和上升时间。将现有电机连接到电缆长度较长的VFD时，应考虑使用滤波器来减少长电缆引起的影响。
皮肤效应导致损失
除了上面描述的问题之外，你还应该注意另一个损失因素：皮肤效应。趋肤效应引起AC系统中的电流聚集到导体的外表面。这种现象导致电阻与电流频率的平方根直接相关。换句话说，频率越高，由于趋肤效应导致的阻力越大。载波频率通常在800Hz到15kHz之间，并且在这些高频下的电流将导致[I2] R损失。虽然高频电流是相对标称的，但损耗与电流的平方功率有关。并且即使在其平方根处，载波频率由于其基本的高值也可以在某种程度上有效。
电机应用非常重要
您应该记住，电机是恒转矩机器。换句话说，在额定速度和额定扭矩下，它将产生一定的马力。当通过频率和电压降低来降低速度时，如果负载需要，通过消耗更多电流，电动机将尝试保持恒定的马力。这可以在有限的程度上完成。随着更多的电流流动，产生更多的热量，并且电机过热不会花费很长时间。
对于在整个使用的速度范围内需要恒定马力的情况，电机的尺寸必须与预期的最低轴速下的马力要求相匹配。例如，如果所需的速度范围为额定速度的50％至100％且负载的马力要求为100马力，那么电机必须仍能够以50％的速度产生100马力。这也意味着在100％速度下，电动机的马力输出（按其负载要求）也将为100马力; 但是，负载的扭矩要求将降低50％。在满额定速度下，电机将能够产生200马力，这意味着电机将比正常情况更大。
使用VFD，降低基频以实现更低的速度，电压也与减速成正比地减小。如前所述，半转子速度的460V电动机的线路电压为230V。因此，如果电动机的额定速度为全速100马力，则其输出在半速时仅为50马力。
某些负载，如车床和研磨机，在整个运行速度范围内需要恒定的功率。假设VFD正在为一台20马力的车床电机提供服务，该电机的运行速度降低了25％（额定速度为3/4）。车床的旋转卡盘，其中包含一些由切削工具加工的材料，在使用的整个速度范围内需要恒定的马力。如果速度降低25％，电压将降低25％。为了使电动机保持恒定的马力输出，它将消耗33％的电流（正常安培数的4/3）。由于电流产生热量（主要是[I 2] R损耗），电动机必须具有足够的热容量来处理额外的电流强度。
某些电机可以根据电机的使用系数（SF）承受一定量的过热负荷。SF的范围通常为1.0到1.15; 超过这一点，将发生电机损坏。由于使用VFD降低电压，因此必须增加电机的额定功率以匹配所用最低速度下的负载要求，如果需要恒定的功率。当然，这意味着当在较高速度下使用时电动机是过度建造的，并且当在低于满载的情况下操作时，在较高速度下将具有较高的损耗和较低的功率因数（PF）。但是，较低的PF由VFD补偿。这是必须接受的条件。否则，你会遇到麻烦。
使用电机时，您会发现记住以下关系很有帮助：
1hp = 0.746kW = [3ft-lb×1750rpm] [除以] 5250
任何这些数字都可以更改。但是，在这样做时，必须保持等式两边的相等性。扭矩是ft-lb。如果马力保持恒定并且速度（rpm）降低，则显然必须增加扭矩。因此，在上述电动机应用中（速度降低25％），电动机的扭矩输出必须增加33％。如果kW保持恒定且电压降低（使用VFD降低速度会发生），则必须增加电流。这可能导致过热。电机应用不正确是导致电机失效的主要原因之一。
如果有人建议为现有电机获取VFD，并考虑进行调整，以便将输出电压设置为任何特定基频的任何值（限制高达VFD的输入电压），请谨慎使用。
可以进行这样的调整; 例如，您可以调整VFD以在30 Hz时产生460V电压。如果460V是线电压（因此是最大电压），那么随着基频增加超过设定点，进入电机的电压保持恒定。
让我们再看一下上面的例子。假设在半速时需要100马力，并且调节VFD以在30赫兹下提供460V。如果您使用额定功率为100马力的现有电机，会发生什么？那么，电动机将尝试以半速提供100马力，并且如果基本频率增加而电压保持恒定在460V，则将继续尝试。（注意，当基频低于设定值[比如15 Hz]时，电压将按比例减小，在这种情况下为230V。）在30 Hz和460 V时，现有电机定子中的铁磁饱和，这会导致更多电流流动，电机变得过热。这种情况可能会破坏导体绝缘并对其他电机组件产生负面影响。电机通常在定子中有足够的铁来处理一定的电压与频率比（V / Hz）。但是当比例大幅增加时，需要更多的铁; 否则会出现过热现象。
尽管如此，在460V下使用30 Hz是在恒定功率下获得可调速度的有效方法，只要电机定子中的铁设计为具有更高的V / Hz比率。这意味着必须在电机的定子中放置更多的铁。目前，某些电机在其定子中具有额外的铁，以便以高V / Hz比率运行。你必须为他们支付额外费用。但是对于某些类型的应用，例如上述，与使用两倍容量的现有电动机相比，这种电动机可以是成本有效的。这是因为高级电机可以在30 Hz，460 V和正常电流下运行，而在30 Hz，230 V下运行的高容量现有电机将不得不使用两倍的电流，并且将经历与高电流相关的损耗。目前的运作。
摘要
在将电机应用于需要在宽速范围内保持恒定功率的负载时，您通常会发现与熟悉电机的人员合作是有益的。什么时候。使用现有的电动机进行这种用途时，通常在电动机的性能和实际的马力输出之间进行折衷，换句话说，降低电动机的额定值。在这些情况下，购买具有所需要求的新电机可能会更好。
当您将电机用于扭矩要求在所应用的总速度范围内保持恒定或降低的应用时，VFD将是实现速度控制的好方法，前提是电机能够处理传递给它的扭曲电力由VFD提供。扭矩要求在电机总速度范围内保持不变或降低的应用包括风扇，泵和输送带。
有一些负载，例如离心泵和风扇，当速度降低时，扭矩通常会随着速度的平方而减小，并且马力将随速度的立方减小。因此，如果马力建立在速度要求的低端（比如10马力的50％额定速度），则全速马力要求将是8马力或80马力。正如您在此类情况中所看到的，马力要求的决定因素必须基于满额定负载。
条款要知道
逆变器。将DC电源更改为AC电源的机器，设备或系统。关于VFD，逆变器操作由诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）和栅极关断（GTO）晶闸管的器件执行。
整流器。将交流电转换为直流电的机器，设备或系统。PWM型VFD中的整流由所谓的“桥式电路”中的二极管执行。
同步速度。关于感应电动机，定子磁场的转速称为同步速度，等于（以rpm为单位）：[120] x [f（线路频率，单位为Hz）] [除以] P（极数）。
滑。该术语反映了感应电动机的同步速度与其转子速度之间的差异。百分比滑移率等于[（同步速度 - 转子速度）[除以]同步速度]×100。
相关文章：可调速驱动的基础
有不同类型的VFD，但它们都使用改变基频（60 Hz或50 Hz）的原则来改变速度。VFD的基本组件是整流器/逆变器设备（后者包括电气开关设备）和电子控制器。VFD将输入的60 Hz电源更改（整流）为DC，然后将DC更改（反转）回AC，但频率可调。
对于具有恒定极数的电机，基频与电机轴转速之间存在直接关系。因此，以额定速度半速运行的60Hz额定电动机将由产生30Hz功率的VFD供电。
目前制造的最流行的VFD类型通过脉冲宽度调制（PWM）产生AC，其将正弦波切换成每半个周期恒定幅度的DC段。完整周期由一半正电压段和一半负电压段组成。这种电功率调制处理产生每半个周期的非常高的频率（在800Hz到15kHz之间的范围内）DC电压脉冲。当在示波器上看时，这些脉冲是矩形的，并且在半周期的中心处更宽（更长的持续时间）并且在半周期的末端更窄。[第1页图1]，第41页。）
电压脉冲的高频率为10，称为载波频率。每半个周期的这些DC伏特“射击”具有零到全DC-总线电压上升时间，达到十分之几微秒。电压脉冲的上升速率（电压从零伏特变为峰值电压）远高于正常正弦波的电压上升速率。由于高电压上升，产生电压尖峰。
由于PWM型VFD产生高频脉动电压，所产生的电流（反向依赖于阻抗）实际上是正弦波的形式，但具有许多小的不规则性，例如由a产生的音调的频率。具有与乐器相关的泛音的乐器。通常，在这些高频（800至15kHz）下的总谐波失真（THD）约为5％至10％。
由PWM过程产生的输出是具有正弦波的电流，该正弦波可以在1至60Hz之间变化（并且有时高的数值可以超过60Hz以获得超过额定速度的转子速度）。但是，电流波形实际上是基频加上调制处理期间产生的所有超高频的总和，用于产生脉动电压。由于电机绕组电感，电流波形呈正弦曲线，叠加高频“噪声”。这会导致当前正弦波有许多小波纹或“泛音”，如第41页的图2所示。
VFD的输出有两个组成部分：可调节的基频和载波频率。因此，连接到VFD的电动机正在以这些类型的频率供电。
高载波频率对电动机的影响可能是有害的。为了减少这种影响，许多VFD现在正在使用异步切换，这导致载波频率以非常高的速度不断改变频率。在这样做时，VFD限制由载波频率引起的至少一个负面影响（噪声）。
您应该注意，当基频（决定电机速度）降低到额定轴转速时，电压也会降低，并且电压也相同。这意味着，对于为额定速度为50％的460V电机供电的VFD，VFD为电机提供30 Hz的电源，并且在230V时这样做。因此，电动机产生相同的扭矩，但只有半速和额定功率的一半。
相关文章：典型的电机/驱动器安装
在某种负载下使用电机时，了解电机特性和负载特性非常重要。并且，在使用VFD时，这种理解变得更加重要。
通常额定为特定速度的感应电动机是目前使用的最流行的驱动机构。对于给定的稳态负载，这些电机将保持恒定的轴速。换句话说，除了由于负载变化引起的额定速度的微小变化外，电机的轴速度不会改变。相反，它取决于电机输入电源的频率和电机极数。
今天，当驱动系统需要速度调节时，通常的方法是购买VFD并使用设计用于处理超出正常60或50 Hz正弦波操作所需的附加参数的电机。因此，VFD和电动机通常从一个来源作为包装订购。您不仅可以通过这种方式获得匹配设计的电机和VFD，而且如果出现问题，您还可以获得只有一家制造商处理的好处。
然而，成本考虑可以促进现有电动机与新VFD的匹配。在这种情况下，需要仔细分析这种匹配。
感应电动机的同步速度由下式表示：
[N.sub.s] =（120xf）[除以] P.
其中[N.sub.s] =以rpm为单位的同步速度
f =以Hz为单位的线路频率
P =极数
例如，四极60Hz感应电动机的同步速度为1800rpm（[120×60] [除以] 4）。
电动机的转子速度总是小于同步速度，因为前者通过比定子的磁场旋转更慢地获得电/磁功率。（对于发电机，情况恰恰相反;转子比同步速度旋转得更快，为端子提供电力。）这种速度差异称为滑差。滑移率由以下等式表示：
％滑移率= [（[N] - [Nr]）[除以] [N]]×100
其中[Nr] =以rpm为单位的转子速度
因此，在轴转速为1790转/分钟下运行的无负载，高效率四极电机的滑差率为56％。这推导如下：[（1800-1790）[除以] 1800]×100。相同的电动机，满载，可能具有1750rpm的轴速。在这种情况下，滑移率为2.78％，推导出：[（1800 - 1750）[除以] 1800] x 100. 1800 rpm同步速度感应电机的满载轴转速通常在1780至1750之间变化。 1730转。该速度取决于电动机效率/设计特性。

较慢的速度（滑动量）允许转子穿过由定子建立的磁通线，从而为其磁性需求产生电力。随着电动机蟾蜍的增加，转子的速度降低，导致磁通线以更高的速率切断。这在转子条中引起更多电压和更多电流，从而产生更多电功率以抵消扭矩需求的增加。当磁通线以更高的速率穿过时，更多的电流流动，并且由于[I 2] R损耗而导致加热增加。