一、 變頻器對普通異步電動機的影響
1、電動機的效率和溫升的問題
2、電動機絕緣強度問題
3、諧波電磁噪聲與震動
4、電動機對頻繁啟動、制動的適應能力
5、低轉速時的冷卻問題
二、變頻電動機的特點
1、電磁設計
2、結構設計
普通異步電動機與變頻電機的區別一,普通異步電動機都是按恒頻恒壓設計的,不可能完全適應變頻調速的要求.以下為變頻器對電機的影響 1,電動機的效率和溫升的問題 不論那種形式的變頻器,在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流,使電動機在非正弦電壓,電流下運行.拒資料介紹,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為調制比). 高次諧波會引起電動機定子銅耗,轉子銅(鋁)耗,鐵耗及附加損耗的增加,最為顯著的是轉子銅(鋁)耗.因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應的同步轉速旋轉的,因此,高次諧波電壓以較大的轉差切割轉子導條后,便會產生很大的轉子損耗.除此之外,還需考慮因集膚效應所產生的附加銅耗.這些損耗都會使電動機額外發熱,效率降低,輸出功率減小,如將普通三相異步電動機運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%. 2,電動機絕緣強度問題 目前中小型變頻器,不少是采用pwm的控制方式.他的載波頻率約為幾千到十幾千赫,這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率,相當于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓,使電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗.另外,由pwm變頻器產生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上,會對電動機對地絕緣構成威脅,對地絕緣在高壓的反復沖擊下會加速老化. 3,諧波電磁噪聲與震動 普通異步電動機采用變頻器供電時,會使由電磁,機械,通風等因素所引起的震動和噪聲變的更加復雜.變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力.當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時,將產生共振現象,從而加大噪聲.由于電動機工作頻率范圍寬,轉速變化范圍大,各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構件的固有震動頻率. 4,電動機對頻繁啟動,制動的適應能力 由于采用變頻器供電后,電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動,并可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動,為實現頻繁啟動和制動創造了條件,因而電動機的機械系統和電磁系統處于循環交變力的作用下,給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題. 5,低轉速時的冷卻問題 首先,異步電動機的阻抗不盡理想,當電源頻率較底時,電源中高次諧波所引起的損耗較大.其次,普通異步電動機再轉速降低時,冷卻風量與轉速的三次方成比例減小,致使電動機的低速冷卻狀況變壞,溫升急劇增加,難以實現恒轉矩輸出.二,變頻電動機的特點 1,電磁設計 對普通異步電動機來說,再設計時主要考慮的性能參數是過載能力,啟動性能,效率和功率因數.而變頻電動機,由于臨界轉差率反比于電源頻率,可以在臨界轉差率接近1時直接啟動,因此,過載能力和啟動性能不在需要過多考慮,而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力.方式一般如下: 1) 盡可能的減小定子和轉子電阻. 減小定子電阻即可降低基波銅耗,以彌補高次諧波引起的銅耗增 2)為抑制電流中的高次諧波,需適當增加電動機的電感.但轉子槽漏抗較大其集膚效應也大,高次諧波銅耗也增大.因此,電動機漏抗的大小要兼顧到整個調速范圍內阻抗匹配的合理性. 3)變頻電動機的主磁路一般設計成不飽和狀態,一是考慮高次諧波會加深磁路飽和,二是考慮在低頻時,為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓. 2,結構設計 再結構設計時,主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結構,振動,噪聲冷卻方式等方面的影響,一般注意以下問題: 1)絕緣等級,一般為f級或更高,加強對地絕緣和線匝絕緣強度,特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力. 2)對電機的振動,噪聲問題,要充分考慮電動機構件及整體的剛性,盡力提高其固有頻率,以避開與各次力波產生共振現象. 3)冷卻方式:一般采用強迫通風冷卻,即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動. 4)防止軸電流措施,對容量超過160kw電動機應采用軸承絕緣措施.主要是易產生磁路不對稱,也會產生軸電流,當其他高頻分量所產生的電流結合一起作用時,軸電流將大為增加,從而導致軸承損壞,所以一般要采取絕緣措施. 5)對恒功率變頻電動機,當轉速超過3000/min時,應采用耐高溫的特殊潤滑脂,以補償軸承的溫度升高. 同步電動機: 一, 特點: 1, 功率因數超前,一般額定功率因數為0.9,有利于改善電網的功率因數,增加電網容量. 2, 運行穩定性高,當電網電壓突然下降到額定值的80%時,其勵磁系統一般能自動調節實行強行勵磁,保證電動機的運行穩定. 3, 過載能力比相應的異步電動機大. 4, 運行效率高,尤其是低速異步電動機. 二, 啟動方式 1, 異步啟動法,,同步電動機多數在轉子上裝有類似與異步電機籠式繞組的啟動繞組.再勵磁回路串接約為勵磁繞組電阻值10倍的附加電阻來構成閉合電路,把同步電動機的定子直接接入電網,使之按異步電動機啟動,當轉速達到亞同步轉速(95%)時,再切除附加電阻. 2, 變頻啟動,用變頻器啟動,不在贅述. 三, 應用 作過油田節電的師傅都知道,油田的抽油機電機,由于要求的啟動轉矩大,工程師設計時一般將電機設計的很大,這就出現"大馬拉小車"現象,如:55kw的抽油機電機,再平衡塊基本調好后,其實際有功一般在十幾個kw,有時還小.我曾做過這樣的改造,將抽油機55kw異步電動機改為22kw同步電機,后用變頻器控制,當然也可以根據排液量或別的信號進行自動控制.節電率可達40%. 因此,異步電動機,同步電動機,變頻電動機三者各有特點,主要看您所控制的工況環境,當然還要根據工程成本,能用異步電機盡量用異步電動機.
事實上，變頻器產生的諧波應嚴格分為兩個部分即:一是輸入端諧波含量指標，指變頻器對電網產生的騷擾作用;二是輸出端諧波含量指標，指變頻器的高頻輻射和對電動機產生的運轉脈動性、溫升、絕緣老化、軸承疲勞的副作用。實際上人們都知道變壓器本身在作隔離功能的同時將產生新的諧波源，完全正弦的工頻變壓器都存在的勵磁諧波，那非線性整流疊加的的變壓器怎能完美無諧波。諧波還是有的，可以說:輸入端諧波含量低，符合標準。事實上《GB/T14549-93，電能質量，公用電網諧波》和
一、普通異步電動機都是按恒頻恒壓設計的，不可能完全適應變頻調速的要求。
以下為變頻器對電機的影響
1、電動機的效率和溫升的問題
不論那種形式的變頻器，在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。拒資料介紹，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為調制比)。
高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉子銅(鋁)耗。因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應的同步轉速旋轉的，因此，高次諧波電壓以較大的轉差切割轉子導條后，便會產生很大的轉子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應所產生的附加銅耗。這些損耗都會使電動機額外發熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動機運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%。
2、電動機絕緣強度問題
目前中小型變頻器，不少是采用PWM的控制方式。他的載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。另外，由PWM變頻器產生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機對地絕緣構成威脅，對地絕緣在高壓的反復沖擊下會加速老化。
3、諧波電磁噪聲與震動
普通異步電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風等因素所引起的震動和噪聲變的更加復雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產生共振現象，從而加大噪聲。由于電動機工作頻率范圍寬，轉速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構件的固有震動頻率。
4、電動機對頻繁啟動、制動的適應能力
由于采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動，為實現頻繁啟動和制動創造了條件，因而電動機的機械系統和電磁系統處于循環交變力的作用下，給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。
5、低轉速時的冷卻問題
首先，異步電動機的阻抗不盡理想，當電源頻率較底時，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通異步電動機再轉速降低時，冷卻風量與轉速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實現恒轉矩輸出。
二、變頻電動機的特點
1、電磁設計
對普通異步電動機來說，再設計時主要考慮的性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數。而變頻電動機，由于臨界轉差率反比于電源頻率，可以在臨界轉差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。方式一般如下：
1) 盡可能的減小定子和轉子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗增
2)為抑制電流中的高次諧波，需適當增加電動機的電感。但轉子槽漏抗較大其集膚效應也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調速范圍內阻抗匹配的合理性。
3)變頻電動機的主磁路一般設計成不飽和狀態，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓。
2、結構設計
再結構設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結構、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題：
1)絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。
2)對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產生共振現象。
3)冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。
4)對恒功率變頻電動機，當轉速超過3000/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。
變頻電機可在0。1HZ--130HZ范圍長期運行，
普通電機可在：2極的為20--65hz范圍長期運行.
4極的為25--75hz范圍長期運行.
6極的為30--85hz范圍長期運行.
8極的為35--100hz范圍長期運行
5)防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產生磁路不對稱，也會產生軸電流，當其他高頻分量所產生的電流結合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。
關于電機恒轉矩調速和恒功率調速的分析
首先要記住一點，我們出廠設計的電機，都是按照在工頻電壓下（380V，50HZ）的給定下，所得到的額定轉速值，如果我們在實際工況當中，沒有達到380V，比如說只有300V,50HZ,那么這是一個欠壓的情況，肯定是不能達到額定的轉速值，因為按照這個電機的設計，50HZ的頻率下，一定要有380V的電壓來勵磁，如今沒有在額定電壓下，沒有達到應有的磁場強度，磁通偏小，那么肯定會影響速度的，不能因為那個60f/p這個公式來看速度的變化。又比如說在380V的40HZ的輸入的情況下，根據公式E=K*F*Q，E不變，f降低了，那么Q磁通變大了，這是一種過壓的情況，過大的勵磁，磁通在長時間下，會使電機發熱并有可能燒毀的。所以說磁通這個值不能過大，這個值是根據我們電機在設計的時候就決定了其承載磁通能力。我們通常在恒轉矩調速時（50HZ以下），此時的磁通為額定磁通，也稱為滿磁，如果電壓/頻率變大，則會超過這個磁通值，造成電機發熱。
下面說恒轉矩調速和恒功率調速
恒轉矩調速，就是說讓磁通保持一個不變的值，V/F=Q（磁通）是一個不變的值，為什么叫恒轉矩調速，就是說負載的轉矩是個定值，我們要求電機輸出的轉矩值也是個定值，看公式：T=K*I*Q，如今Q不變，那么電機輸出轉矩就和I成正比，因為Q這個值我們通過銘牌就可以計算出來的V(額定電壓)/50HZ，所以在Q確定且不變的情況下，我們線圈的額定電流（不論有無負載，最大通過電流）確定的情況下，該電機能輸出的最大力矩也就能夠確定（也就能確定電機能帶動多大轉矩的恒負載），所以我們電機的過流能力就體現了電機的過載（轉矩）能力。
在恒轉矩調速下，我們也只需要通過變頻器向電機輸送經過調制的一定頻率的電壓（這個比是磁通，是個定值），負載的轉矩也是個定值，那么N一定，T一定，輸入的功率P也就定了。如果F增大，轉速N增大，那么功率P也就變大了，因為轉矩T是不會因為速度增大而變大的（這個也叫恒轉矩負載，如傳送帶。恒轉矩負載的特點是負載轉矩與轉速無關，任何轉速下轉矩總保持恒定或基本恒定。應用的場合比如傳送帶、攪拌機，擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載）
還有一點，額定轉速這個值是電機空轉時所得到的值，這個值對于我們的意義來說，在達到額定電壓的情況下，在達到額定功率的情況下，這個值越大，輸出轉矩就越小，這個就是恒功率調速的一個特點。公式T=9550*P/N(額定轉速)。所以在F>50HZ的情況下，（這個時候已經輸出為最大功率了），我們在使N變大的時候，要注意T在變小，要避免T太小而小于負載轉矩引起事故。在恒功率調速時，我們是通過減小磁通來達到減小輸出轉矩從而提高速度的這樣的過程來調速，所以這個也叫弱磁調速。
摘錄一：
恒轉矩負載的特點是負載轉矩與轉速無關，任何轉速下轉矩總保持恒定或基本恒定。應用的場合比如傳送帶、攪拌機，擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載。
恒功率負載的特點是比如機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產線中的卷取機、開卷機等要求的轉矩，大體與轉速成反比，這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，轉矩不可能無限增大，在低速下轉變為恒轉矩性質。
負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有影響，電動機在恒磁通調速時，最大容許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大容許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，即所謂"匹配"的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。這一點從直流電機特性來理解更容易。
除了上述兩類負載一般還有風機、泵類負載，他的特點是轉矩和速度的2次方成正比。隨著轉速的減小，轉矩按轉速的2次方減小。這種負載所需的功率與速度的3次方成正比。
摘錄二：
恒功率在負載比較輕的場合為多用，恒轉矩則多用在重負載。
摘錄三：
恒功率調速是指電機低速時輸出轉矩大，高速時輸出轉矩小，即輸出功率是恒定的；
恒轉矩調速是指電機高速、低速時輸出轉矩一樣大，即高速時輸出功率大，低速時輸出功率小。
總結四：
額定負載就是額定功率，帶有額定負載的電機就是說負載的功率達到了電機額定功率，這個時候是恒功率調速。
對于上面所提到的恒轉矩負載來講，我們調速范圍一般就定義在基本頻率以下（一般50HZ）。對50HZ以下的調速，一般是不能達到額定功率的。比如說起重，在達到額定功率后，我們繼續要求速度加大，那么輸出力矩就會下降，那如何加速（因為加速的話要輸出力矩大于負載力矩），所以這個命題是矛盾的。在達到P/T（額定負載）的轉速后，將不能繼續增大轉速了，否則將帶不動負載。這個不同于恒功率負載，恒功率負載是轉速越快，所需的負載轉矩是越小。
對于恒功率負載來講，他的調速范圍會經歷兩個區間。在低速時，某個頻率以下時，我們可以認為他是恒轉矩調速，因為按照輸出功率恒定來看，速度很低時，電機不可能輸出一個無窮大的轉矩，這個時候我們應該認為負載轉矩應該是一個恒定值，即恒轉矩性質，而輸出功率來說也不會直接就為額定功率。而當頻率加大到某個頻率以上時，輸出為額定功率了，那么那個時候就為恒功率調速了。
