為什么變頻電機能吊打普通電機？
發布時間：2021-03-20
電動機的調速與控制，是工農業各類機械及辦公、民生電器設備的基礎技術之一。隨著電力電子技術、微電子技術的驚人發展，采用“變頻感應電動機+變頻器”的交流調速方式，正在以其的性能和經濟性，在調速領域，引導了一場取代傳統調速方式的更新換代的變革。它給各行各業帶來的福音在于：使機械自動化程度和生產效率大為提高、節約能源、提高產品合格率及產品質量、電源系統容量相應提高、設備小型化、增加舒適性，目前正以很快的速度取代傳統的機械調速和直流調速方案。
由于變頻電源的性，以及系統對高速或低速運轉、轉速動態響應等需求，對作為動力主體的電動機，提出了苛刻的要求，給電動機帶來了在電磁、結構、絕緣各方面新的課題。
變頻調速目前已經成為主流的調速方案，可廣泛應用于各行各業無級變速傳動。
特別是隨著變頻器在工業控制領域內日益廣泛的應用，變頻電機的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由于變頻電機在變頻控制方面較普通電機的優越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機的身影。
普通電機與變頻電機的差異
一、普通異步電動機都是按恒頻恒壓設計的，不可能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。據資料介紹，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，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，當電源頻率較低時，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，在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
在結構設計時，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，應采用耐高溫的潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。
同步電動機
1 特點
1） 功率因數超前，一般額定功率因數為0.9，有利于電網的功率因數，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。
2 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。在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。
3 應用
做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，在平衡塊基本調好后，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。
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