常规电动机设计基于恒定频率和电压,难以满足变频调速的需求,因此不适合直接用作变频电机。变频电机与普通电机的核心差异体现在以下两点:
首先,常规电机只能在工频附近稳定运行,而变频电机能够在远高于或低于工频的条件下长时间工作。皖南电机以我国50Hz工频为例,常规电机在5Hz频率下长期运行会导致故障甚至损坏,而变频电机的问世恰好弥补了这一缺陷。
其次,常规电机与变频电机的散热系统存在差异。常规电机的散热效果与转速紧密相关,转速快时散热效果好,转速慢时散热效果大打折扣,而变频电机则不存在此问题。
将变频器与普通电机结合后,虽然可以实现变频运行,但这并非真正的变频电机。安徽皖南电机长时间在非工频状态下运行可能导致电机损坏。
变频器对电机的影响主要体现在效率和温升方面。运行中产生的谐波电压和电流会使电动机在非正弦电压、电流下工作,增加定子铜耗、转子铜耗、铁耗及附加损耗,尤其是转子铜耗,导致电机额外发热、效率降低、输出功率减小,普通电动机温升一般会增加10%-20%。
电动机绝缘强度也是一大问题。变频器载波频率高达几千到十几千赫,导致电动机定子绕组承受极高的电压上升率,相当于对电机施加强烈的冲击电压,对匝间绝缘构成严重考验。
此外,谐波电磁噪声与震动问题也较为突出。普通电动机在变频器供电下,由电磁、机械、通风等因素引起的震动和噪声会变得更加复杂。变频电源中的谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干扰,形成各种电磁激振力,加大噪声。
低转速时的冷却问题也不容忽视。安徽皖南电机电源频率较低时,高次谐波引起的损耗较大;电机转速降低时,冷却风量与转速的三次方成正比减小,导致电机热量难以散发,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出。
针对上述问题,变频电机采取了以下设计措施:
- 减小定子和转子电阻,降低基波铜耗,以弥补高次谐波引起的铜耗增加。
- 主磁场不饱和设计,考虑高次谐波加深磁路饱和问题,并在低频时适当提高变频器输出电压。
- 提高绝缘等级,充分考虑振动、噪声问题,采用强迫通风冷却方式。
- 电线圈分布电容减小,矽钢片电阻增大,以降低高频脉冲对电机的影响,提高电感滤波效果。
相较于普通电机,变频电机在设计上需考虑以下因素:
- 电磁设计:变频电机在临界转差率接近1时直接启动,因此过载能力和启动性能不再是关键问题,而应着重解决电动机对非正弦波电源的适应能力。
- 结构设计:考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声、冷却方式等方面的影响。