將新型變頻器與現有電機配合使用及可能產生的問題

連接到VFD的電機接收的功率包括可變的基頻，載波頻率和非常快速的電壓累積。這些因素會產生負面影響，尤其是在使用現有電機時。當使用變頻驅動器（VFD）為現有感應電機供電時，存在許多潛在問題。因此，你應該執行

連接到VFD的電機接收的功率包括可變的基頻，載波頻率和非常快速的電壓累積。這些因素會產生負面影響，尤其是在使用現有電機時。

當變頻驅動器（VFD）用於為現有的感應電動機供電時，存在許多可能成為現實的潛在問題。因此，您應該仔細研究，以確定這些問題是否足以導致重新考慮此類安裝。對於VFD，通常具有許多有用年限的現有電動機可能會突然失效。

高頻率可能會導致問題

在將VFD應用於現有電機時，您應該注意由高脈衝頻率引起的可能的副作用。這些負面影響包括額外的熱量，可聽噪音和振動。此外，脈衝寬度調製（PWM）電路（參見第38頁的側欄“可調速驅動器基礎知識”）會導致載波頻率的高電壓上升，從而導致電機繞組端匝的絕緣擊穿。以及饋線電纜絕緣。

載波頻率是在可變基頻下獲得電流的副產品，是在電動機中具有額外功率的原因; 這種能量基本上是浪費的能量，它會給電動機增加熱量。這種損耗的大小取決於電動機的定子和轉子設計以及載波的頻率。

由60Hz功率供電的四極電動機的同步速度為1800rpm。當考慮由4kHz的電壓載波頻率引起的電流基頻中的“泛音”或波紋時，該相同的電動機將基於該高頻流過它。因此，通過調節到10Hz輸出的VFD供電的四極，60Hz設計的電動機（額定滿載速度為1750rpm）的轉子將以1/6額定速度轉動。如果負載的扭矩要求在低至全額定速度下保持恆定，則滑差保持恆定。（有關滑動的更多信息，請參閱第38頁上的“需要了解的術語”和第46頁上的“某些電機基礎知識”。）對於上述以10 Hz運行的電機，軸將以250 rpm的轉速轉動。

轉子在轉速為250轉/分時，基於10赫茲的基頻和300轉/分的同步速度（1800轉/分的1/6）交叉磁通線（磁場），也是由於載波頻率電壓為4 kHz。4 kHz的同步速度為120,000 rpm（[120 x 4000] [除以] 4）。

由於上述這些和其他條件，您可能希望在連接到VFD時降低現有電機的額定值。來自電機消耗的載波頻率的能量取決於電壓的幅度和頻率，以及電機在合成頻率下的電抗和電阻。電流的幅度由電阻與阻抗之比確定，而瓦特損失是電流的平方乘以電阻的乘積。

其他不受歡迎的副作用

您還應該瞭解高頻引起的其他潛在副作用。這些包括不期望的可聽噪聲，有害振動和軸承問題。

振動和噪音問題。為避免噪音和振動問題，建議使用的電機不要有能夠在電機（及其負載）產生的頻率下產生共振的元件。這在已知功率頻率的系統上是可能的，例如60Hz。然而，今天的VFD沒有標準的載波頻率，基頻的範圍可以從60Hz的不到10％到60Hz的100％以及更高。根據VFD的品牌和型號與現有電機的配合，以及其他因素（如現場電氣系統的特性），某些組件的共振可能會或可能不會被激發。

軸承問題。另一個可能仍未完全理解的問題是支撐軸的滾子/滾珠（減摩）軸承的緩慢分解。這似乎是由軸承電流和靜電放電引起的。發生的事情是在滾子/滾珠表面上發生點蝕，並且在累積時會導致軸承產生噪音。如果不解決，振動將開始發展。

氣流問題。在極低速運行標準60 Hz電機時應考慮的另一個因素是固定並連接到轉子上的風扇可能無法產生足夠的氣流來有效冷卻電機。這是真的，因為空氣流量與軸速度成比例。因此，在半軸速度下，空氣流量是正常流量的一半。為了補償低電機速度下的低容量空氣流量，如果可以安裝，將恆速鼓風機組件連接到電機背面通常可以提供足夠的冷卻。

導體絕緣擊穿

如上所述，導致載波頻率上的高電壓上升的PWM電路可能導致電機繞組的端匝的絕緣擊穿，以及饋線電纜絕緣的可能擊穿。這涉及電壓的非常高的上升速率（電壓變化相對於時間的速率）以及由VFD引起的非常快速重複的電壓脈衝。[圖3的插圖]。由於這種現象，已經發生了電動機中的導體絕緣故障。該主題尚未完全理解，目前正在研究中。關於該問題的已知事實總結如下。

• 目前使用的VFD的逆變器部分中的開關導致電動機繞組內的瞬時匝間電壓顯著高於等效正常正弦波電源產生的電壓。
• 基波電壓的每個週期由許多電壓脈衝組成。
• 電機與其VFD之間的長距離導致匝間電壓變得更高。

有不同的方法來解釋為什麼電機端子的電壓會增加。一些人用諧振電容/電感（LC）電路來解釋它; 其他人用駐波理論來解釋它。兩種方法最終都得到了類似的結果。當電動機與其VFD之間的距離超過臨界距離（可能低至30英尺）時，存在的電壓過沖可能超過最初在VFD輸出端子處傳遞的電壓脈衝的幅度的兩倍。

對於每個PWM脈衝，從零伏特到其峰值，這種較高的電壓在電機上以如此高的變化率出現，它在繞組上不均勻地分佈，導致最接近的匝數中的高匝間電壓對電力線索。結果對導體絕緣施加非常高的應力，這可能導致絕緣層的早期破壞。

特殊的變頻器負載電機可用於滿足或超過NEMA標準MG1，電機和發電機，章節.31.40.4.2。，電壓尖峰中規定的電壓幅度和上升時間。將現有電機連接到電纜長度較長的VFD時，應考慮使用濾波器來減少長電纜引起的影響。

皮膚效應導致損失

除了上面描述的問題之外，你還應該注意另一個損失因素：皮膚效應。趨膚效應引起AC系統中的電流聚集到導體的外表面。這種現象導致電阻與電流頻率的平方根直接相關。換句話說，頻率越高，由於趨膚效應導致的阻力越大。載波頻率通常在800Hz到15kHz之間，並且在這些高頻下的電流將導致[I2] R損失。雖然高頻電流是相對標稱的，但損耗與電流的平方功率有關。並且即使在其平方根處，載波頻率由於其基本的高值也可以在某種程度上有效。

電機應用非常重要

您應該記住，電機是恆轉矩機器。換句話說，在額定速度和額定扭矩下，它將產生一定的馬力。當通過頻率和電壓降低來降低速度時，如果負載需要，通過消耗更多電流，電動機將嘗試保持恆定的馬力。這可以在有限的程度上完成。隨著更多的電流流動，產生更多的熱量，並且電機過熱不會花費很長時間。

對於在整個使用的速度範圍內需要恆定馬力的情況，電機的尺寸必須與預期的最低軸速下的馬力要求相匹配。例如，如果所需的速度範圍為額定速度的50％至100％且負載的馬力要求為100馬力，那麼電機必須仍能夠以50％的速度產生100馬力。這也意味著在100％速度下，電動機的馬力輸出（按其負載要求）也將為100馬力; 但是，負載的扭矩要求將降低50％。在滿額定速度下，電機將能夠產生200馬力，這意味著電機將比正常情況更大。

使用VFD，降低基頻以實現更低的速度，電壓也與減速成正比地減小。如前所述，半轉子速度的460V電動機的線路電壓為230V。因此，如果電動機的額定速度為全速100馬力，則其輸出在半速時僅為50馬力。

某些負載，如車床和研磨機，在整個運行速度範圍內需要恆定的功率。假設VFD正在為一臺20馬力的車床電機提供服務，該電機的運行速度降低了25％（額定速度為3/4）。車床的旋轉卡盤，其中包含一些由切削工具加工的材料，在使用的整個速度範圍內需要恆定的馬力。如果速度降低25％，電壓將降低25％。為了使電動機保持恆定的馬力輸出，它將消耗33％的電流（正常安培數的4/3）。由於電流產生熱量（主要是[I 2] R損耗），電動機必須具有足夠的熱容量來處理額外的電流強度。

某些電機可以根據電機的使用係數（SF）承受一定量的過熱負荷。SF的範圍通常為1.0到1.15; 超過這一點，將發生電機損壞。由於使用VFD降低電壓，因此必須增加電機的額定功率以匹配所用最低速度下的負載要求，如果需要恆定的功率。當然，這意味著當在較高速度下使用時電動機是過度建造的，並且當在低於滿載的情況下操作時，在較高速度下將具有較高的損耗和較低的功率因數（PF）。但是，較低的PF由VFD補償。這是必須接受的條件。否則，你會遇到麻煩。

使用電機時，您會發現記住以下關係很有幫助：

1hp = 0.746kW = [3ft-lb×1750rpm] [除以] 5250

任何這些數字都可以更改。但是，在這樣做時，必須保持等式兩邊的相等性。扭矩是ft-lb。如果馬力保持恆定並且速度（rpm）降低，則顯然必須增加扭矩。因此，在上述電動機應用中（速度降低25％），電動機的扭矩輸出必須增加33％。如果kW保持恆定且電壓降低（使用VFD降低速度會發生），則必須增加電流。這可能導致過熱。電機應用不正確是導致電機失效的主要原因之一。

如果有人建議為現有電機獲取VFD，並考慮進行調整，以便將輸出電壓設置為任何特定基頻的任何值（限制高達VFD的輸入電壓），請謹慎使用。

可以進行這樣的調整; 例如，您可以調整VFD以在30 Hz時產生460V電壓。如果460V是線電壓（因此是最大電壓），那麼隨著基頻增加超過設定點，進入電機的電壓保持恆定。

讓我們再看一下上面的例子。假設在半速時需要100馬力，並且調節VFD以在30赫茲下提供460V。如果您使用額定功率為100馬力的現有電機，會發生什麼？那麼，電動機將嘗試以半速提供100馬力，並且如果基本頻率增加而電壓保持恆定在460V，則將繼續嘗試。（注意，當基頻低於設定值[比如15 Hz]時，電壓將按比例減小，在這種情況下為230V。）在30 Hz和460 V時，現有電機定子中的鐵磁飽和，這會導致更多電流流動，電機變得過熱。這種情況可能會破壞導體絕緣並對其他電機組件產生負面影響。電機通常在定子中有足夠的鐵來處理一定的電壓與頻率比（V / Hz）。但是當比例大幅增加時，需要更多的鐵; 否則會出現過熱現象。

儘管如此，在460V下使用30 Hz是在恆定功率下獲得可調速度的有效方法，只要電機定子中的鐵設計為具有更高的V / Hz比率。這意味著必須在電機的定子中放置更多的鐵。目前，某些電機在其定子中具有額外的鐵，以便以高V / Hz比率運行。你必須為他們支付額外費用。但是對於某些類型的應用，例如上述，與使用兩倍容量的現有電動機相比，這種電動機可以是成本有效的。這是因為高級電機可以在30 Hz，460 V和正常電流下運行，而在30 Hz，230 V下運行的高容量現有電機將不得不使用兩倍的電流，並且將經歷與高電流相關的損耗。目前的運作。

摘要

在將電機應用於需要在寬速範圍內保持恆定功率的負載時，您通常會發現與熟悉電機的人員合作是有益的。什麼時候。使用現有的電動機進行這種用途時，通常在電動機的性能和實際的馬力輸出之間進行折衷，換句話說，降低電動機的額定值。在這些情況下，購買具有所需要求的新電機可能會更好。

當您將電機用於扭矩要求在所應用的總速度範圍內保持恆定或降低的應用時，VFD將是實現速度控制的好方法，前提是電機能夠處理傳遞給它的扭曲電力由VFD提供。扭矩要求在電機總速度範圍內保持不變或降低的應用包括風扇，泵和輸送帶。

有一些負載，例如離心泵和風扇，當速度降低時，扭矩通常會隨著速度的平方而減小，並且馬力將隨速度的立方減小。因此，如果馬力建立在速度要求的低端（比如10馬力的50％額定速度），則全速馬力要求將是8馬力或80馬力。正如您在此類情況中所看到的，馬力要求的決定因素必須基於滿額定負載。

條款要知道

逆變器。將DC電源更改為AC電源的機器，設備或系統。關於VFD，逆變器操作由諸如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和柵極關斷（GTO）晶閘管的器件執行。

整流器。將交流電轉換為直流電的機器，設備或系統。PWM型VFD中的整流由所謂的“橋式電路”中的二極管執行。

同步速度。關於感應電動機，定子磁場的轉速稱為同步速度，等於（以rpm為單位）：[120] x [f（線路頻率，單位為Hz）] [除以] P（極數）。

滑。該術語反映了感應電動機的同步速度與其轉子速度之間的差異。百分比滑移率等於[（同步速度 - 轉子速度）[除以]同步速度]×100。

相關文章：可調速驅動的基礎

有不同類型的VFD，但它們都使用改變基頻（60 Hz或50 Hz）的原則來改變速度。VFD的基本組件是整流器/逆變器設備（後者包括電氣開關設備）和電子控制器。VFD將輸入的60 Hz電源更改（整流）為DC，然後將DC更改（反轉）回AC，但頻率可調。

對於具有恆定極數的電機，基頻與電機軸轉速之間存在直接關係。因此，以額定速度半速運行的60Hz額定電動機將由產生30Hz功率的VFD供電。

目前製造的最流行的VFD類型通過脈衝寬度調製（PWM）產生AC，其將正弦波切換成每半個週期恆定幅度的DC段。完整週期由一半正電壓段和一半負電壓段組成。這種電功率調製處理產生每半個週期的非常高的頻率（在800Hz到15kHz之間的範圍內）DC電壓脈衝。當在示波器上看時，這些脈衝是矩形的，並且在半週期的中心處更寬（更長的持續時間）並且在半週期的末端更窄。[第1頁圖1]，第41頁。）

電壓脈衝的高頻率為10，稱為載波頻率。每半個週期的這些DC伏特“射擊”具有零到全DC-總線電壓上升時間，達到十分之幾微秒。電壓脈衝的上升速率（電壓從零伏特變為峰值電壓）遠高於正常正弦波的電壓上升速率。由於高電壓上升，產生電壓尖峰。

由於PWM型VFD產生高頻脈動電壓，所產生的電流（反向依賴於阻抗）實際上是正弦波的形式，但具有許多小的不規則性，例如由a產生的音調的頻率。具有與樂器相關的泛音的樂器。通常，在這些高頻（800至15kHz）下的總諧波失真（THD）約為5％至10％。

由PWM過程產生的輸出是具有正弦波的電流，該正弦波可以在1至60Hz之間變化（並且有時高的數值可以超過60Hz以獲得超過額定速度的轉子速度）。但是，電流波形實際上是基頻加上調製處理期間產生的所有超高頻的總和，用於產生脈動電壓。由於電機繞組電感，電流波形呈正弦曲線，疊加高頻“噪聲”。這會導致當前正弦波有許多小波紋或“泛音”，如第41頁的圖2所示。

VFD的輸出有兩個組成部分：可調節的基頻和載波頻率。因此，連接到VFD的電動機正在以這些類型的頻率供電。

高載波頻率對電動機的影響可能是有害的。為了減少這種影響，許多VFD現在正在使用異步切換，這導致載波頻率以非常高的速度不斷改變頻率。在這樣做時，VFD限制由載波頻率引起的至少一個負面影響（噪聲）。

您應該注意，當基頻（決定電機速度）降低到額定軸轉速時，電壓也會降低，並且電壓也相同。這意味著，對於為額定速度為50％的460V電機供電的VFD，VFD為電機提供30 Hz的電源，並且在230V時這樣做。因此，電動機產生相同的扭矩，但只有半速和額定功率的一半。

相關文章：典型的電機/驅動器安裝

在某種負載下使用電機時，瞭解電機特性和負載特性非常重要。並且，在使用VFD時，這種理解變得更加重要。

通常額定為特定速度的感應電動機是目前使用的最流行的驅動機構。對於給定的穩態負載，這些電機將保持恆定的軸速。換句話說，除了由於負載變化引起的額定速度的微小變化外，電機的軸速度不會改變。相反，它取決於電機輸入電源的頻率和電機極數。

今天，當驅動系統需要速度調節時，通常的方法是購買VFD並使用設計用於處理超出正常60或50 Hz正弦波操作所需的附加參數的電機。因此，VFD和電動機通常從一個來源作為包裝訂購。您不僅可以通過這種方式獲得匹配設計的電機和VFD，而且如果出現問題，您還可以獲得只有一家制造商處理的好處。（見第38頁的照片）

然而，成本考慮可以促進現有電動機與新VFD的匹配。在這種情況下，需要仔細分析這種匹配。

感應電動機的同步速度由下式表示：

[N.sub.s] =（120xf）[除以] P.

其中[N.sub.s] =以rpm為單位的同步速度

f =以Hz為單位的線路頻率

P =極數

例如，四極60Hz感應電動機的同步速度為1800rpm（[120×60] [除以] 4）。

電動機的轉子速度總是小於同步速度，因為前者通過比定子的磁場旋轉更慢地獲得電/磁功率。（對於發電機，情況恰恰相反;轉子比同步速度旋轉得更快，為端子提供電力。）這種速度差異稱為滑差。滑移率由以下等式表示：

％滑移率= [（[N] - [Nr]）[除以] [N]]×100

其中[Nr] =以rpm為單位的轉子速度

因此，在軸轉速為1790轉/分鐘下運行的無負載，高效率四極電機的滑差率為56％。這推導如下：[（1800-1790）[除以] 1800]×100。相同的電動機，滿載，可能具有1750rpm的軸速。在這種情況下，滑移率為2.78％，推導出：[（1800 - 1750）[除以] 1800] x 100. 1800 rpm同步速度感應電機的滿載軸轉速通常在1780至1750之間變化。 1730轉。該速度取決於電動機效率/設計特性。

較慢的速度（滑動量）允許轉子穿過由定子建立的磁通線，從而為其磁性需求產生電力。隨著電動機蟾蜍的增加，轉子的速度降低，導致磁通線以更高的速率切斷。這在轉子條中引起更多電壓和更多電流，從而產生更多電功率以抵消扭矩需求的增加。當磁通線以更高的速率穿過時，更多的電流流動，並且由於[I 2] R損耗而導致加熱增加。