Взаимодействие между преобразователем и электродвигателем

Влияние гармоник на характеристики электродвигателя

Асинхронный двигатель, работающий от преобразователя частоты с ШИМ, подвергается влиянию гармоник напряжения с частотой выше основной частоты питания. В зависимости от типа используемой ШИМ, частоты переключения и других особенностей управления, эффективность электродвигателя может снижаться, а потери, температура, шум и уровень вибрации повышаться.

Кроме вышеперечисленных, могут проявляться и другие эффекты при питании асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты. Диэлектрический стресс системы изоляции и напряжения вала совместно с потенциально опасными подшипниковыми токами являются хорошо известными побочными эффектами. Хотя они не являются производными только гармоник, но по другим причинам, которые в скором времени будут рассмотрены, они являются важными эффектами и не следует ими пренебрегать. Формы тока и напряжения, при питании ШИМ напряжением показаны на рисунке ниже.

Электродвигатель, питаемый от преобразователя частоты, испытывает пульсации (ШИМ) напряжения и практически синусоидального тока, так что гармоники напряжения обычно более высокой амплитуды, чем гармоники тока.

Существуют следующие решения для уменьшения гармоник, генерируемых преобразователем частоты:

Нормативы о выходных гармониках преобразователей

Не существует международной стандартизации определения максимально допустимых значений гармонических искажений напряжения и тока. Тем не менее, международные стандарты учитывают увеличение потерь электродвигателя из-за несинусоидального питания.

Стандарт IEC 60034-17 представляет собой пример увеличения потерь электродвигателя за счет питания ШИМ напряжением. Двигатель: IEC 315 габарит, номинальные значения крутящего момента и скорости.

Потери при питании синусоидальным напряжением:
А - Потери в обмотках статора
В - Потери в обмотке ротора
С - Потери в стали
D - Дополнительные потери нагрузки
Е - Потери на трение

Потери из-за гармоник:
F - Потери в обмотках статора
J - Потери в обмотке ротора
H - Потери в стали
I - Дополнительные потери нагрузки
J - Коммутационные потери

ПРИМЕЧАНИЕ: Работа двигателя IEC 315 габарита при номинальных значениях момента нагрузки и скорости.

IEC 60034-25 иллюстрирует увеличение потерь двигателя из-за ШИМ питания следующими кривыми:

NEMA MG1 - Часть 30 считает поправочный коэффициент (уменьшения крутящего момента), чтобы избежать чрезмерного перегрева двигателя, который питается от преобразователя, компенсируя циркуляцию гармонических токов, что возникают за счет содержания гармоник напряжения при ШИМ:

Где:
n - порядок нечетной гармоники, не считая тех, которые делятся на три;
Vn - относительная величина частоты напряжения n-ой гармоники.

Об энергоэффективности

Отсутствие международных стандартов, определяющих процедуры испытания для оценки энергоэффективности системы (двигатель + преобразователь) позволяет проводить такие испытания различными и не спорными способами. Таким образом, полученные результаты не должны влиять на одобрение (или нет) характеристик двигателя, за исключением случаев обоюдного согласия между заказчиком и изготовителем. Как показывает практика, эти соображения верны, о чем указывается ниже.

• Асинхронный электродвигатель, питаемый ШИМ напряжением, имеет более низкую эффективность, чем при питании чисто синусоидальным напряжением, в связи с увеличением потерь, вызванных гармониками;
• В любом случае, при работе асинхронных электродвигателей от частотных преобразователей, Должна оцениваться эффективность системы в целом, а не только электродвигателя.
• Каждый случай должен быть должным образом проанализированы с учетом характеристик, как двигателя, так и преобразователя, учитывая параметры: рабочая частота, частота переключения, диапазон скоростей, нагрузка и мощность двигателя, суммарного коэффициента гармонических искажений и т.д.
• Тип измерительных приборов чрезвычайно важен для правильной оценки электрических величин на системах с ШИМ напряжением. Правильные среднеквадратичные значения должны быть использованы для того, чтобы обеспечить верные измерения мощности.
• Увеличение частоты коммутации увеличивает КПД двигателя и снижает КПД инвертора (из-за увеличения потерь на переключениях силовых ключей).
• При питании от преобразователя частоты энергоэффективные электродвигатели сохраняют свой КПД выше, по сравнению с КПД стандартных двигателей.

Влияние изменения скорости на КПД электродвигателей

Эффект влияния изменения скорости на эффективность двигателя можно понять из анализа изменения выходной мощности электродвигателя питаемого от преобразователя частоты в зависимости от его скорости.

Предположим, например, что базовая частота для вышеописанного примера равна 60Гц:

Учитывая, что потери в двигателе, складываются из тепловых потерь (P_J) и потерь в железе (P_I) и предполагая, что тепловые потери преобладают, то КПД двигателя уменьшается на низких скоростях, где выходная мощность двигателя снижается и, несмотря на незначительное снижение потерь в железе (зависит от частоты), тепловые потери (пропорциональные квадрату тока) сохраняются почти постоянными при постоянной нагрузке, так что, в конце концов нет значительного изменения общих потерь.

Некоторые практические значения, полученные для стандартных двигателей методом измерения входных/выходных параметров, показаны ниже:

Двигатель 55 КВт - 6 полюсов - 400 В - 50 Гц

Двигатель 11 КВт - 4 полюса - 400 В - 50 Гц

Влияние преобразователя частоты на повышение температуры обмоток электродвигателя

Асинхронные двигатели могут больше нагреваться при питании их от преобразователя частоты, чем при питании от источника синусоидального напряжения (от сети). Больший нагрев является результатом увеличения потерь в электродвигателе из-за влияния высокочастотных составляющих ШИМ напряжения и часто уменьшается теплоотдача как результат изменения скорости (чем меньше скорость вращения двигателя - тем меньше охлаждающий воздушный поток).

Гармонические искажения напряжения способствуют увеличению потерь в двигателе, как только возникают незначительные гистерезисные петли в стали статора, увеличивается эффективное магнитное насыщение сердечника, и повышаются высокочастотные гармонические токи, которые вызывают дополнительные тепловые потери.

Однако, эти высокочастотные составляющие не участвуют в создании крутящего момента в двигателе, так как они не увеличивают магнитный поток в воздушном зазоре, который вращается с синхронной скоростью. Продолжительная работа на низких скоростях приводит к снижению самовентиляции корпуса двигателя, следовательно, ухудшается охлаждение двигателя и, таким образом, повышается установившаяся температура.

При работе с преобразователем частоты должны быть учтены эффекты, упомянутые выше. Существуют основные следующие решения, чтобы избежать чрезмерного перегрева двигателя при работе от преобразователя частоты:

• Снижение крутящего момента (увеличение габарита самовентилируемого электродвигателя);
• Использование независимой системы охлаждения (принудительная вентиляция);
• Использование "Решения Оптимального Потока" (исключительно для приложений, использующих преобразователи и двигатели WEG).