Широко используются двигатели. До того, как преобразователя частоты не было, мы использовали самые частотные двигатели.

I. Обычные асинхронные двигатели рассчитаны на постоянную частоту и постоянное напряжение, и невозможно полностью удовлетворить требования преобразования частоты и регулирования скорости. Ниже показано влияние преобразователя частоты на двигатель:

1. КПД и повышение температуры двигателя. Независимо от типа частотного преобразователя, во время работы генерируются различные уровни гармонических напряжений и токов, поэтому двигатель работает при несинусоидальных напряжениях и токах. Согласно имеющейся информации, на примере широко используемого ШИМ-инвертора с синусоидальной волной, его низкочастотные гармоники практически равны нулю, а оставшиеся высокочастотные гармонические составляющие, примерно в два раза превышающие несущую частоту, составляют 2u+1 (где u — коэффициент модуляции). Более высокие гармоники приводят к увеличению потерь меди в статоре двигателя, потерь меди (алюминия) в роторе, потерь в железе и дополнительных потерь, наиболее значительными из которых являются потери меди (алюминия) в роторе. Поскольку асинхронный двигатель вращается с синхронной скоростью, близкой к основной частоте, высокочастотные гармоники напряжения задевают стержни ротора с большим проскальзыванием, что приводит к большим потерям в роторе. Кроме того, необходимо учитывать дополнительные потери меди из-за скин-эффекта. Эти потери приводят к выделению дополнительного тепла двигателем, снижению КПД и уменьшению выходной мощности. Если обычный трехфазный асинхронный двигатель работает в условиях несинусоидального выходного напряжения, подаваемого частотным преобразователем, то повышение его температуры, как правило, увеличится на 10–20%.

2. Прочность изоляции двигателя. В настоящее время во многих маломощных и средних инверторах используется ШИМ-управление. Его несущая частота составляет от нескольких тысяч до более чем десяти килогерц, что заставляет обмотку статора двигателя выдерживать высокую скорость нарастания напряжения, что эквивалентно подаче на двигатель резкого импульсного напряжения, и, следовательно, межвитковая изоляция двигателя подвергается более жестким испытаниям. Кроме того, прямоугольное импульсное напряжение, генерируемое ШИМ-инвертором, накладывается на рабочее напряжение двигателя, что представляет угрозу для заземляющей изоляции двигателя, и заземляющая изоляция будет быстрее изнашиваться при многократных воздействиях высокого напряжения.

3. Гармонические электромагнитные шумы и вибрации. При питании обычных асинхронных двигателей от частотных преобразователей вибрации и шумы, вызванные электромагнитными, механическими, вентиляционными и другими факторами, становятся более сложными. Различные временные гармоники, содержащиеся в источнике питания с регулируемой частотой, взаимодействуют с присущими электромагнитной части двигателя пространственными гармониками, образуя различные электромагнитные возбуждающие силы. Когда частота электромагнитной волны совпадает или близка к собственной частоте колебаний корпуса двигателя, возникает явление резонанса, что приводит к увеличению шума. Из-за широкого диапазона рабочих частот двигателя и большого диапазона изменения скорости трудно избежать влияния собственных частот колебаний каждого компонента двигателя на частоту различных электромагнитных волн.

4. Адаптивность двигателя к частым запускам и торможениям. Поскольку двигатель питается от частотного преобразователя, его можно запускать при очень низкой частоте и напряжении без пускового тока и быстро тормозить, используя различные методы торможения, обеспечиваемые частотным преобразователем. Это создает условия для частых запусков и торможений, в результате чего механическая и электромагнитная системы двигателя подвергаются воздействию циклических переменных сил, что приводит к усталости и ускоренному старению механической и изоляционной конструкций.

5. Проблема охлаждения на низких скоростях. Во-первых, импеданс асинхронного двигателя не идеален. При низкой частоте сети потери, вызванные высокочастотными гармониками в источнике питания, относительно велики. Во-вторых, при снижении скорости обычных асинхронных двигателей объем охлаждающего воздуха уменьшается пропорционально кубу скорости, что приводит к ухудшению условий охлаждения двигателя на низких скоростях, резкому повышению температуры и затрудняет достижение постоянного крутящего момента.

II. Тхарактеристики двигателя с преобразованием частоты

1. Электромагнитная конструкция. Для обычных асинхронных двигателей основными параметрами, учитываемыми при перепроектировании, являются перегрузочная способность, пусковые характеристики, КПД и коэффициент мощности. Что касается частотно-регулируемого двигателя, поскольку критическое скольжение обратно пропорционально частоте источника питания, его можно запустить напрямую, когда критическое скольжение близко к 1. Поэтому перегрузочная способность и пусковые характеристики не требуют особого внимания, но ключевой проблемой является улучшение реакции двигателя на источник питания. Адаптивность к несинусоидальным источникам питания. Метод обычно следующий:

1) Максимально уменьшите сопротивление статора и ротора. Снижение сопротивления статора может уменьшить основные потери в меди, компенсируя увеличение потерь в меди, вызванное высокочастотными гармониками.

2) Для подавления высших гармоник в токе необходимо соответствующим образом увеличить индуктивность двигателя. Однако реактивное сопротивление рассеяния пазов ротора велико, скин-эффект также велик, и потери меди на высокочастотные гармоники также возрастают. Поэтому при выборе величины реактивного сопротивления рассеяния двигателя следует учитывать рациональность согласования импедансов во всем диапазоне скоростей.

3) Основная магнитная цепь двигателя с регулируемой частотой вращения обычно проектируется в ненасыщенном состоянии. Во-первых, это связано с тем, что высокочастотные гармоники углубляют насыщение магнитной цепи. Во-вторых, это связано с тем, что на низких частотах выходное напряжение частотного преобразователя должно быть соответствующим образом увеличено для увеличения выходного крутящего момента.

2. Проектирование конструкции. При проектировании конструкции в основном учитывается влияние несинусоидальных характеристик мощности на изоляционную структуру, вибрационную и шумоизоляцию, а также методы охлаждения двигателя с регулируемой частотой вращения. Как правило, следует обратить внимание на следующие вопросы:

1) Класс изоляции , как правило, F или выше, для усиления изоляции заземления и прочности изоляции витков, особенно способности изоляции выдерживать ударное напряжение.

2) Что касается вибрации и шума двигателя , необходимо в полной мере учитывать жесткость компонентов двигателя и всей конструкции в целом, а также стремиться к увеличению его собственной частоты, чтобы избежать резонанса с каждой силовой волной.

3) Метод охлаждения: Как правило, для охлаждения используется принудительная вентиляция, то есть вентилятор охлаждения главного двигателя приводится в движение отдельным двигателем.

4) Для предотвращения токов в валу следует применять меры по изоляции подшипников для двигателей мощностью более 160 кВт. Основная причина заключается в том, что легко возникает асимметрия магнитной цепи и осевой ток. Когда токи, генерируемые другими высокочастотными компонентами, работают совместно, осевой ток значительно возрастает, что приводит к повреждению подшипников, поэтому обычно принимаются меры по изоляции.

5) Для двигателей постоянного тока с регулируемой частотой вращения, при скорости свыше 3000 об/мин, следует использовать специальную высокотемпературную смазку для компенсации повышения температуры подшипников. Двигатель с регулируемой частотой вращения может длительное время работать в диапазоне 0.1 Гц–130 Гц, обычный двигатель с 2 полюсами — в диапазоне 20–65 Гц, а с 4 полюсами — в диапазоне 25–75 Гц. 6-полюсный двигатель предназначен для длительной работы в диапазоне 30–85 Гц, а 8-полюсный — в диапазоне 35–100 Гц.

Выбор двигателя: 

В первую очередь мощность двигателя следует выбирать по средней мощности и максимальной мощности, требуемой грузом при его движении, в пересчете на сторону вала двигателя (может быть редуктор, шкив и другие редукторные устройства) , а также следует учитывать перегрузочную способность двигателя. Производитель двигателя может предоставить кривую характеристики крутящего момента двигателя, и характеристики двигателя будут меняться при разных температурах. Кстати: порядок выбора, конечно, заключается в том, чтобы сначала выбрать двигатель, а затем выбрать преобразователь частоты в соответствии с двигателем, потому что конечной целью управления является не преобразователь частоты или двигатель, а механическая нагрузка.