对于笼型异步电动机采用变频器传动时其选择要点如下:
1.电流电动机采用变频器运转同采用工频电源运转相比,由于变频器输出电压、电流中所含谐波的影响,电动机的效率、功率因数将降低,电流增加。
(1)对于同一负载,用通用变频器传动与工频电源传动相比,电流约增加10%.
(2)标准电动机的额定电压、额定频率通常用200V级或400 V级定额来表示,如:200/220V、50/60Hz或400/440V、50/60Hz.各定额下的额定电流分别为:I200/50、I200/60、或I400/50、I400/60、I440/60,则各电流有下列关系(50Hz时为最大)。
I200/50>I200/60>I220/60>I400/50>I400/60>I440/60因此,电动机的温升也是50 Hz运转时为最大,在60Hz运转时温升有裕量。
(3)电动机用变频器运转时,作为电动机,根据上面(1)、(2),在60Hz时可以在额定电流(额定转柜)下使用。
但是,在50Hz肘温升裕量小,所以必须降低负载转矩使用。另一方面,作为变频器的额定电流,在电动机60Hz时应为额定电流的110%以上,50Hz时为额定电流的100%以上。
(4)一般的通用变频器,是考虑对4极电动机的电流值和各参数能满足运转进行设计制造的。因此,当电动机不是4极时(如:8极、10极等多极电动机),就不能仅以电动机的容量来选择变频器容量,必须用电流来校核。
电动机负载非常轻时,即使电动机电流在变频器额定电流以内,亦不能使用比电动机容量小很多的变频器。这是因为电动机的电抗随电动机的容量而不同,即使电动机负载相同,电动机容量越大,其脉动电流值就越大,因而有可能超过变频器的过电流耐量。例如:
7.5kW的电动机在2.2kW(负载率30%)下使用时,见表1所示。
表1 电动机轻载时电流值与变频器的额定电流(电动机为7.5kW、4极、200V、50Hz)
根据电动机在2.2kW时的电流采用3.7kW的变频运转就足够了。但是,3.7kW 4极的电动机在100%负载(电动机电流17A)运转时的电流波形如图1(a)所示。7.6kW 4极电动机在轻载下(电动机电流17A)运转时的电流波形如图1(b)所示。两者比较便可看出,即使电动机电流相同,7.5kW的脉动电流值却变得相当大了。对于本例必须选取用5.5kVA的变频器。
2.低速运转时的转矩特性标准电动机采用变频器低速运转时,对于U/f-定的转矩控制,各频率下运转电流大体同电动机额定频率下的运转电流一样。因此,主要是电动机的铜损造成的温升。
在这种低速运转情况下,即使电动机的铜损大体与额定时相同,由于转速越低,电动机冷却效果越差,电动机定子绕组温升也发生变化,如图2所示。因此,通常标准电动机的低速下使用时,必须与此温升相应地减小运转转柜(电流),降低铜损使用。
作为一例,图3示出标准电动机与变频器组合时各频率下的容许连续运转矩。通常,根据此运转转矩,对于风机、泵等二次方减转矩负载可以使用,但对于恒转矩负载就必须加大电动机与变频器两者的容量,或者选用恒转矩变频器传动专用电动机。
在选用时一定要详细了解变频器说明书、技术资料。
3.短时最大转矩标准电动机在额定电压、额定频率下通常具有输出200%左右最大转矩的能力。
如果用变频器运转标准电动机,其转矩特性有下列限制。
(1)为了保护主电路电力电子器件等,变频器设有限流功能和过电流时中断晶体管工作等功能,以防止超过耐量的电流流过。此过电流耐量通常为变频器额定电流的150%左右。
(2)在数赫的低频区运转时,电动机电阻在阻抗中占的比例增大,转矩特性大幅度降低。
由以上两个限制,电动机与变频器组合时最大转矩值的一例如图3所示。从图中可以看出,特别是在低频区最大转矩值变小。在负载变动大或需要起动转矩大等情况下,要注意容量的选择,如使用上一级的电动机与变频器等。
4.容许最高频率范围通用变频器中有的可以输出工频以上的频率(例如120Hz或者说240Hz),但电动机是以工频下运转为前提而制造的,因此在工频以上频率使用时,必须确认电动机容许最高频率范围。通常电动机容许最高频率范围受下列因素限制。
(1)轴承的极限转速;(2)风扇、端子等的强度;(3)转子的危险速度;(4)其他特殊零件的强度。
考虑了这些限制因素,电动机容许最高频率范围的一例见表2所示。
5.噪声电动机用变频器运转时,与工频电源相比噪声有些增大。特别是电动机在额定转速(频率)以上运转,通风噪声非常大,采用时必须充分考虑。
另外,在低速运转同工频电源传动时相比也有刺耳的金属声(磁噪声)发生(采用IGBT、IPM变频器,这种现象几乎没有),可以使用噪声改善用电抗器(选件)以降低磁器声。
6.振动电动机用变频器在运转时,就电动机本身来说,同工频电源相比,振动并没有大幅增加。
但是,把电动机安装在机械上,由于与机械系统的固有频率发生谐振以及与所传动机械的旋转体不平衡量大时,往往发生异常振动。此需要考虑修正平衡、采用轮箍式联轴节或防振橡胶等措施。
前面说明了电动机与通用变频器组合时的情况,但电动机是按工频电源下能获得最佳特性而设计的,所以用通用变频器运转时,根据用途在特性、强度等方面受到限制。因此,为变频器传动而设计的各种专用电动机已系列化。
变频器专用电动机的分类有以下几种:
(1)在运转频率区域内低噪声、低振动的变频器专用电动机;(2)在低频区内提高连续容许转矩的变频器专用电动机(恒转矩式电动机);(3)高速传动变频器专用电动机;(4)用于闭环控制(抑制转速变动)的带测速发电机的电动机;(5)矢量控制用电动机。
变频器专用电动机是适用于变频器传动的电动机,选用时要十分注意。
下面说明各种专用电动机的概要及选择时注意事项等。
1.低噪声、低振动的变频器专用电动机磨床、自动车床等机床,由于加工精度上的原因要求低振动,近几年电动机多使用变频器调速。另外通常从公害和改善工作环境等方面考虑,要求电动机低噪声也变得强烈,这种专用电动机用变频器传动时,其噪声、振动同标准电动机的比较如图4、图5所示。
如前所述,变频器传动时噪声、振动变大,除高速区的风声,其原因由于较低次的脉动转矩引起的。特别是电动机气隙的不平衡和转子的谐振是振动较大的原因,也是电磁噪声增大的原因。另外,与风扇罩等电动机零件的谐振也能产生电磁噪声。其大小随电磁脉动的增大而增大。因此,为降低振动与电磁噪声,可以考虑以下几点。
(1)减小气隙不平衡;(2)使各部件的固有频率与电磁脉动的分量错开;(3)减小电磁脉动的大小;(4)采用五相集中绕变频器调速异步电动机,它具有功率密度高、输出转矩大、电磁振动和噪声低等优点。
2.提高转矩特性的变频器专用电动机一般电动机用变频器传动时,即使频率与工频电源相同,电流也增加约10%,温升则要提高约20%;在低速区,冷却效果和电动机的最大转矩均降低,因而必须减轻负载。但是根据用途,要求低速区有100%的转矩或者为了缩短加速时间,要求低速输出大转矩的情况时有发生。对于这样的用途如果采用一般电动机,则电动机容量需要增大,根据情况,变频器的容量也要增大。基于此,制造厂家生产了100%转矩可以连续使用到低速区的专用电动机,并系
列化,这种专用电动机转矩特性如图6所示。从6Hz到60Hz可以用额定转图6 100%转矩专用电动机的连续定额范围一矩连续运转。给这种专用电动机供电的变频器,可以采用标准规格,也可采用特殊的专用变频器。提高转矩特性的专用电动机与一般电动机的转矩一转速曲线比较,如图7所示。但是由于电流受变频器容许电流的限制,对于需要急加减速的场合,即使连续使用转矩足够,也会发生转矩不足。此时,推荐将变频器的容量增大。