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技術(shù)資料
Technical Data
一、什么情況需要選用專門變頻電機(jī)？
1、高頻調(diào)速與寬范圍運(yùn)行工況
當(dāng)設(shè)備需要長時間在20Hz-100Hz寬頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時，普通電機(jī)因設(shè)計(jì)局限會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不足、散熱惡化等問題。
2、嚴(yán)苛環(huán)境下的連續(xù)運(yùn)行
在礦山破碎機(jī)、港口起重機(jī)等重載沖擊性負(fù)載場合，電機(jī)需承受頻繁啟停和瞬時過載。專用變頻電機(jī)采用強(qiáng)化軸承結(jié)構(gòu)（如SKF絕緣軸承）和真空壓力浸漆工藝，其轉(zhuǎn)子動平衡等級可達(dá)G2.5，比普通電機(jī)提升2個數(shù)量級。寶鋼集團(tuán)的熱連軋生產(chǎn)線改造中，專用變頻電機(jī)在80℃環(huán)境溫度下連續(xù)運(yùn)行8000小時后，軸承磨損量僅為普通電機(jī)的1/3。
3、精密控制與低噪聲要求
醫(yī)療CT機(jī)、半導(dǎo)體晶圓搬運(yùn)機(jī)器人等設(shè)備對運(yùn)動平穩(wěn)性有極高要求。專用變頻電機(jī)通過正弦波濾波器優(yōu)化和電磁方案調(diào)整，可將電磁噪聲控制在55分貝以下。日本安川電機(jī)的測試數(shù)據(jù)顯示，其專用伺服電機(jī)在0.01Hz超低速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速波動率小于0.02%，而普通電機(jī)在相同工況下波動率超過1.5%。
4、能效敏感型長期運(yùn)行場景
對于年運(yùn)行時間超過6000小時的水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，專用變頻電機(jī)的優(yōu)勢更為顯著。其采用的低諧波繞組設(shè)計(jì)配合硅鋼片，使電機(jī)在30%-120%負(fù)載區(qū)間都能保持92%以上的效率曲線平坦度。廣州某污水處理廠的對比測試表明，使用專用變頻電機(jī)的曝氣系統(tǒng)，三年內(nèi)的綜合節(jié)電量達(dá)到普通電機(jī)組的27.6%。
5、特殊電源與諧波環(huán)境
在船舶電力系統(tǒng)、油田鉆井平臺等存在電壓波動（±15%）和諧波污染（THD>8%）的場合，專用變頻電機(jī)內(nèi)置的浪涌吸收裝置和加強(qiáng)型絕緣結(jié)構(gòu)能有效抵御共模電壓侵害。中國船級社認(rèn)證數(shù)據(jù)顯示，配備專用變頻電機(jī)的舵機(jī)系統(tǒng)，平均故障間隔時間（MTBF）延長至12000小時，比常規(guī)方案提升40%。
6、智能制造的集成需求
工業(yè)4.0環(huán)境下，電機(jī)需與PLC、傳感器深度集成。專用變頻電機(jī)標(biāo)配編碼器接口（如Endat2.2協(xié)議）和溫度監(jiān)測模塊，支持預(yù)測性維護(hù)。西門子SIMOTICS FD系列更內(nèi)置了振動分析功能，可通過OPC UA協(xié)議直接上傳設(shè)備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)。
從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度評估，當(dāng)初期投資增加不超過30%，且滿足以下任一條件時，選用專用變頻電機(jī)具有顯著回報(bào)：年運(yùn)行時間>4000小時、調(diào)速范圍>4:1、負(fù)載波動幅度>50%、環(huán)境溫度>60℃或要求MTBF>10000小時。隨著第三代半導(dǎo)體器件（SiC/GaN）的普及，未來專用變頻電機(jī)將在新能源汽車電驅(qū)、磁懸浮離心機(jī)等新興領(lǐng)域展現(xiàn)更大潛力。
二、普通異步電動機(jī)做變頻使用對電機(jī)性能的影響
1、電動機(jī)的效率和溫升的問題
不論哪種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行。高次諧波會引起電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)是以接近于基波頻率所對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗都會使電動機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%~20%。
2、電動機(jī)絕緣強(qiáng)度問題
目前中小型變頻器，不少是采用PWM的控制方式，其載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對電動機(jī)施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機(jī)運(yùn)行電壓上，會對電動機(jī)對地絕緣構(gòu)成威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。
3、諧波電磁噪聲與震動
普通異步電動機(jī)采用變頻器供電時，會使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的震動和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電動機(jī)機(jī)體的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動機(jī)工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機(jī)的各構(gòu)件的固有震動頻率。
4、電動機(jī)對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力
由于采用變頻器供電后，電動機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進(jìn)行快速制動，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動和制動創(chuàng)造了條件，因而電動機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。
5、低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題
電動機(jī)低速運(yùn)行時，當(dāng)電源頻率較底，電源中高次諧波所引起的損耗較大。同時，普通異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動機(jī)的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。
三、變頻電機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)使用的特殊之處
1、變頻電機(jī)在選用電磁線時，特別注重其耐電暈性能。為了保證電機(jī)能夠承受高頻脈沖和局部放電的挑戰(zhàn)，通常采用聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺復(fù)合層漆包線，這種電磁線具有出色的耐電暈和抗電暈特性。
2、在繞線、嵌線等施工工藝上，變頻電機(jī)嚴(yán)格控制每一個環(huán)節(jié)。特別是在繞線、嵌線過程中，要防止導(dǎo)線受損，確保槽絕緣、相絕緣、層間絕緣正確放置。相絕緣材料應(yīng)便于絕緣漆滲透，線圈端部要加強(qiáng)綁扎和固定，確保端部成為一個整體。加強(qiáng)電機(jī)槽底、相間、層間及線圈首末匝等部位的絕緣，有助于提升電機(jī)的耐電強(qiáng)度。
3、變頻電機(jī)的主絕緣必須采用無氣隙絕緣。變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中的氣隙是產(chǎn)生電暈的主要因素。為確保電機(jī)整體絕緣結(jié)構(gòu)中不含空氣隙，變頻電機(jī)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／TZ1707一2008《變頻調(diào)速專用三相異步電動機(jī)絕緣規(guī)范》的規(guī)定，使用不低于F級無溶劑漆作為浸漬漆，且揮發(fā)份小于10%，并采用VPI工藝。該工藝還能提高絕緣結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械強(qiáng)度。
4、變頻電機(jī)在變頻器、電纜和電機(jī)之間的匹配工作上下足功夫，限制電機(jī)與電源之間電纜的長度。由于電源線阻抗的不匹配，隨著變頻器到電機(jī)之間電纜長度增加，電機(jī)端的過電壓幅值也會增加，這容易引發(fā)局部放電。因此，根據(jù)變頻電源的具體特性和實(shí)際需求，變頻電機(jī)盡可能縮短聯(lián)結(jié)電纜的長度，以減小電機(jī)端的過電壓幅值和局部放電量，從而延長電機(jī)壽命。
四、變頻電機(jī)所采用的變頻器對電機(jī)的全方位保護(hù)功能
1. 過電壓防護(hù)：變頻器具備電壓監(jiān)測及自動調(diào)節(jié)功能，能有效防止電機(jī)遭受過高電壓的侵害。一旦電壓調(diào)節(jié)失效或超出正常值的110%，變頻器將立即自動停機(jī)，確保電機(jī)安全。
2. 欠電壓防護(hù)：當(dāng)電機(jī)電壓降至正常值的90%以下時，變頻器會立即啟動保護(hù)停機(jī)，避免電機(jī)因電壓不足而受損。
3. 過電流防護(hù)：若電機(jī)電流超過額定值150%持續(xù)3秒或200%持續(xù)10微秒，變頻器將立即停機(jī)保護(hù)，防止電機(jī)過載。
4. 缺相防護(hù)：變頻器實(shí)時監(jiān)測輸出電壓，一旦發(fā)現(xiàn)缺相，會立即報(bào)警并停機(jī)保護(hù)電機(jī)。
5. 反相防護(hù)：變頻器默認(rèn)單向旋轉(zhuǎn)，用戶需手動調(diào)整接線相序，以實(shí)現(xiàn)反相旋轉(zhuǎn)。
6. 過負(fù)荷防護(hù)：當(dāng)電機(jī)電流超過額定120%持續(xù)1分鐘時，變頻器將停機(jī)保護(hù)，防止電機(jī)因過負(fù)荷而損壞。
7. 接地防護(hù)：變頻器內(nèi)置接地保護(hù)電路，由接地保護(hù)互感器和繼電器組成，發(fā)生接地即報(bào)警，可選立即停機(jī)。
8. 短路防護(hù)：若輸出短路導(dǎo)致過流，變頻器在10微秒內(nèi)停機(jī)保護(hù)，防止電機(jī)受損。
9. 超頻防護(hù)：變頻器設(shè)定頻率限制，確保輸出頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超頻保護(hù)。
10. 失速防護(hù)：針對同步電機(jī)，變頻器通過過電流和過負(fù)荷保護(hù)；對于異步電機(jī)，則通過設(shè)置安全減速時間避免減速失速。
五、電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率運(yùn)行的特點(diǎn)
電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的特點(diǎn)（10HZ～50HZ）
電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的核心是電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩始終保持動態(tài)平衡，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而改變。
恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載指負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩大小由其自身物理特性決定，與電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速無關(guān)，常見的如帶式輸送機(jī)、起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)、機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。
電機(jī)啟動時，電磁轉(zhuǎn)矩需大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)加速；達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入?yún)?shù)（如電壓、電流、頻率），使電磁轉(zhuǎn)矩精準(zhǔn)匹配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；若負(fù)載轉(zhuǎn)矩短暫波動（如傳送帶突然壓上重物），電機(jī)能快速調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩恢復(fù)平衡，避免轉(zhuǎn)速大幅波動。
在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)場景中，需采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，如：直流電機(jī)通過調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速，只要保持電樞電流恒定即可維持轉(zhuǎn)矩恒定；交流異步電機(jī)通過“變頻調(diào)速+壓頻比（V/f）恒定”方式，維持氣隙磁通不變，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)矩恒定。
綜上，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行本質(zhì)是“負(fù)載需求固定+電機(jī)主動匹配”的過程，負(fù)載決定轉(zhuǎn)矩需求，電機(jī)通過參數(shù)調(diào)節(jié)確保不同轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩始終滿足負(fù)載要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行
電機(jī)恒功率運(yùn)行的特點(diǎn)（50HZ～100HZ）
電機(jī)恒功率運(yùn)行的核心實(shí)質(zhì)是電機(jī)輸出功率保持恒定，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈反比關(guān)系（依據(jù)公式P = T×n/9550，其中P為功率，T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速）。這意味著當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，其輸出轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減??；轉(zhuǎn)速降低時，轉(zhuǎn)矩則隨之增大，通過這種轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的反向動態(tài)調(diào)整，確保電機(jī)輸出功率始終維持在設(shè)定的恒定值。恒功率負(fù)載的關(guān)鍵特征是負(fù)載所需的功率基本固定，轉(zhuǎn)矩需求會隨轉(zhuǎn)速變化而反向適配，通常應(yīng)用于需要寬范圍調(diào)速且功率需求穩(wěn)定的場景。
電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行需采用特定的調(diào)速控制方式。對于直流電機(jī)，主要通過弱磁調(diào)速實(shí)現(xiàn)：通過減小勵磁電流，降低電機(jī)氣隙磁通，在電樞電壓允許的范圍內(nèi)提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時轉(zhuǎn)矩會隨磁通的減小而降低，最終保證輸出功率恒定。對于交流異步電機(jī)，可借助矢量控制中的弱磁升速模式，在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速以上的區(qū)間實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行，滿足高速工況下的功率穩(wěn)定需求。
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