将新的变频驱动器匹配到现有电动机

连接到VFD的电动机接收的功率包括可变的基频，载波频率和非常快速的电压建立。这些因素可能产生负面影响，尤其是在使用现有电动机时。当使用变频驱动器(VFD)为现有感应电动机供电时，可能会出现许多潜在问题。因此，您应该执行。

当使用变频驱动器(VFD)为现有的感应电动机供电时，可能会出现许多潜在的问题。因此，您应该进行仔细的研究，以确定这些问题是否严重到足以引起对此类安装的重新考虑。使用VFD，通常剩余可用年限的现有电动机可能突然失效。

现有电动机仅设计用于60 Hz，仅50 Hz或60/50 Hz服务。因此，您必须质疑新的VFD是否可以与您现有的电动机匹配，并且仍然使电动机性能相当好。换句话说，电动机是否能够处理可能导致更大的振动，热量上升等并可能导致听觉噪声增加的其他因素?

高频可能会导致问题

在将VFD应用于现有电动机时，应注意由高脉冲频率引起的可能的副作用。这些负面影响包括额外的热量，可听见的噪音和振动。同样，脉冲宽度调制(PWM)电路(请参见侧栏“可调速驱动器的基础知识”，第38页)会导致载波频率的高电压上升率，并且可能导致电动机绕组的端匝绝缘击穿，因为以及馈线电缆绝缘。

载波频率是在可变基频下获得电流的副产品，这是电动机中增加瓦特的原因。该功率实际上是浪费的能量，会增加电动机的热量。此类损耗的量取决于电动机的定子和转子设计以及载波频率而变化。

如果使用的频率不是基本频率，则电动机会以很高的打滑率运行，因此运行效率低下。(滑差是定子磁场的旋转速度[感应电动机的同步速度]与转子速度之间的差。)此外，转子切割了许多磁通线。这种现象会产生额外的瓦数和额外的热量。(请注意，电流中的高频波纹很小，并且额外的热量比纯正弦波产生的热量高出5%至10%左右)。

由60 Hz功率供电的四极电机的同步速度为1800 rpm。当考虑由4 kHz的电压载波频率引起的电流基频中的“泛音”或纹波时，同一电动机将基于该高频使电流流过该电动机。因此，由调整为10Hz输出的VFD供电的四极60Hz设计电机(额定满载速度为1750 rpm)的转子将以1/6额定速度旋转。如果负载的转矩要求在低速至全额定速度下恒定，则转差rpm保持恒定。(有关滑移的更多信息，请参阅第38页的“已知术语”和第46页的“某些电动机基础知识”。)对于以10 Hz运行的上述电动机，轴将以250 rpm的转速旋转。

转子在以250 rpm的转速转动时，基于10 Hz基本频率和300 rpm的同步速度(1800 rpm的1/6)，越过磁通线(磁场)，但由于载波频率电压为4 kHz。4 kHz的同步速度为120,000 rpm([120 x 4000] [除以4])。

基于120,000 rpm的同步速度和250 rpm的轴速度，您可以看到，与由载波频率(4 kHz)引起的300 rpm的同步速度相比，由于载波频率(4 kHz)而被切割的磁通量的电磁线相当大。 -Hz频率。通过削减由载波频率引起的额外磁通量，将这个额外的电流传输到转子条，产生的有用功率很小。该电流的大部分以热量的形式消散，从而增加了电动机的温度升高。如果电动机在满负荷运行，则这种额外的热量又会在电动机中产生约5%到10%的热量，并且会在电动机的转子条和定子绕组上施加附加的热应变。这种高频功率无法有效地产生转矩。

由于提到了这些条件和其他条件，您可能希望在将现有电动机连接到VFD时降低其额定值。电机耗散的载波频率的能量取决于电压的幅度和频率，以及在合成频率下电机的电抗和电阻。电流的幅度由电压与阻抗之比确定，而损耗的瓦数则是电流平方乘以电阻的乘积。

其他不良副作用

您还应该注意由高频引起的其他潜在副作用。其中包括不良的听觉噪声，有害的振动和轴承问题。

振动和噪音问题。为避免噪音和振动问题，建议使用的电动机不要具有会在电动机(及其负载)产生的频率上发生谐振的组件。在已知功率频率(例如60 Hz)的系统上，这是可能的。但是，当今的VFD没有标准载波频率，其基频范围可以从60 Hz的不到10%到60 Hz的100%，甚至更高。根据VFD的品牌和型号与现有电动机配合使用，以及其他因素(如现场电气系统的特性)，某些组件中的共振可能会或可能不会被激发。

您还必须考虑到，当60 Hz设计的电动机以不同的频率运行时，电动机的各个组件可能会发生机械共振，例如风扇或轴。每个组件都有其自身的自然机械频率，通过线圈和转子棒的电频率会导致机械振动与初始设计参数不同。当电频率与机械部件的固有频率匹配时，可能会出现严重的问题。这可能包括组件的分解。

轴承问题。另一个尚未完全理解的可能问题是，支撑轴的滚子/滚珠(减摩)轴承的缓慢分解。看来这是由于轴承电流和静电放电引起的。发生的结果是在滚子/滚珠表面上出现点蚀，并在累积时使轴承产生噪音。如果不解决，振动将开始发展。

气流问题。在非常低的速度下运行标准60 Hz电动机时，应考虑的另一个因素是，固定并固定在转子上的风扇可能无法产生足够的气流来有效地冷却电动机。这是因为气流与轴速度成正比。因此，以一半的轴速，空气流量是正常流量的一半。为了补偿低速电动机时的低流量气流，如果可以安装，则将等速鼓风机组件连接到电动机的背面通常会提供足够的冷却。

导体绝缘击穿

如前所述，PWM电路会导致载波频率上的高电压上升速率，从而导致电动机绕组的端匝绝缘击穿，以及馈线电缆绝缘可能击穿。这与电压的非常高的上升速率(电压随时间变化的速率)以及由VFD引起的非常快速重复的电压脉冲有关。[省略图3的图示]。由于这种现象，电机中发生了导体绝缘故障。该主题尚未完全理解，目前正在研究中。有关此问题的已知事实总结如下。

目前使用的VFD逆变器部分中的开关会导致电动机绕组内的瞬时匝间电压大大高于等效的正弦波电源产生的电压。

基本电压的每个周期都包含多个电压脉冲。

电机与其VFD之间的距离过长会导致匝间电压变得更高。

有不同的方法来解释为什么电动机端子处的电压会增加。有些人用谐振电容/电感(LC)电路来解释它。其他人用驻波理论来解释它。两种方法最终都有相似的结果。当电动机与其VFD之间的距离超过临界距离(可能低至30英尺)时，电压过冲可能会超过最初在VFD输出端子上传递的电压脉冲幅度的两倍。

对于每个PWM脉冲，此较高的电压以很高的变化率从零伏到峰值产生一个高的变化率，以至于它在绕组上的分布不均匀，从而在最接近的匝中产生高匝间电压到电源线。结果会在导体绝缘层上施加很高的应力，这会导致绝缘层的早期损坏。

可提供特殊的逆变器占空电动机，其设计目的是满足或超过NEMA标准MG1电动机和发电机第.31.40.4.2节“电压尖峰”中定义的电压幅度和上升时间。在将现有电动机连接到电缆长度较长的VFD时，应考虑使用滤波器以减少电缆较长引起的影响。

皮肤效应助长损失

除了上述问题之外，您还应该注意另一个损耗成分：集肤效应。趋肤效应导致交流系统中的电流聚集到导体的外表面。这种现象使电阻与电流频率的平方根直接相关。换句话说，频率越大，归因于集肤效应的电阻就越大。载波频率通常在800 Hz至15 kHz之间，在这些高频下的电流将导致[Isup.2] R损耗。尽管高频电流是相对标称的，但损耗与电流的平方功率有关。而且，由于其基本的高值，即使在其平方根处，载波频率也可能有些有效。

电机的应用非常重要

您应该记住，电动机是恒转矩机器。换句话说，在额定速度和额定扭矩下，它将产生一定的功率。当通过频率降低和电压降低来降低速度时，如果负载要求，电动机会通过消耗更多电流来尝试保持恒定的马力。这可以在一定程度上完成。随着更多的电流流动，会产生更多的热量，并且电动机过热不会花很长时间。

对于在所使用的整个速度范围内对功率有恒定要求的情况，至关重要的是，电动机的尺寸必须符合预期的最低轴速下的功率要求。例如，如果所需的速度范围是额定速度的50%至100%，而负载的马力要求是100 hp，则电动机仍必须能够以50%的速度产生100 hp的功率。这也意味着在100%的速度下，电机的功率输出(按负载要求)也将为100马力;但是，负载的转矩要求将降低50%。在全速下，电动机将能够产生200 hp的功率，这意味着电动机将比正常情况下更大。

使用VFD，通过降低基频以实现较低速度，电压也与速度降低成正比降低。如前所述，转子速度为一半时的460V电动机的线路两端将具有230V的电压。因此，如果电动机的额定功率在全速时为100 hp，则其输出在半速时仅为50 hp。

某些负载(例如车床和磨床)在其整个运行速度范围内都需要恒定的马力。假设VFD正在为20马力的车床电动机供电，该电动机的速度降低了25%(3/4额定速度)。车床的旋转卡盘(用于容纳切削工具加工的某些材料)在整个使用速度范围内都需要恒定的马力。如果速度降低25%，电压将降低25%。为了使电动机保持恒定的马力输出，它将多消耗33%的电流(正常安培数的4/3)。因为电流会产生热量(主要是[Iups2] R损耗)，所以电动机将必须具有足够的热容量来处理额外的安培数。

根据电动机的使用系数(SF)，某些电动机可以承受一定量的过大热负荷。通常，SF的范围是1.0到1.15;超过此点，将发生电机损坏。由于使用VFD降低了电压，因此，如果需要恒定的马力，则必须提高电动机的马力额定值，以使其与使用的最低转速下的负载要求相匹配。当然，这意味着在以更高的速度使用时，电动机会被过度构建;在以低于满载的速度运行时，电动机将具有更高的损耗和更低的功率因数(PF)。但是，较低的PF由VFD补偿。这是必须接受的条件。否则，您会遇到麻烦。

使用电机时，记住以下关系会有所帮助：

1匹马力= 0.746千瓦= [3英尺·磅x 1750 rpm] [除以] 5250

这些数字均可以更改。但是，这样做时，必须保持等式两边相等。扭矩为英尺-磅。如果马力保持恒定并且速度(rpm)降低，则显然必须增加扭矩。因此，在上述电动机应用中(速度降低25%)，电动机的转矩输出必须增加33%。如果kW保持恒定并且电压降低(使用VFD降低速度会发生这种情况)，则必须增加电流。这可能导致过热。电机使用不当是导致电机故障的主要原因之一。

如果有人建议为您现有的电动机购买VFD，并且要进行调整以使输出电压对于任何特定的基频设置为任何值(上限为VFD的输入电压)，请谨慎使用。

可以进行这种调整;例如，您可以调节VFD以在30 Hz下产生460V。如果线路电压为460V(因此为最大电压)，则当基频增加超过设定点时，流向电动机的电压将保持恒定。

让我们再次看上面的例子之一。假设半速时需要100 hp，并且VFD已调整为在30 Hz下提供460V。如果使用额定功率为100 hp的现有电动机，将会发生什么?好吧，电动机将尝试以半速提供100 hp的功率，如果在电压保持恒定为460V的情况下提高基本频率，则电动机将继续尝试。(请注意，当基频低于设定值[例如15 Hz]时，电压将成比例降低，在这种情况下降至230V。)在30 Hz和460V时，该现有电机定子中的铁磁饱和，这会导致更多的电流流过，并且电动机变得过热。这种情况可能会破坏导体绝缘，并对其他电动机组件产生负面影响。电动机通常在其定子中装有足够的铁，以承受一定的伏特与频率之比(V / Hz)。但是，当比例大幅度增加时，就需要更多的铁。否则会导致过热。

尽管如此，在460V下使用30 Hz仍是在恒定马力下获得可调速度的有效方法，前提是电动机定子中的铁芯设计为具有更高的V / Hz比。这意味着必须在电动机的定子中放置更多的铁。今天制造的某些电动机的定子中有多余的铁，可以在高V / Hz比率下运行。您必须为他们支付额外费用。但是对于某些类型的应用(例如上述)，与使用容量为两倍的现有电动机相比，此类电动机可能具有成本效益。这是因为高级电动机可以在30 Hz，460V和正常电流下运行，而现有的大容量电动机在30 Hz，230V的条件下运行，则必须使用两倍的电流，并且会遭受与高电流相关的损耗。当前操作。

摘要

将电动机应用于需要在宽速度范围内保持恒定马力的负载时，经常会发现与熟悉电动机的人一起工作会很有帮助。什么时候。将现有的电动机用于这种用途，通常会在电动机的能力和实际马力输出之间做出折衷，换句话说，是电动机的降额。在这种情况下，最好购买具有您所需需求的新电动机。

当您将电动机用于扭矩要求在所施加的整个速度范围内保持恒定或降低的应用中时，VFD将是实现速度控制的一种很好的方法，前提是电动机能够处理传递给它的失真电力由VFD。在电动机的整个速度范围内转矩要求保持恒定或降低的应用包括风扇，泵和传送带。

在某些负载下，例如离心泵和风扇，当速度降低时，转矩通常会随速度的平方而降低，而马力会随速度的立方而降低。因此，如果将马力设置为速度要求的低端(例如10 hp时为50%额定速度)，则全速时的马力要求将是八倍，即80 hp。如您所见，在这种情况下，功率要求的决定因素必须基于满负荷条件。

须知

逆变器 将直流电转换为交流电的机器，设备或系统。对于VFD，逆变器操作是通过诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和栅极关断(GTO)晶闸管之类的设备执行的。

整流器。将交流电转换为直流电的机器，设备或系统。PWM型VFD中的整流由所谓的“桥电路”中的二极管完成。

同步速度。对于感应电动机，定子磁场的旋转速度称为同步速度，该同步速度等于(以rpm为单位)：[120] x [f(以Hz为单位的线路频率)] [除以] P(极数)。

滑。该术语反映了感应电动机的同步速度与其转子速度之间的差异。滑移率(以百分比为单位)等于[(同步速度-转子速度)[除以同步速度] x 100。

相关文章：可调速驱动器的基础

VFD的类型不同，但是它们都使用改变基本频率(60 Hz或50 Hz)的原理来改变速度。VFD的基本组件是整流器/逆变器设备(后者包括电气开关设备)和电子控件。VFD将输入的60 Hz电源更改(整流)为DC，然后将DC更改(反相)为AC，但频率要可调。

对于极数恒定的电动机，基频与电动机的轴转速之间存在直接关系。因此，以半额定速度运行的60 Hz额定电动机将由产生30 Hz功率的VFD供电。

当今正在生产的最流行的VFD类型通过脉冲宽度调制(PWM)产生交流电，该交流电将正弦波分成每半个周期恒定振幅的DC段。一个完整的周期由一半的正电压段和一半的负电压段组成。电力的这种调制处理对于每个半周期产生非常高的频率(在800 Hz至15 kHz之间的范围内)的直流电压脉冲。在示波器上观察时，这些脉冲是矩形的，并且在半个周期的中央变宽(持续时间较长)，在半个周期的末尾变窄。[省略图1的说明]，第41页。)

电压脉冲的高频为十，称为载波频率。每半个周期的大量直流电压“击发”使直流总线电压从零到满的上升时间为十分之一微秒。电压脉冲的这种上升速率(电压从零伏到峰值伏特的变化)远高于正常正弦波的电压上升速率。由于高的电压上升速率，会产生电压尖峰。

当PWM型VFD产生高频脉动电压时，与阻抗成反比的结果电流实际上为正弦波形式，但存在许多小的不规则性，例如由谐波产生的音调频率。乐器以及与乐器相关的泛音。通常，在这些高频(800至15 kHz)下的总谐波失真(THD)约为5%至10%。

PWM过程产生的输出是具有正弦波的电流，该正弦波的范围可以从1到60 Hz(有时，高数字可能会超过60 Hz，以获得超过额定速度的转子速度)。但是，电流波形实际上是基频加上调制处理过程中产生的所有超高频的总和，用于产生脉动电压。由于电机绕组的电感，电流波形呈正弦波状，并叠加有高频“噪声”。这会导致当前的正弦波具有许多小的波动或“泛音”，如图2，第41页。

VFD的输出具有两个组成部分：可调基频和载波频率。因此，正在以这些类型的频率为连接到VFD的电动机供电。

高载波频率对电机的影响可能是有害的。为了减少这种影响，许多VFD现在使用异步切换，这导致载波频率以非常高的速度不断改变频率。这样，VFD限制了由载波频率引起的至少一种负面影响(噪声)。

您应注意，由于降低了基础频率(确定电动机的转速)以降低额定轴rpm，因此电压也以相同的比率降低。这意味着，对于以额定速度50%运行的460V电动机供电的VFD，VFD正在向电动机提供30Hz的电源，并且正在以230V的电压供电。因此，电动机产生的扭矩相同，但仅以一半速度和一半额定马力产生。

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在一定负载下使用电机时，了解电机特性和负载特性非常重要。并且，在使用VFD时，这种理解变得更加重要。

感应电动机通常额定用于特定速度，是当今使用最广泛的驱动机构。对于给定的稳态负载，这些电机将保持恒定的轴速。换句话说，除了由于负载变化引起的额定转速略有变化外，电机的轴转速不会变化。取而代之的是，它由电动机输入电源的频率和电动机极数确定。

如今，当驱动系统需要调速时，通常的方法是购买VFD并使用设计用于处理其他参数的电动机，这些参数超出了正常60或50 Hz正弦波运行所需的参数。因此，VFD和电动机通常从一个来源订购为一包。这样，您不仅可以获得匹配设计的电动机和VFD，而且还受益于只有一个制造商来应对出现的问题。(请参阅第38页上的照片。)

但是，出于成本考虑，可能会促进现有电动机与新VFD的匹配。在这种情况下，需要仔细分析此匹配项。

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感应电动机的同步速度由以下公式表示：

[N.s.] =(120xf)[除以] P

其中[Ns] =同步速度(以rpm为单位)

f =以Hz为单位的线路频率

P =极数

例如，四极，60 Hz感应电动机的同步速度为1800 rpm([120 x 60] [除以4])。

电动机的转子速度始终小于同步速度，因为前者通过比定子磁场慢的旋转来获取电能。(对于发电机，情况恰恰相反;转子的旋转速度快于同步速度，将电能输送到端子。)这种速度差异称为打滑。滑移率由以下方程式表示：

%滑移率= [([Ns]-[Nr]])[除以] [Ns]] x 100

其中[Nr] =转子转速，单位rpm

因此，以1790 rpm的轴转速运行的空载，高效四极电机将具有56%的滑差率。得出如下：[((1800-1790)[除以] 1800] x 100]。满载的同一电动机的轴速度可能为1750 rpm。在这种情况下，滑移率将为2.78%，推导为：[(1800-1750)[除以1800] x100。1800 rpm同步速度感应电动机的满载轴速度通常在1780至1730转/分。该速度取决于电机效率/设计特性。

较低的速度(打滑量)使转子能够越过定子建立的磁通线，从而产生满足其磁性需求的电力。随着马达的蟾蜍增加，转子的速度降低，从而导致磁通线以更高的速率被切断。这会在转子条中感应出更多的电压并产生更多的电流，从而产生更多的电能来抵消转矩需求的增加。当磁通线以较高的速率通过时，更多的电流流动，并且由于[Iups2] R损耗而使热量增加。了解更多电机专业知识及技巧，可加入qq群136274082，业内专业老师傅解答。