如今的变频器技术资料

如今，该技术更加复杂，大多数缺点是历史悠久的。 快速功率半导体和微处理器的发展使得可以以消除大多数有害谐波的方式调整开关模式。 

中功率范围（高达几十kW）的变频器可提供高达20 kHz的开关频率。 这种类型的变频器的感应电流将接近正弦曲线。 

在高开关频率下，感应损耗保持较低，但是变频器中的损耗会增加。 在过高的开关频率下，总损耗将变得更高。 

一些电机基础理论 
感应电动机中的扭矩产生可以表示为 

T = V *τ* B [Nm] 

V =转子有效容积[m ³ ] 
τ=每米定子孔圆周的电流 
B =气隙中的磁通密度 

B =与（E /ω）= E /（2 *π* f）成正比 

ω=定子电压的角频率 
E =感应定子电压 

为了在各种速度下获得性能，有必要为每种速度的感应保持适当的磁化水平。 

各种扭矩特性的范围如下图所示。 对于恒定转矩负载，V / F比必须恒定。 对于平方转矩负载，恒定的V / F比将导致在较低速度下过高的磁化强度。 这将产生不必要的高铁损和电阻损（I ²R）。 


使用V / F的平方比。 因此，铁损和I ² R损失降低到了实际负载转矩可接受的水平。 

如果看一下该图，我们发现电压已经达到值，并且不能增加到高于50Hz的基本频率。 基本频率以上的范围称为弱磁范围。 这样的结果是不再可能在不增加电流的情况下维持必要的扭矩。这将导致与正弦电网产生的正常欠电压相同类型的加热问题。 可能会超出变频器的额定电流。 

在弱化范围内运行 
有时，为了达到一个原本不可能的工作点，有一种尝试使泵以高于商用电网频率的频率运行。 这样做需要额外的意识。 泵的轴功率将随速度的立方而增加。 超过10％的超速将需要33％的输出功率。 粗略地说，我们可以预期温度上升将增加约75％。 


但是，我们可以以超速从感应中挤出的内容是有限的。 在弱磁范围内，感应的转矩将根据1 / F降低。 

显然，如果变频器无法以与转矩所需的电压对应的电压来支持感应，则感应将消失。 

降额 
在许多情况下，感应功率是由正弦电网以容量运行的，任何额外的热量都不能容忍。 如果使用某种变频器为这种感应供电，则很可能必须在较低的输出功率下运行该感应以避免过热。 

对于功率大于300 kW的大型泵，变频器会增加25％至30％的额外感应损耗，这并不罕见。 在较高功率范围内，只有少数几个变频器具有较高的开关频率：前一代变频器通常为500至1000 Hz。

为了补偿额外的损耗，有必要降低输出功率。 对于大型泵，我们建议一般降低10-15％。 

由于变频器会谐波污染电网，因此有时会由电力公司规定使用输入滤波器。 该滤波器通常会将可用电压降低5-10％。 因此，感应将以标称电压的90–95％运行。 结果是额外的加热。 降额可能是必要的。 

例 
假设使用正弦电网，实际泵电机的输出功率为50 Hz时为300 kW，温升为80°C。 30％的额外损失将导致感应温度升高30％。 保守的假设是，温升随轴功率的平方而变化。 

为了不超过80°C，我们必须将轴功率降低到 

P _降低 =√（1 / 1.3）* 300 = 263kW 

减小可以通过减小叶轮直径或通过降低速度来实现。 

变频器损耗 
确定变频器系统的总效率时，必须包括变频器的内部损耗。 这些变频器的损耗不是恒定的，也不容易确定。 它们由一个恒定部分和一个与负载有关的部分组成。 

持续亏损： 
冷却损失（冷却风扇）—电子线路中的损失等。 

负载相关损耗： 
功率半导体中的开关损耗和引线损耗。 

下图显示了额定功率为45、90和260 kW的机组在立方负载下的变频器效率与频率的关系。 曲线代表功率范围为50-300 kW的变频器； 开关频率大约为3 kHz，IGBT。 



对电机绝缘的影响 
现代变频器的输出电压具有非常短的电压上升时间。 

dU / dT = 5000V /μs是一个常见值。 

这种陡峭的电压斜率将在感应绕组的绝缘材料中引起不适当的应力。 上升时间短时，定子绕组中的电压分布不均匀。 使用正弦电源时，感应绕组中的匝间电压通常会平均分配。 另一方面，使用变频器时，会下降多达80％的电压。 由于导线之间的绝缘构成薄弱点，因此可能对感应产生危害。 短的上升时间也会导致感应电缆中的电压反射。 在最坏的情况下，这种现象会使感应端子上的电压加倍。 由690伏变频器馈入的感应电流可能会在两相之间承受高达1900伏的电压。 

电压幅度取决于感应电缆的长度和上升时间。 在非常短的上升时间内，全长10至20米的电缆会发生全反射。 

为了确保功能正常并延长电动机的使用寿命，绝对有必要将绕组适配为与变频器一起使用。 高于500伏的电压感应必须具有某种形式的加强绝缘。 定子绕组必须用树脂浸渍，以确保绝缘没有气泡或空洞。 辉光放电通常在腔周围开始。 这种现象最终将破坏绝缘层。 

有保护电动机的方法。 除了加强绝缘系统之外，可能有必要在变频器和感应器之间插入一个滤波器。 此类滤波器可从大多数知名变频器供应商处获得。 

滤波器通常会降低从 

dU / dT = 5000V /μs至500-600V /μs 

轴承故障 
旋转机械的故障通常与轴承故障有关。 除了过热，润滑不足或金属疲劳之外，流经轴承的电流还可能是造成许多神秘轴承故障的原因，尤其是在感应较大的情况下。 这种现象通常是由磁路中的非对称性引起的，该非对称性会在定子结构中感应出小的电压，或者是由零序电流引起的。 如果定子结构和轴单元之间的电势变得足够高，则将通过轴承进行放电。 滚动元件和轴承滚道之间的小放电最终会损坏轴承。 

使用变频器会增加这种轴承故障发生的可能性。 现代变频器的开关技术会产生零序电流，该电流在某些情况下会通过轴承。 

解决此问题的最简单方法是为当前问题设置障碍。 通常的方法是使用外圈带有绝缘涂层的轴承。

结论 
使用变频器并不意味着没有问题。 在设计工作中必须注意许多问题。 例如，是否有必要限制可用的轴功率以防止过热？ 可能有必要在较低的输出功率下运行以避免此问题。 

感应电动机的绝缘层会抵抗变频器的影响吗？ 是否需要过滤？ 由于开关频率高和电压上升时间短，现代，高效的逆变器会对绝缘产生不利影响。 

在不产生全电压反射的情况下可以使用电缆长度. 电压幅度取决于电缆长度和上升时间。 如果上升时间非常短，则10至20米长的电缆将发生全反射。 

可能有必要使用绝缘轴承，以防止零序电流流向轴承吗？ 

只有消除了所有这些问题，我们才能够对变频器的使用做出正确的决定。