I. Обычные асинхронные электродвигатели рассчитаны на постоянные частоту и напряжение и не могут полностью отвечать требованиям частотного регулирования. Ниже приведено влияние преобразователя частоты на электродвигатель

1. Вопрос КПД и нагрева электродвигателя

Преобразователь частоты любой схемы в процессе работы создаёт гармонические напряжения и токи разной степени, из-за чего двигатель работает при несинусоидальных напряжении и токе. Согласно литературным данным, на примере наиболее распространённого сегодня синусоидального ШИМ-преобразователя частоты низшие гармоники практически отсутствуют, а остающиеся высшие гармонические составляющие, примерно вдвое превышающие несущую частоту, равны: 2u+1 (u — коэффициент модуляции).

Высшие гармоники вызывают увеличение потерь в меди статора, меди (алюминия) ротора, потерь в стали и добавочных потерь; наиболее заметно возрастают потери в меди (алюминия) ротора. Поскольку обычный асинхронный электродвигатель вращается с синхронной частотой, близкой к основной гармонике, высшие гармонические напряжения с большим скольжением пересекают стержни ротора и создают значительные потери в роторе. Кроме того, необходимо учитывать добавочные потери в меди из-за поверхностного эффекта. Все эти потери приводят к дополнительному нагреву, снижению КПД и уменьшению выходной мощности; при работе обычного трёхфазного асинхронного электродвигателя от несинусоидального напряжения преобразователя частоты нагрев обычно возрастает на 10%~20%.

2. Вопрос прочности изоляции электродвигателя

Многие современные преобразователи частоты малой и средней мощности используют ШИМ-управление. Их несущая частота составляет от нескольких до десятков килогерц, поэтому обмотка статора подвергается очень высокой скорости нарастания напряжения — по сути, к двигателю прикладывается импульсное напряжение с большой крутизной, что создаёт жёсткие условия для межвитковой изоляции. Кроме того, прямоугольные импульсы напряжения, накладываемые ШИМ-преобразователем на рабочее напряжение двигателя, угрожают изоляции относительно корпуса: под многократными высоковольтными воздействиями она ускоренно стареет.

3. Гармонический электромагнитный шум и вибрация

При питании обычного асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты вибрация и шум, вызванные электромагнитными, механическими и вентиляционными факторами, становятся сложнее. Временные гармоники в напряжении преобразователя интерферируют с собственными пространственными гармониками электромагнитной части двигателя, формируя различные электромагнитные возбуждающие силы. Когда частота волны электромагнитной силы совпадает или близка к собственной частоте колебаний корпуса двигателя, возникает резонанс и шум усиливается. Из-за широкого диапазона рабочих частот и большого диапазона изменения частоты вращения частотам различных электромагнитных силовых волн трудно избежать собственных частот колебаний отдельных узлов двигателя.

4. Способность электродвигателя к частым пускам и торможениям

При питании от преобразователя частоты двигатель может запускаться при очень низких частоте и напряжении без ударного тока, а также быстро тормозиться различными способами, которые обеспечивает преобразователь; это создаёт условия для частых пусков и торможений. В результате механическая и электромагнитная системы двигателя находятся под действием циклически знакопеременных усилий, что вызывает усталость и ускоренное старение механической конструкции и изоляции.

5. Вопрос охлаждения при низкой частоте вращения

Во-первых, полное сопротивление обычного асинхронного электродвигателя не является оптимальным: при низкой частоте питания потери от высших гармоник велики. Во-вторых, при снижении частоты вращения расход охлаждающего воздуха у обычного асинхронного двигателя уменьшается пропорционально кубу частоты вращения, из-за чего охлаждение на низких оборотах ухудшается, нагрев резко возрастает и обеспечить постоянный крутящий момент становится затруднительно.

II. Особенности частотно-регулируемых электродвигателей

1. Электромагнитная конструкция

При проектировании обычного асинхронного электродвигателя основными расчётными параметрами являются перегрузочная способность, пусковые характеристики, КПД и коэффициент мощности. У частотно-регулируемого электродвигателя критическое скольжение обратно пропорционально частоте питания, поэтому прямой пуск возможен при критическом скольжении, близком к 1; перегрузочная способность и пусковые характеристики уже не требуют столь пристального внимания, а ключевой задачей становится улучшение адаптации двигателя к несинусоидальному питанию. Обычно применяются следующие подходы:

1) Максимально уменьшить сопротивления статора и ротора.

Уменьшение сопротивления статора позволяет снизить потери в меди от основной гармоники и компенсировать рост потерь в меди от высших

2) Для подавления высших гармоник в токе необходимо в известной мере увеличить индуктивность электродвигателя. Однако при большом индуктивном сопротивлении рассеяния пазов ротора усиливается и поверхностный эффект, а потери в меди от высших гармоник также возрастают. Поэтому величину индуктивности рассеяния двигателя следует выбирать с учётом рационального согласования полных сопротивлений во всём диапазоне регулирования частоты вращения.

3) Главный магнитный контур частотно-регулируемого электродвигателя обычно проектируется ненасыщенным: во-первых, высшие гармоники усиливают насыщение магнитопровода, во-вторых, на низких частотах для повышения выходного крутящего момента требуется несколько повысить выходное напряжение преобразователя частоты.

2. Конструкция

При проектировании конструкции также прежде всего учитывают влияние несинусоидального питания на изоляцию, вибрацию, шум и способ охлаждения частотно-регулируемого электродвигателя; обычно обращают внимание на следующие вопросы:

1) Класс изоляции, как правило, F или выше; усиливают прочность изоляции относительно корпуса и межвитковой изоляции, особенно учитывая стойкость изоляции к импульсным перенапряжениям.

2) Для решения проблем вибрации и шума необходимо обеспечивать достаточную жёсткость отдельных узлов и конструкции двигателя в целом, стремясь повысить собственные частоты и избежать резонанса с силовыми волнами различных гармоник.

3) Способ охлаждения: обычно применяется принудительная вентиляция, то есть вентилятор главного двигателя приводится отдельным электродвигателем.

4) Меры защиты от токов в валу: для электродвигателей мощностью свыше 160 KW следует предусматривать изоляцию подшипников. Асимметрия магнитного контура легко приводит к появлению токов в валу; при совместном действии с токами от других высокочастотных составляющих ток вала многократно возрастает и вызывает повреждение подшипников, поэтому обычно принимают меры по изоляции.

5) Для частотно-регулируемых электродвигателей с постоянной мощностью при частоте вращения свыше 3000/min следует применять специальную термостойкую смазку, компенсирующую повышение температуры подшипников.

III. Сравнение в реальных условиях эксплуатации

1. КПД и нагрев при частотном приводе: у частотно-регулируемого электродвигателя КПД примерно на 10% выше, а нагрев примерно на 20% ниже, особенно в области низких частот при векторном управлении или прямом управлении моментом. 

2. В условиях частых пусков, частого регулирования частоты вращения и частых торможений частотно-регулируемый электродвигатель превосходит обычный электродвигатель. 

3. По электромагнитному шуму и вибрации частотно-регулируемый электродвигатель при частотном приводе отличается меньшим шумом и меньшей электромагнитной вибрацией по сравнению с обычным электродвигателем. 

4. Прочность изоляции. Поскольку частотно-регулируемый электродвигатель специально рассчитан на привод от преобразователя частоты, он способен выдерживать большее значение du/dt, поэтому прочность его изоляции выше. Особенно серьёзным испытанием для изоляции является режим управления DTC. 

5. Главное же отличие состоит в наличии у частотно-регулируемого электродвигателя дополнительного охлаждения (принудительная вентиляция отдельным осевым вентилятором): при низких частотах, торможении постоянным током и в ряде специальных применений охлаждение у него значительно лучше, чем у обычного асинхронного электродвигателя переменного тока.