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Wechselstrommotoren finden aufgrund ihrer einfachen Bauweise, hohen Zuverlässigkeit und geringen Kosten breite Anwendung in Bereichen wie der industriellen Produktion, dem Transportwesen und Smart Homes. Die Frequenzumrichtertechnik hat sich als Standardverfahren zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren etabliert, da sie eine präzise Drehzahlregelung ermöglicht und die Energieeffizienz deutlich verbessert. In der Praxis neigen Wechselstrommotoren jedoch bei der Frequenzumrichtertechnik zu Überhitzung und Überlastung. Dies reduziert nicht nur die Betriebseffizienz, sondern kann auch die Lebensdauer des Motors verkürzen und sogar zu Geräteausfällen führen. Die Aufklärung der Ursachen dieses Phänomens und gezielte Gegenmaßnahmen sind daher von großer Bedeutung für den stabilen und zuverlässigen Betrieb von Wechselstrommotoren.
1. Hauptursachen für Überhitzung und Überlastung von Wechselstrommotoren bei Drehzahlregelung mit variabler Frequenz.
Das Auftreten von Überhitzung und Überlastung bei Wechselstrommotoren während der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ist auf das Zusammenwirken mehrerer Faktoren zurückzuführen. Die Hauptursachen lassen sich in drei Punkte zusammenfassen: Erstens, erhöhte Oberwellenverluste. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters ist keine ideale Sinuswelle, sondern eine Pulsweitenmodulation (PWM), die zahlreiche Oberwellen höherer Ordnung enthält. Diese Oberwellen erzeugen zusätzliche Oberwellenverluste in den Statorwicklungen, Rotorstäben und im Eisenkern des Motors. Die Oberwellenverluste werden in Wärme umgewandelt, was zu einem Anstieg der Motortemperatur führt. Insbesondere bei niedriger Drehzahl ist der Oberwellengehalt der Ausgangsspannung des Wechselrichters höher, und die Oberwellenverluste treten stärker in Erscheinung, was leicht zu Überhitzung und Überlastung führen kann. Zweitens, magnetische Sättigung und erhöhte Eisenverluste. Um bei der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz einen konstanten magnetischen Fluss im Motor zu gewährleisten, wird üblicherweise die Regelungsstrategie „konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis“ angewendet. Im Niederfrequenzbereich ist der Spannungsabfall am Statorwiderstand des Motors jedoch relativ hoch. Wird keine Spannungskompensation durchgeführt, ist der tatsächliche magnetische Fluss unzureichend. Eine übermäßige Kompensation hingegen führt zu magnetischer Sättigung, wodurch die Hystereseverluste und Wirbelstromverluste (zusammenfassend als Eisenverluste bezeichnet) des Eisenkerns stark ansteigen. Die erhöhten Eisenverluste verstärken die Motorerwärmung. Drittens sinkt die Effizienz des Kühlsystems. Das Kühlsystem von Wechselstrommotoren (z. B. Lüfter) ist meist fest mit der Motorwelle verbunden, und sein Kühlluftvolumen ist proportional zur Motordrehzahl. Bei niedriger Frequenz der Drehzahlregelung sinkt die Motordrehzahl, die Lüfterdrehzahl entsprechend, das Kühlluftvolumen stark reduziert sich, die vom Motor erzeugte Wärme kann nicht rechtzeitig abgeführt werden, und die Wärmestauung führt zu einem Anstieg der Motortemperatur, wodurch der Überlastschutz ausgelöst wird.
2. Technische Mittel zur Unterdrückung von Überhitzung und Überlastung
Aus den oben genannten Gründen können folgende technische Maßnahmen eingesetzt werden, um Überhitzung und Überlastung von Wechselstrommotoren bei der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz effektiv zu unterdrücken: Erstens, Optimierung der Wechselrichter-Steuerungsstrategie zur Reduzierung von Oberschwingungsverlusten. Zum einen kann eine leistungsstarke PWM-Modulationstechnologie wie die Raumzeiger-Pulsweitenmodulation (SVPWM) verwendet werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Sinus-Pulsweitenmodulation (SPWM) kann SVPWM den Oberschwingungsgehalt der Wechselrichter-Ausgangsspannung und damit die Oberschwingungsverluste effektiv reduzieren. Zum anderen kann eine Spannungskompensation im Niederfrequenzbereich implementiert werden. Durch die präzise Berechnung des Spannungsabfalls am Statorwiderstand kann die Wechselrichter-Ausgangsspannung entsprechend erhöht werden, um einen konstanten magnetischen Fluss zu gewährleisten und erhöhte Eisenverluste durch magnetische Sättigung zu vermeiden. Darüber hinaus verfügen einige High-End-Wechselrichter über Oberschwingungsunterdrückungsfunktionen, die die Auswirkungen von Oberschwingungen durch integrierte Filter weiter abschwächen. Zweitens, Verbesserung des Motorkühlsystems zur Steigerung der Wärmeabfuhreffizienz. Bei Motoren, die über längere Zeit mit niedrigen Frequenzen betrieben werden, kann ein separat angetriebener Lüfter eingesetzt werden. Der Lüfter wird von einem separaten Netzteil versorgt, das unabhängig von der Motordrehzahl arbeitet und so ein stabiles Kühlluftvolumen bei jeder Drehzahl gewährleistet. Gleichzeitig kann die Wärmeabfuhr des Motors optimiert werden, beispielsweise durch eine höhere Anzahl an Kühlkörpern, den Einsatz hocheffizienter Kühlmaterialien oder die Installation von Zwangskühlungseinrichtungen (wie Kühlwasserrohren und Lüftern) am Motorgehäuse, um die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern. Drittens werden spezielle Frequenzumrichtermotoren eingesetzt, die von vornherein die Anforderungen der Drehzahlregelung erfüllen. Diese Motoren sind speziell für die variable Drehzahlregelung ausgelegt und verfügen über einen geringeren Statorwiderstand, hochwertigere Eisenkernmaterialien und optimierte Wicklungsstrukturen, wodurch Oberwellen- und Eisenverluste effektiv reduziert werden. Ihre Kühlsysteme sind zudem meist unabhängig voneinander ausgelegt, um eine optimale Wärmeabfuhr bei unterschiedlichen Drehzahlen zu gewährleisten. Im Vergleich zu herkömmlichen Wechselstrommotoren ist das Wärmeproblem bei speziellen Frequenzumrichtermotoren unter variablen Drehzahlbedingungen deutlich verbessert, und ihre Überlastfähigkeit ist höher. Viertens verhindern Echtzeitüberwachung und intelligenter Schutz Überlastungsrisiken. Installieren Sie Temperatur- und Stromsensoren im Motorsteuerungssystem, um wichtige Parameter wie die Wicklungstemperatur und den Statorstrom in Echtzeit zu überwachen. Sobald die überwachte Temperatur einen Schwellenwert überschreitet oder eine Stromüberlastung auftritt, ergreift der Wechselrichter automatisch Schutzmaßnahmen wie Frequenz- und Lastreduzierung, um Motorschäden durch kontinuierliche Überhitzung zu vermeiden. Gleichzeitig kann durch die algorithmische Optimierung des Steuerungssystems eine dynamische, ausgeglichene Lastverteilung erreicht werden.Verringerung der Wahrscheinlichkeit, dass der Motor über einen längeren Zeitraum unter hoher Last betrieben wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Überhitzung und Überlastung von Wechselstrommotoren bei Drehzahlregelung mit variabler Frequenz hauptsächlich durch erhöhte Oberwellenverluste, magnetische Sättigung mit erhöhten Eisenverlusten und verringerte Kühlleistung verursacht wird. Durch Optimierung der Umrichtersteuerung, Verbesserung des Kühlsystems, Auswahl spezieller Frequenzumrichtermotoren und Implementierung von Echtzeitüberwachung und -schutz sowie weiterer technischer Maßnahmen kann dieses Problem wirksam bekämpft werden. Dies gewährleistet einen stabilen, effizienten und zuverlässigen Betrieb der Wechselstrommotoren unter Drehzahlregelungsbedingungen, verlängert die Lebensdauer der Anlagen und verbessert die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des gesamten Antriebssystems.
