Двигатели переменного тока широко используются в различных областях, таких как промышленное производство, транспорт и «умные дома», благодаря своим преимуществам: простой конструкции, высокой надежности и низкой стоимости. Технология регулирования скорости с помощью частотно-регулируемого привода стала основным методом регулирования скорости двигателей переменного тока, поскольку она позволяет обеспечить точное управление скоростью двигателя и значительно повысить эффективность использования энергии. Однако на практике двигатели переменного тока подвержены перегреву и перегрузкам при регулировании скорости с помощью частотно-регулируемого привода, что не только снижает эффективность работы двигателя, но и может сократить срок его службы и даже привести к поломкам оборудования. Выяснение причин этого явления и принятие целенаправленных мер по его устранению имеют большое значение для обеспечения стабильной и надежной работы двигателей переменного тока.
1. Основные причины перегрева и перегрузки в двигателях переменного тока при регулировании скорости с помощью частотно-регулируемого привода.
Перегрев и перегрузка двигателей переменного тока при частотно-регулируемом регулировании скорости являются результатом совокупного воздействия множества факторов, и основные причины можно суммировать в следующие три пункта: Во-первых, увеличение гармонических потерь. Выходной сигнал инвертора представляет собой не идеальную синусоиду, а широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), содержащую большое количество высокочастотных гармоник. Эти гармоники создают дополнительные гармонические потери в обмотках статора, стержнях ротора и железном сердечнике двигателя, а гармонические потери преобразуются в тепло, что приводит к повышению температуры двигателя. Особенно в условиях низкочастотного регулирования скорости содержание гармоник в выходном напряжении инвертора выше, а гармонические потери более выражены, что легко может привести к перегреву и перегрузке. Во-вторых, насыщение магнитного поля и увеличение потерь в железе. При частотно-регулируемом регулировании скорости для обеспечения постоянного магнитного потока двигателя обычно используется стратегия управления «постоянное соотношение напряжения и частоты». Однако в низкочастотном диапазоне падение напряжения на сопротивлении статора двигателя относительно значительно; если компенсация напряжения не выполняется, фактического магнитного потока будет недостаточно. С другой стороны, чрезмерная компенсация вызовет насыщение магнитного поля, что значительно увеличит потери на гистерезис и вихревые токи (в совокупности называемые потерями в железе) железного сердечника. Увеличение потерь в железе напрямую усиливает нагрев двигателя. В-третьих, снижается эффективность системы охлаждения. Система охлаждения двигателей переменного тока (например, вентиляторы) в основном жестко соединена с валом двигателя, и объем охлаждающего воздуха в ней пропорционален скорости вращения двигателя. В условиях низкочастотного регулирования частоты вращения скорость вращения двигателя уменьшается, соответственно уменьшается и скорость вращения вентилятора, объем охлаждающего воздуха значительно снижается, тепло, выделяемое двигателем, не успевает вовремя рассеиваться, и накопление тепла приводит к повышению температуры двигателя, что вызывает срабатывание защиты от перегрузки.
2. Технические средства предотвращения перегрева и перегрузки
Ввиду вышеизложенных причин, для эффективного подавления перегрева и перегрузки двигателей переменного тока при регулировании скорости с переменной частотой можно использовать следующие технические средства: Во-первых, оптимизация стратегии управления инвертором для снижения гармонических потерь. С одной стороны, использование высокоэффективной технологии ШИМ-модуляции, такой как пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (SVPWM). По сравнению с традиционной синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (SPWM), SVPWM позволяет эффективно снизить гармоническую составляющую выходного напряжения инвертора и уменьшить гармонические потери. С другой стороны, реализация компенсации напряжения в низкочастотном диапазоне. Путем точного расчета падения напряжения на сопротивлении статора, соответствующее увеличение выходного напряжения инвертора обеспечивает постоянный магнитный поток и предотвращает увеличение потерь в железе, вызванное насыщением магнита. Кроме того, некоторые высококачественные инверторы оснащены функциями подавления гармоник, которые могут дополнительно ослабить влияние гармоник за счет встроенных фильтров. Во-вторых, улучшение системы охлаждения двигателя для повышения эффективности теплоотвода. Для двигателей, работающих на низких частотах в течение длительного времени, можно использовать вентилятор с независимым приводом. Вентилятор питается от отдельного источника питания и не зависит от скорости вращения двигателя, обеспечивая стабильный объем охлаждающего воздуха при любой скорости. В то же время можно оптимизировать конструкцию системы теплоотвода двигателя, например, увеличить количество радиаторов, использовать высокоэффективные теплоотводящие материалы или установить на корпусе двигателя устройства принудительного охлаждения (например, охлаждающие водяные трубки и вентиляторы) для повышения эффективности теплопередачи. В-третьих, следует выбрать специальные двигатели с регулируемой частотой вращения, адаптированные к требованиям регулирования скорости. Специальные двигатели с регулируемой частотой вращения полностью разработаны с учетом особенностей регулирования скорости с помощью частотной модуляции, имеют меньшее сопротивление статора, лучшие материалы железного сердечника и структуру обмоток, что позволяет эффективно снизить гармонические потери и потери в железе. В то же время их системы охлаждения в основном имеют независимую конструкцию для обеспечения эффективного рассеивания тепла при различных скоростях. По сравнению с обычными двигателями переменного тока, проблема перегрева специальных двигателей с регулируемой частотой вращения значительно улучшена, а их перегрузочная способность выше. В-четвертых, мониторинг в реальном времени и интеллектуальная защита для предотвращения рисков перегрузки. В систему управления двигателем устанавливаются датчики температуры и тока для мониторинга ключевых параметров в реальном времени, таких как температура обмоток двигателя и ток статора. Когда контролируемая температура превышает пороговое значение или происходит перегрузка по току, инвертор автоматически принимает защитные меры, такие как снижение частоты и снижение нагрузки, чтобы предотвратить повреждение двигателя, вызванное непрерывным нагревом. В то же время, за счет оптимизации алгоритма системы управления достигается динамическое сбалансированное распределение нагрузок.снижение вероятности длительной работы двигателя в условиях высоких нагрузок.
В целом, явление перегрева и перегрузки двигателей переменного тока при частотно-регулируемом регулировании скорости в основном вызвано увеличением гармонических потерь, насыщением магнитного поля с увеличением потерь в железе и снижением эффективности охлаждения. Оптимизация стратегии управления инвертором, улучшение системы охлаждения, выбор специальных двигателей с частотно-регулируемым регулированием скорости, внедрение мониторинга и защиты в реальном времени, а также другие технические средства позволяют эффективно подавить эту проблему, обеспечивая стабильную, эффективную и надежную работу двигателей переменного тока в условиях частотно-регулируемого регулирования скорости, продлевая срок службы оборудования и повышая экономичность и безопасность всей системы передачи.




