交流电机因其结构简单、可靠性高、成本低等优点,被广泛应用于工业生产、交通运输、智能家居等领域。变频调速技术因其能够精确控制电机转速并显著提高能源利用效率,已成为交流电机调速的主流方法。然而,在实际应用中,交流电机在变频调速过程中容易出现过热和过载现象,这不仅会降低电机的运行效率,还可能缩短电机的使用寿命,甚至导致设备故障。因此,查明造成这种现象的原因并采取针对性的抑制措施,对于保障交流电机的稳定可靠运行具有重要意义。
1. 交流电机在变频调速过程中过热和过载的根本原因
交流电机在变频调速过程中出现过热和过载现象是多种因素共同作用的结果,其核心原因可归纳为以下三点:第一,谐波损耗增加。逆变器的输出并非理想的正弦波,而是包含大量高次谐波的脉冲宽度调制(PWM)波形。这些谐波会在电机的定子绕组、转子条和铁芯中产生额外的谐波损耗,而这些谐波损耗会转化为热量,导致电机温度升高。尤其是在低频调速工况下,逆变器输出电压的谐波含量较高,谐波损耗更为显著,容易引起过热和过载。第二,磁饱和和铁损增加。在变频调速过程中,为了保证电机磁通恒定,通常采用“恒压频比”的控制策略。然而,在低频范围内,电机定子电阻的压降相对较大;如果不进行电压补偿,实际磁通量将不足。另一方面,过度补偿会导致磁饱和,从而大幅增加铁芯的磁滞损耗和涡流损耗(统称为铁损)。铁损的增加会直接加剧电机发热。第三,冷却系统效率降低。交流电机(例如风扇)的冷却系统大多与电机轴刚性连接,其冷却风量与电机转速成正比。在变频调速的低频工况下,电机转速降低,风扇转速也相应降低,冷却风量大幅减少,电机产生的热量无法及时散发,热量积聚导致电机温度升高,从而触发过载保护。
2. 抑制过热和过载的技术手段
鉴于上述原因,可采用以下技术手段有效抑制交流电机在变频调速过程中的过热和过载现象:首先,优化逆变器控制策略,降低谐波损耗。一方面,采用高性能脉宽调制(PWM)技术,例如空间矢量脉宽调制(SVPWM)。与传统的正弦脉宽调制(SPWM)相比,SVPWM能够有效降低逆变器输出电压的谐波含量,从而减少谐波损耗。另一方面,在低频范围内进行电压补偿。通过精确计算定子电阻压降,适当提高逆变器输出电压,以保证磁通恒定,避免磁饱和导致的铁损增加。此外,一些高端逆变器还配备了谐波抑制功能,可通过内置滤波器进一步减弱谐波的影响。其次,改进电机冷却系统,提高散热效率。对于长时间低频运行的电机,可采用独立驱动的冷却风扇。风扇由专用电源供电,不受电机转速影响,确保在任何转速下都能提供稳定的冷却风量。同时,可以优化电机的散热结构,例如增加散热片数量、使用高效散热材料或在电机外壳上安装强制冷却装置(例如冷却水管和散热风扇),以提高散热效率。第三,从源头上选择专用变频电机来满足调速要求。专用变频电机是充分考虑变频调速特性而设计的,采用更低的定子电阻、更好的铁芯材料和绕组结构,可以有效降低谐波损耗和铁损。同时,其冷却系统大多独立设计,以确保在不同转速下的散热效果。与普通交流电机相比,专用变频电机在变频调速工况下的发热问题得到显著改善,过载能力也更强。第四,采用实时监控和智能保护来防止过载风险。在电机控制系统中安装温度传感器和电流传感器,以实时监测电机绕组温度和定子电流等关键参数。当监测到的温度超过阈值或发生电流过载时,逆变器会自动采取降频、降载等保护措施,以避免电机因持续发热而损坏。同时,通过对控制系统的算法优化,可以实现负载的动态均衡分配。降低电机长时间在重负荷条件下运行的概率。
综上所述,交流电机在变频调速过程中出现过热过载现象的主要原因是谐波损耗增大、磁饱和导致铁损增大以及冷却效率降低。通过优化变频器控制策略、改进冷却系统、选用专用变频电机以及实施实时监测保护等技术手段,可以有效抑制这一问题,保证交流电机在变频调速工况下稳定、高效、可靠运行,延长设备使用寿命,提高整个传动系统的经济性和安全性。




