Im Bereich Elektrogeräte, konventionelle Induktionsmotoren sind typischerweise für den Betrieb ausgelegt unter konstanter Frequenz und Spannung. Dieses Design weist jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Erfüllung der hohen Leistungsanforderungen von Drehzahlregelungsanwendungen mit variabler Frequenz auf.
1. Effizienz und Temperaturanstieg
• Alle Arten von Frequenzumrichtern erzeugen im Betrieb harmonische Spannungen und Ströme, die dazu führen, dass der Motor unter nichtsinusförmigen Leistungsbedingungen läuft.
• Am Beispiel des häufig verwendeten sinusförmigen PWM-Wandlers (Pulsweitenmodulation) führen dessen harmonische Komponenten höherer Ordnung (ungefähr das Doppelte der Trägerfrequenz) zu erhöhten Verlusten im Motor, einschließlich Kupfer-/Aluminiumverlusten im Stator und Rotor, Kernverlusten und zusätzlichen Streuverlusten. Bemerkenswert ist, dass die Kupferverluste im Rotor stärker ausgeprägt sind.
• Wenn der Induktionsmotor nahezu synchron läuft, verursachen hochfrequente harmonische Spannungen erhebliche Verluste in den Rotorstäben. Darüber hinaus tragen durch den Skin-Effekt verursachte zusätzliche Kupferverluste zusätzlich zur Effizienzminderung bei.
• Diese Verluste führen zu zusätzlicher Wärmeerzeugung, verringerter Effizienz und verringerter Ausgangsleistung. Bei nichtsinusförmiger Spannungsversorgung durch Frequenzumrichter steigt die Temperatur Standard-Drehstrom-Induktionsmotoren typischerweise um 10 bis 20 % ansteigt.
2. Isolationsspannung
• Viele kleine und mittelgroße Frequenzumrichter verwenden eine PWM-Steuerung mit Trägerfrequenzen im Bereich von mehreren kHz bis zu mehreren zehn kHz. Dadurch werden die Motorwicklungen hohen du/dt-Werten (Spannungsanstiegsgeschwindigkeit) ausgesetzt, was steilen Impulsspannungen entspricht, die die Windungsisolierung in Frage stellen.
• Die von PWM-Wandlern erzeugte rechteckförmige Zerhackerspannung überlagert die Betriebsspannung des Motors und stellt eine Gefahr für die Erdungsisolierung dar. Wiederholte Hochspannungsimpulse beschleunigen die Alterung der Isolierung.
Um diese Herausforderungen anzugehen, Umrichterbetriebene Motoren Integrieren Sie spezielle elektromagnetische und strukturelle Optimierungen:
1. Elektromagnetisches Design
• Das Hauptaugenmerk liegt auf der Verbesserung der Kompatibilität des Motors mit nicht-sinusförmigen Stromversorgungen.
• Stator- und Rotorwiderstände werden minimiert, um grundlegende Kupferverluste zu reduzieren und die durch Oberschwingungen verursachten zusätzlichen Verluste auszugleichen.
• Die Motorinduktivität wird sorgfältig erhöht, um hochfrequente Oberschwingungsströme zu unterdrücken und gleichzeitig eine ordnungsgemäße Impedanzanpassung über den gesamten Drehzahlbereich sicherzustellen.
2. Strukturelles Design
• Die Konstruktion des Motors berücksichtigt die Auswirkungen nicht-sinusförmiger Leistung auf Isolierung, Vibration, Lärm und Kühlung.
• Isolationssystem: Es wird eine Isolierung der Klasse F oder höher verwendet, mit verstärkter Erdung und Windungsisolierung, wobei besonderer Wert auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Impulsspannungen gelegt wird.
• Kühlsystem: Es kommt eine Zwangsbelüftung zum Einsatz, bei der ein unabhängig angetriebener Lüfter für eine effiziente Wärmeableitung sorgt und der erhöhten thermischen Belastung beim Betrieb mit variabler Frequenz entgegenwirkt.
Umrichterbetriebene Motoren wurden sorgfältig entwickelt, um die nachteiligen Auswirkungen von Frequenzumrichtern zu mildern. Durch optimierte elektromagnetische und strukturelle Designs erreichen diese Motoren eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an nicht-sinusförmige Stromquellen, was sie zur bevorzugten Wahl für Anwendungen mit variabler Drehzahl macht. Ihre verbesserte Leistung in Bezug auf Effizienz, Wärmemanagement und Isolationszuverlässigkeit unterstreicht ihre Dominanz in modernen industriellen Antriebssystemen.
