Können herkömmliche Motoren über einen langen Zeitraum mit variabler Frequenz betrieben werden?
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Es gibt ein Problem: Viele Nutzer berichten, dass bei der langfristigen Nutzung von herkömmlichen vertikalen Motoren in Frequenzumrichteranwendungen die Lebensdauer der Lager an der nicht angetriebenen Seite des Motors sehr kurz ist. In der Praxis beträgt die tatsächliche Lebensdauer nur 12–14 Monate. Zudem treten ungewöhnliche Geräusche und Vibrationen auf – das entspricht etwa der Hälfte der normalen Lebensdauer. Nach dem Austausch der Lager am oberen Ende des Motors kehrt wieder Normalität ein. Mechanische Überlastungen sowie Herstellungsbedingte Ursachen wurden bereits ausgeschlossen. Die tatsächliche Betriebsfrequenz liegt zwischen 25 und 45. Es ist unklar, ob das Problem durch die Frequenzumwandlung verursacht wird Chemische Anlagen und Maschinen
Ich persönlich denke, dass die Belastung an der nicht angetriebenen Seite viel größer ist. Der Motor der Pumpen in meiner Fabrik muss aus diesem Grund bereits nach kurzer Zeit ausgetauscht werden. Es ist wohl sinnvoller, das mit dem Hebelprinzip zu erklären: Je weiter man vom Antriebspunkt entfernt ist, desto größer wird die Wirkkraft.
Herkömmliche asynchrone Motoren sind alle mit konstanter Frequenz und Spannung konzipiert und können den Anforderungen der Geschwindigkeitsregelung durch Frequenzumwandlung nicht vollständig gerecht werden. Im Folgenden werden die Auswirkungen des Frequenzumwandlers auf den Motor beschrieben:
1. Effizienz und Temperaturanstieg des Motors
Unabhängig von der Art des Frequenzumwandlers entstehen während des Betriebs in unterschiedlichem Maße harmonische Spannungen und Ströme. Dadurch muss der Motor unter nicht-sinusförmigen Spannungen und Strömen arbeiten. Abgesehen von dieser Information: Nehmen wir als Beispiel die derzeit weit verbreiteten Sinuswellen-PWM-Wechselrichter. Bei diesen sind die niedrigen Harmonischen im Grunde genommen gleich null. Die verbleibenden höheren Harmonischen, deren Frequenz etwa doppelt so hoch ist wie die der Trägerwelle, lauten 2u+1 – wobei u der Modulationsfaktor ist. Hohe Harmonischen führen zu einem Anstieg des Kupferverbrauchs im Stator des Motors, des Kupfer- (Aluminium-)Verbrauchs im Rotor sowie der Eisenverluste und zusätzlichen Verluste. Am auffälligsten ist dabei der Kupfer- (Aluminium-)Verbrauch im Rotor. Da der Asynchronmotor mit einer Drehzahl rotiert, die der synchronen Drehzahl bei der Grundfrequenz nahekommt, entstehen durch die hohen Harmonischenspannungen, die die Rotorleitungen schneiden, erhebliche Verluste im Rotor. Darüber hinaus muss der zusätzliche Kupferverbrauch aufgrund des Skin-Effekts berücksichtigt werden. All diese Verluste führen dazu, dass der Elektromotor zusätzlich Wärme erzeugt, seine Effizienz sinkt und die Ausgangsleistung abnimmt. Wenn beispielsweise ein herkömmlicher dreiphasiger Asynchronmotor unter den Bedingungen einer nicht-sinusförmigen Stromversorgung durch einen Frequenzumwandler betrieben wird, steigt seine Temperatur in der Regel um 10 % bis 20 %. 2. Problem der Isolationsstärke des Elektromotors: Bei vielen kleinen und mittleren Frequenzumwandlern wird derzeit die PWM-Steuerungsmethode verwendet. Seine Trägerfrequenz liegt bei etwa einigen tausend bis mehreren zehntausend Hertz. Dadurch müssen die Statorwicklungen des Motors einer sehr hohen Spannungssteigerung standhalten – das entspricht einem starken Stoßstrom, der auf den Motor einwirkt. Dadurch wird die Isolierung zwischen den Windungen des Motors stark belastet. Außerdem kann die rechteckige Gleichrichterspannung, die durch den PWM-Wechselrichter erzeugt wird und sich auf die Betriebsspannung des Motors addiert, eine Bedrohung für die Isolierung des Motors gegenüber dem Erdboden darstellen. Die Isolierung altert unter wiederholten Einflüssen hoher Spannungen schneller. 3. Harmonische elektromagnetische Störungen und Vibrationen: Wenn herkömmliche Asynchronmotoren mit Wechselrichtern versorgt werden, werden die durch elektromagnetische, mechanische sowie Belüftungsfaktoren verursachten Vibrationen und Störungen noch komplexer. Die verschiedenen zeitlichen Harmonischen in der Wechselstromquelle interferieren mit den inhärenten räumlichen Harmonischen des elektromagnetischen Teils des Motors, wodurch verschiedene elektromagnetische Anregungskräfte entstehen. Wenn die Frequenz der elektromagnetischen Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Motorgehäuses übereinstimmt oder dieser nahekommt, tritt eine Resonanz auf, wodurch der Lärm zunimmt. Aufgrund des weiten Betriebsfrequenzbereichs des Elektromotors sowie der großen Drehzahlvariationen ist es schwierig, die Frequenzen der verschiedenen elektromagnetischen Schwingungen so zu wählen, dass sie nicht mit den natürlichen Schwingungsfrequenzen der einzelnen Komponenten des Motors übereinstimmen. 4. Anpassungsfähigkeit des Motors an häufiges Starten und Bremsen: Durch die Verwendung eines Frequenzumwandlers kann der Motor bei sehr niedriger Frequenz und Spannung ohne Stoßströme gestartet werden. Zudem können verschiedene Bremsmethoden, die vom Frequenzumwandler bereitgestellt werden, zur schnellen Bremsung genutzt werden. Dadurch werden die Voraussetzungen für häufiges Starten und Bremsen geschaffen. Der mechanische sowie elektromagnetische Aufbau des Motors wird dabei ständigen Wechselkräften ausgesetzt, was zu Belastungen für die mechanischen und isolierenden Strukturen sowie zu einer beschleunigten Alterung führt. 5. Kühlungsprobleme bei niedriger Drehzahl Zunächst ist die Impedanz des Asynchronmotors nicht ideal. Bei einer niedrigen Netzfrequenz führen die höheren Harmonischen im Netz zu erheblichen Verlusten. Zweitens nimmt bei herkömmlichen asynchronen Motoren bei weiterer Verringerung der Drehzahl die Menge an Kühlluft proportional zum Kubus der Drehzahl ab. Dadurch verschlechtert sich die Kühlung des Motors bei niedrigen Drehzahlen, die Temperatur steigt stark an, und es wird schwierig, eine konstante Drehmomentleistung zu erzielen. Aus unserer praktischen Erfahrung heraus lässt sich sagen, dass es möglich ist, das Gerät zu nutzen, sofern die Frequenz nicht zu stark gesenkt wird ； (Wir senken in der Regel die Frequenz auf unter 15 Hz.) ； Ein Verschleiß der Lager kann dadurch entstehen, dass die Frequenz zu niedrig ist. In diesem Fall kann die Kühlluft die Wärme, die beim Betrieb des Motors bei niedriger Frequenz entsteht, nicht abtransportieren. Dadurch entsteht ein zu hoher Stromfluss im Motorwellen. Das Fett in den Lagern schmilzt aufgrund der Hitze und fließt aus den Lagern heraus. Bei längerem Betrieb kommt es so zum Mangel an Öl in den Lagern – was wiederum zum Verschleiß der Lager führt
1. Effizienz und Temperaturanstieg des Motors
Unabhängig von der Art des Frequenzumwandlers entstehen während des Betriebs in unterschiedlichem Maße harmonische Spannungen und Ströme. Dadurch muss der Motor unter nicht-sinusförmigen Spannungen und Strömen arbeiten. Abgesehen von dieser Information: Nehmen wir als Beispiel die derzeit weit verbreiteten Sinuswellen-PWM-Wechselrichter. Bei diesen sind die niedrigen Harmonischen im Grunde genommen gleich null. Die verbleibenden höheren Harmonischen, deren Frequenz etwa doppelt so hoch ist wie die der Trägerwelle, lauten 2u+1 – wobei u der Modulationsfaktor ist. Hohe Harmonischen führen zu einem Anstieg des Kupferverbrauchs im Stator des Motors, des Kupfer- (Aluminium-)Verbrauchs im Rotor sowie der Eisenverluste und zusätzlichen Verluste. Am auffälligsten ist dabei der Kupfer- (Aluminium-)Verbrauch im Rotor. Da der Asynchronmotor mit einer Drehzahl rotiert, die der synchronen Drehzahl bei der Grundfrequenz nahekommt, entstehen durch die hohen Harmonischenspannungen, die die Rotorleitungen schneiden, erhebliche Verluste im Rotor. Darüber hinaus muss der zusätzliche Kupferverbrauch aufgrund des Skin-Effekts berücksichtigt werden. All diese Verluste führen dazu, dass der Elektromotor zusätzlich Wärme erzeugt, seine Effizienz sinkt und die Ausgangsleistung abnimmt. Wenn beispielsweise ein herkömmlicher dreiphasiger Asynchronmotor unter den Bedingungen einer nicht-sinusförmigen Stromversorgung durch einen Frequenzumwandler betrieben wird, steigt seine Temperatur in der Regel um 10 % bis 20 %. 2. Problem der Isolationsstärke des Elektromotors: Bei vielen kleinen und mittleren Frequenzumwandlern wird derzeit die PWM-Steuerungsmethode verwendet. Seine Trägerfrequenz liegt bei etwa einigen tausend bis mehreren zehntausend Hertz. Dadurch müssen die Statorwicklungen des Motors einer sehr hohen Spannungssteigerung standhalten – das entspricht einem starken Stoßstrom, der auf den Motor einwirkt. Dadurch wird die Isolierung zwischen den Windungen des Motors stark belastet. Außerdem kann die rechteckige Gleichrichterspannung, die durch den PWM-Wechselrichter erzeugt wird und sich auf die Betriebsspannung des Motors addiert, eine Bedrohung für die Isolierung des Motors gegenüber dem Erdboden darstellen. Die Isolierung altert unter wiederholten Einflüssen hoher Spannungen schneller. 3. Harmonische elektromagnetische Störungen und Vibrationen: Wenn herkömmliche Asynchronmotoren mit Wechselrichtern versorgt werden, werden die durch elektromagnetische, mechanische sowie Belüftungsfaktoren verursachten Vibrationen und Störungen noch komplexer. Die verschiedenen zeitlichen Harmonischen in der Wechselstromquelle interferieren mit den inhärenten räumlichen Harmonischen des elektromagnetischen Teils des Motors, wodurch verschiedene elektromagnetische Anregungskräfte entstehen. Wenn die Frequenz der elektromagnetischen Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Motorgehäuses übereinstimmt oder dieser nahekommt, tritt eine Resonanz auf, wodurch der Lärm zunimmt. Aufgrund des weiten Betriebsfrequenzbereichs des Elektromotors sowie der großen Drehzahlvariationen ist es schwierig, die Frequenzen der verschiedenen elektromagnetischen Schwingungen so zu wählen, dass sie nicht mit den natürlichen Schwingungsfrequenzen der einzelnen Komponenten des Motors übereinstimmen. 4. Anpassungsfähigkeit des Motors an häufiges Starten und Bremsen: Durch die Verwendung eines Frequenzumwandlers kann der Motor bei sehr niedriger Frequenz und Spannung ohne Stoßströme gestartet werden. Zudem können verschiedene Bremsmethoden, die vom Frequenzumwandler bereitgestellt werden, zur schnellen Bremsung genutzt werden. Dadurch werden die Voraussetzungen für häufiges Starten und Bremsen geschaffen. Der mechanische sowie elektromagnetische Aufbau des Motors wird dabei ständigen Wechselkräften ausgesetzt, was zu Belastungen für die mechanischen und isolierenden Strukturen sowie zu einer beschleunigten Alterung führt. 5. Kühlungsprobleme bei niedriger Drehzahl Zunächst ist die Impedanz des Asynchronmotors nicht ideal. Bei einer niedrigen Netzfrequenz führen die höheren Harmonischen im Netz zu erheblichen Verlusten. Zweitens nimmt bei herkömmlichen asynchronen Motoren bei weiterer Verringerung der Drehzahl die Menge an Kühlluft proportional zum Kubus der Drehzahl ab. Dadurch verschlechtert sich die Kühlung des Motors bei niedrigen Drehzahlen, die Temperatur steigt stark an, und es wird schwierig, eine konstante Drehmomentleistung zu erzielen. Aus unserer praktischen Erfahrung heraus lässt sich sagen, dass es möglich ist, das Gerät zu nutzen, sofern die Frequenz nicht zu stark gesenkt wird ； (Wir senken in der Regel die Frequenz auf unter 15 Hz.) ； Ein Verschleiß der Lager kann dadurch entstehen, dass die Frequenz zu niedrig ist. In diesem Fall kann die Kühlluft die Wärme, die beim Betrieb des Motors bei niedriger Frequenz entsteht, nicht abtransportieren. Dadurch entsteht ein zu hoher Stromfluss im Motorwellen. Das Fett in den Lagern schmilzt aufgrund der Hitze und fließt aus den Lagern heraus. Bei längerem Betrieb kommt es so zum Mangel an Öl in den Lagern – was wiederum zum Verschleiß der Lager führt
Das ist durchaus logisch. Als wir zu diesem Thema mit dem Motorenhersteller sprachen, sagten sie, es gäbe keine Aufzeichnungen über einen Betrieb bei niedrigen Frequenzen, die belegen könnten, dass eine kurze Lebensdauer der Lager auf niedrige Frequenzen zurückzuführen ist. In unserem technischen Abkommen mit der Motorenfabrik steht, dass der Frequenzbereich 30–50 Hz beträgt. Wir haben bereits die Motorenfabrik sowie eine internationale Wälzlagerfabrik gebeten, gemeinsam einen Analysebericht zu erstellen, den wir dann mit allen teilen werden, sobald er fertig ist.