Могут ли обычные двигатели работать с переменной частотой в течение длительного времени?
Thread Content
Возникла проблема: многие пользователи сообщают, что при длительной работе обычных вертикальных двигателей в режиме изменения частоты вращения сокращается срок службы подшипников, расположенных на несущей части двигателя. Фактический срок службы составляет всего 12–14 месяцев; при этом возникают аномальные шумы и вибрации. Это вдвое меньше, чем нормальный срок службы. После замены подшипников верхней крышки все возвращается в норму. Были исключены причины, связанные с чрезмерной механической нагрузкой и дефектами производства. Фактическая частота работы находится в диапазоне от 25 до 45. Неизвестно, не является ли проблема вызвана изменением частоты вращения? Химическое оборудование и машины
Лично я считаю, что нагрузка на нес приводных узлов гораздо выше. Именно по этой причине у нас в заводе моторы насосов быстро требуют замены подшипников. Вполне логично объяснить это принципом рычага: чем дальше от активного конца, тем больше становится сила действия.
Обычные асинхронные двигатели разрабатываются с учетом постоянной частоты и напряжения, поэтому они не могут полностью соответствовать требованиям к регулированию скорости с помощью изменения частоты. Ниже приведено влияние частотного преобразователя на двигатель:
1. Эффективность двигателя и проблема повышения температуры
Независимо от типа частотного преобразователя, в процессе его работы возникают гармонические напряжения и токи различной интенсивности. Это приводит к тому, что двигатель работает при несинусоидальных напряжениях и токах. Согласно имеющейся информации, если взять в качестве примера часто используемые преобразователи частоты синусоидального типа PWM, то уровень низких гармоник в таких преобразователях практически равен нулю. Оставшиеся высокочастотные гармоники, частота которых примерно вдвое превышает частоту несущей волны, имеют вид 2u+1 (где u — коэффициент модуляции). Высшие гармоники приводят к увеличению потерь на медь в статоре двигателя, потерь на медь (алюминий) в роторе, потерь на железо и дополнительных потерь; наиболее заметным является увеличение потерь на медь (алюминий) в роторе. Поскольку асинхронный двигатель вращается с частотой, близкой к синхронной частоте основного тона, высокочастотные гармоники, создавая большое смещение при прохождении через проводники ротора, приводят к значительным потерям в роторе. Кроме того, необходимо учитывать дополнительные потери меди, возникающие из-за эффекта кожуры. Все эти потери приводят к дополнительному нагреву двигателя, снижению его эффективности и уменьшению выходной мощности. Например, при работе обычного трехфазного асинхронного двигателя от несинусоидального источника питания, выходящего от частотного преобразователя, его температура обычно повышается на 10–20%. 2. Проблема прочности изоляции электродвигателя. В настоящее время во многих небольших и средних частотных преобразователях используется способ управления PWM. Частота несущей волны составляет примерно от нескольких тысяч до десятков тысяч герц, что заставляет обмотку статора двигателя выдерживать очень высокую скорость изменения напряжения. Это эквивалентно воздействию на двигатель сильных импульсных напряжений, что создает серьезные нагрузки на изоляцию между витками двигателя. Кроме того, прямоугольные импульсные напряжения, возникающие из-за использования преобразователя частоты PWM, добавляются к напряжению, подаваемому на двигатель. Это создает угрозу для изоляции двигателя от земли; под действием постоянных высоких напряжений изоляция ускоренно стареет. 3. Гармонический электромагнитный шум и вибрации При питании обычных асинхронных двигателей с помощью преобразователя частоты вибрации и шум, вызванные электромагнитными, механическими и вентиляционными факторами, становятся ещё более сложными по своей природе. Различные временные гармоники, присутствующие в источнике переменного тока, взаимодействуют с собственными пространственными гармониками электромагнитной части двигателя, что приводит к возникновению различных электромагнитных возмущений. Когда частота электромагнитных волн совпадает или близка к естественной частоте колебаний самого двигателя, возникает резонанс, что приводит к увеличению уровня шума. Из-за широкого диапазона рабочих частот электродвигателя и больших изменений его скорости вращения, частотам различных электромагнитных колебаний трудно избежать столкновения с естественными частотами колебаний отдельных компонентов электродвигателя. 4. Способность электродвигателя к частым запускам и торможению. Благодаря использованию преобразователя частоты электродвигатель может запускаться при очень низких частотах и напряжениях без возникновения импульсных токов. Кроме того, с помощью преобразователя частоты можно использовать различные способы торможения, что позволяет осуществлять частые запуски и торможения. В результате механическая и электромагнитная системы электродвигателя находятся под действием периодически меняющихся нагрузок, что приводит к усталости механических элементов и ускоренному старению изоляционных материалов. 5. Проблемы охлаждения при низких скоростях вращения. Во-первых, импеданс асинхронного двигателя не является идеальным; при низкой частоте питания потери, вызванные высшими гармониками в сети питания, становятся значительными. Во-вторых, при снижении скорости вращения обычного асинхронного двигателя объем охлаждающего воздуха уменьшается пропорционально кубу скорости вращения. Это приводит к ухудшению условий охлаждения двигателя на низких скоростях, к резкому повышению температуры, что затрудняет обеспечение постоянного крутящего момента. Исходя из нашего практического опыта, если частота не снижается слишком сильно, её можно использовать в определенные периоды времени ； (Мы обычно снижаем частоту до 15 Гц и ниже) ； Повреждение подшипников у вас может возникнуть из-за слишком низкой частоты вращения. В таких условиях объем воздуха для охлаждения не способен уводить тепло, выделяющееся при работе двигателя на низких частотах. Это приводит к повышению тока на валу двигателя. Масло, находящееся внутри подшипников, разогревается и вытекает из них. При длительной работе в таких условиях происходит нехватка масла в подшипниках, что ведет к их повреждению
1. Эффективность двигателя и проблема повышения температуры
Независимо от типа частотного преобразователя, в процессе его работы возникают гармонические напряжения и токи различной интенсивности. Это приводит к тому, что двигатель работает при несинусоидальных напряжениях и токах. Согласно имеющейся информации, если взять в качестве примера часто используемые преобразователи частоты синусоидального типа PWM, то уровень низких гармоник в таких преобразователях практически равен нулю. Оставшиеся высокочастотные гармоники, частота которых примерно вдвое превышает частоту несущей волны, имеют вид 2u+1 (где u — коэффициент модуляции). Высшие гармоники приводят к увеличению потерь на медь в статоре двигателя, потерь на медь (алюминий) в роторе, потерь на железо и дополнительных потерь; наиболее заметным является увеличение потерь на медь (алюминий) в роторе. Поскольку асинхронный двигатель вращается с частотой, близкой к синхронной частоте основного тона, высокочастотные гармоники, создавая большое смещение при прохождении через проводники ротора, приводят к значительным потерям в роторе. Кроме того, необходимо учитывать дополнительные потери меди, возникающие из-за эффекта кожуры. Все эти потери приводят к дополнительному нагреву двигателя, снижению его эффективности и уменьшению выходной мощности. Например, при работе обычного трехфазного асинхронного двигателя от несинусоидального источника питания, выходящего от частотного преобразователя, его температура обычно повышается на 10–20%. 2. Проблема прочности изоляции электродвигателя. В настоящее время во многих небольших и средних частотных преобразователях используется способ управления PWM. Частота несущей волны составляет примерно от нескольких тысяч до десятков тысяч герц, что заставляет обмотку статора двигателя выдерживать очень высокую скорость изменения напряжения. Это эквивалентно воздействию на двигатель сильных импульсных напряжений, что создает серьезные нагрузки на изоляцию между витками двигателя. Кроме того, прямоугольные импульсные напряжения, возникающие из-за использования преобразователя частоты PWM, добавляются к напряжению, подаваемому на двигатель. Это создает угрозу для изоляции двигателя от земли; под действием постоянных высоких напряжений изоляция ускоренно стареет. 3. Гармонический электромагнитный шум и вибрации При питании обычных асинхронных двигателей с помощью преобразователя частоты вибрации и шум, вызванные электромагнитными, механическими и вентиляционными факторами, становятся ещё более сложными по своей природе. Различные временные гармоники, присутствующие в источнике переменного тока, взаимодействуют с собственными пространственными гармониками электромагнитной части двигателя, что приводит к возникновению различных электромагнитных возмущений. Когда частота электромагнитных волн совпадает или близка к естественной частоте колебаний самого двигателя, возникает резонанс, что приводит к увеличению уровня шума. Из-за широкого диапазона рабочих частот электродвигателя и больших изменений его скорости вращения, частотам различных электромагнитных колебаний трудно избежать столкновения с естественными частотами колебаний отдельных компонентов электродвигателя. 4. Способность электродвигателя к частым запускам и торможению. Благодаря использованию преобразователя частоты электродвигатель может запускаться при очень низких частотах и напряжениях без возникновения импульсных токов. Кроме того, с помощью преобразователя частоты можно использовать различные способы торможения, что позволяет осуществлять частые запуски и торможения. В результате механическая и электромагнитная системы электродвигателя находятся под действием периодически меняющихся нагрузок, что приводит к усталости механических элементов и ускоренному старению изоляционных материалов. 5. Проблемы охлаждения при низких скоростях вращения. Во-первых, импеданс асинхронного двигателя не является идеальным; при низкой частоте питания потери, вызванные высшими гармониками в сети питания, становятся значительными. Во-вторых, при снижении скорости вращения обычного асинхронного двигателя объем охлаждающего воздуха уменьшается пропорционально кубу скорости вращения. Это приводит к ухудшению условий охлаждения двигателя на низких скоростях, к резкому повышению температуры, что затрудняет обеспечение постоянного крутящего момента. Исходя из нашего практического опыта, если частота не снижается слишком сильно, её можно использовать в определенные периоды времени ； (Мы обычно снижаем частоту до 15 Гц и ниже) ； Повреждение подшипников у вас может возникнуть из-за слишком низкой частоты вращения. В таких условиях объем воздуха для охлаждения не способен уводить тепло, выделяющееся при работе двигателя на низких частотах. Это приводит к повышению тока на валу двигателя. Масло, находящееся внутри подшипников, разогревается и вытекает из них. При длительной работе в таких условиях происходит нехватка масла в подшипниках, что ведет к их повреждению
Это вполне логично. Когда мы обсуждали этот вопрос с заводом по производству электродвигателей, они сказали, что у них нет данных о работе двигателей при низких частотах, которые могли бы подтвердить, что короткий срок службы подшипников обусловлен именно низкими частотами. В техническом соглашении с заводом по производству двигателей указан диапазон частоты 30–50 Гц. Мы уже попросили завод по производству электродвигателей и один международный производитель подшипников совместно подготовить аналитический отчет, и как только он будет готов, мы поделимся им с вами.