Motoren sind weit verbreitet. Bevor es keinen Frequenzumrichter gab, verwendeten wir Motoren mit der höchsten Netzfrequenz.

I. Gewöhnliche Asynchronmotoren sind auf konstante Frequenz und konstante Spannung ausgelegt und es ist unmöglich, die Anforderungen der Frequenzumwandlung und Drehzahlregelung vollständig zu erfüllen. Der Einfluss des Frequenzumrichters auf den Motor ist wie folgt:

1. Der Wirkungsgrad und die Temperaturerhöhung des Motors werden beeinflusst. Unabhängig vom Frequenzumrichtertyp entstehen im Betrieb unterschiedliche Oberschwingungsspannungen und -ströme, sodass der Motor unter nicht-sinusförmiger Spannung und nicht-sinusförmiger Strom arbeitet. Am Beispiel des üblicherweise verwendeten Sinus-PWM-Wechselrichters zeigen sich, dass dessen niederfrequente Oberschwingungen praktisch null sind. Die verbleibenden hochfrequenten Oberschwingungen, die etwa doppelt so groß wie die Trägerfrequenz sind, betragen 2u+1 (u ist das Modulationsverhältnis). Höhere Oberschwingungen führen zu erhöhten Kupferverlusten im Stator, Kupferverlusten (bzw. Aluminiumverlusten) im Rotor, Eisenverlusten und zusätzlichen Verlusten. Die Rotorverluste sind dabei am bedeutendsten. Da der Asynchronmotor mit einer synchronen Drehzahl nahe der Grundfrequenz läuft, schneidet die hochfrequente Oberschwingungsspannung die Rotorstäbe mit hohem Schlupf, was zu hohen Rotorverlusten führt. Zusätzlich müssen Kupferverluste aufgrund des Skin-Effekts berücksichtigt werden. Diese Verluste führen zu erhöhter Wärmeentwicklung des Motors, verringern den Wirkungsgrad und reduzieren die Ausgangsleistung. Wird der gewöhnliche Drehstrom-Asynchronmotor unter der Bedingung einer nicht-sinusförmigen Leistungsabgabe durch den Frequenzumrichter betrieben, erhöht sich seine Temperatur im Allgemeinen um 10-20%.

2. Die Isolationsfestigkeit des Motors. Viele kleine und mittelgroße Wechselrichter nutzen heutzutage die Pulsweitenmodulation (PWM). Deren Trägerfrequenz liegt zwischen mehreren Tausend und über zehn Kilohertz. Dadurch muss die Statorwicklung des Motors einen hohen Spannungsanstieg verkraften, was einem steilen Spannungsimpuls entspricht und die Windungsisolation des Motors stärker beansprucht. Zusätzlich überlagert sich die vom PWM-Wechselrichter erzeugte rechteckige Impulsspannung der Betriebsspannung des Motors. Dies gefährdet die Erdungsisolation des Motors, die durch wiederholte Hochspannungsimpulse schneller altert.

3. Harmonische elektromagnetische Störungen und Vibrationen. Beim Betrieb von Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern werden Vibrationen und Störungen durch elektromagnetische, mechanische, ventilatorische und andere Faktoren komplexer. Die verschiedenen zeitlichen Harmonischen der variablen Frequenzversorgung interagieren mit den körpereigenen räumlichen Harmonischen des elektromagnetischen Teils des Motors und erzeugen so verschiedene elektromagnetische Anregungskräfte. Stimmt die Frequenz dieser Anregungswellen mit der Eigenfrequenz des Motorgehäuses überein oder liegt nahe daran, tritt Resonanz auf, was die Störungen verstärkt. Aufgrund des großen Betriebsfrequenzbereichs und des weiten Drehzahlbereichs des Motors ist es schwierig, die Eigenfrequenzen der einzelnen Motorkomponenten durch die Frequenzen der verschiedenen elektromagnetischen Anregungswellen zu vermeiden.

4. Die Anpassungsfähigkeit des Motors an häufiges Anfahren und Bremsen. Da der Motor von einem Frequenzumrichter angetrieben wird, kann er mit sehr niedriger Frequenz und Spannung ohne Einschaltstrom gestartet und mithilfe verschiedener vom Frequenzumrichter bereitgestellter Bremsmethoden schnell abgebremst werden. Dies schafft die Voraussetzungen für häufiges Anfahren und Bremsen, wodurch das mechanische und elektromagnetische System des Motors zyklischen Wechselkräften ausgesetzt sind. Dies führt zu Materialermüdung und beschleunigter Alterung der mechanischen und der Isolationsstruktur.

5. Kühlungsprobleme bei niedriger Drehzahl. Erstens ist die Impedanz des Asynchronmotors nicht optimal. Bei niedriger Netzfrequenz sind die Verluste durch Oberschwingungen im Stromnetz relativ hoch. Zweitens sinkt bei herkömmlichen Asynchronmotoren mit abnehmender Drehzahl das Kühlluftvolumen proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Dies führt zu einer Verschlechterung der Kühlleistung des Motors bei niedrigen Drehzahlen, einem starken Temperaturanstieg und erschwert das Erreichen eines konstanten Drehmoments.

II. TDie Eigenschaften des Frequenzumwandlungsmotors

1. Elektromagnetische Auslegung. Bei herkömmlichen Asynchronmotoren sind die wichtigsten Leistungsparameter bei der Neuausrichtung Überlastfähigkeit, Anlaufverhalten, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor. Da bei Frequenzumrichtermotoren der kritische Schlupf umgekehrt proportional zur Netzfrequenz ist, kann der Motor direkt angelaufen werden, sobald der kritische Schlupf nahe bei 1 liegt. Daher müssen Überlastfähigkeit und Anlaufverhalten weniger stark berücksichtigt werden; die zentrale Herausforderung besteht darin, das Ansprechverhalten des Motors auf die Netzspannung zu verbessern und ihn an nicht-sinusförmige Netzspannungen anzupassen. Die Vorgehensweise ist im Allgemeinen wie folgt:

1) Reduzieren Sie den Stator- und Rotorwiderstand so weit wie möglich. Durch die Verringerung des Statorwiderstands können die Grundverluste im Kupfer reduziert und somit die durch Oberschwingungen verursachten höheren Kupferverluste kompensiert werden.

2) Um die höheren Oberschwingungen im Strom zu unterdrücken, ist eine entsprechende Erhöhung der Motorinduktivität erforderlich. Allerdings ist die Streureaktanz der Rotornut groß, der Skin-Effekt ebenfalls ausgeprägt und die Kupferverluste durch die Oberschwingungen steigen. Daher sollte die Dimensionierung der Motorstreureaktanz eine optimale Impedanzanpassung über den gesamten Drehzahlbereich berücksichtigen.

3) Der Hauptmagnetkreis des Frequenzumrichters ist im Allgemeinen so ausgelegt, dass er sich im ungesättigten Zustand befindet. Dies liegt zum einen daran, dass Oberschwingungen höherer Ordnung die Sättigung des Magnetkreises verstärken. Zum anderen muss bei niedrigen Frequenzen die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters entsprechend erhöht werden, um das Drehmoment zu steigern.

2. Strukturelle Auslegung. Bei der Auslegung der Struktur wird hauptsächlich der Einfluss nicht-sinusförmiger Leistungscharakteristika auf die Isolationsstruktur sowie die Vibrations- und Geräuschkühlungsmethoden des Frequenzumrichters berücksichtigt. Im Allgemeinen sind folgende Aspekte zu beachten:

1) Isolationsgrad , im Allgemeinen F-Klasse oder höher, um die Erdungsisolation und die Isolationsfestigkeit der Windungen zu verbessern, insbesondere die Fähigkeit der Isolation, Stoßspannungen standzuhalten.

2) Im Hinblick auf Vibrationen und Geräusche des Motors ist es notwendig, die Steifigkeit der Motorkomponenten und des gesamten Motors umfassend zu berücksichtigen und zu versuchen, seine Eigenfrequenz zu erhöhen, um Resonanzen mit jeder Kraftwelle zu vermeiden.

3) Kühlmethode: Im Allgemeinen wird zur Kühlung eine Zwangslüftung eingesetzt, d. h. der Lüfter des Hauptmotors wird von einem unabhängigen Motor angetrieben.

4) Um Wellenströme zu vermeiden , sollten bei Motoren mit einer Leistung über 160 kW Lagerisolationsmaßnahmen ergriffen werden. Hauptgrund hierfür ist die Gefahr von Asymmetrien im Magnetkreis und axialen Strömen. Wenn die Ströme anderer hochfrequenter Bauteile zusammenwirken, steigt der axiale Strom stark an, was zu Lagerschäden führen kann. Daher werden in der Regel Isolationsmaßnahmen durchgeführt.

5) Bei Konstantleistungs-Frequenzumrichtern ist bei Drehzahlen über 3000 U/min ein spezielles, hochtemperaturbeständiges Fett zu verwenden, um den Temperaturanstieg des Lagers auszugleichen. Der Frequenzumrichter kann dauerhaft im Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 130 Hz betrieben werden. Normale Motoren mit 2 Polen laufen im Bereich von 20 Hz bis 65 Hz, mit 4 Polen im Bereich von 25 Hz bis 75 Hz. 6-polige Motoren sind für den Dauerbetrieb im Bereich von 30 Hz bis 85 Hz ausgelegt, 8-polige im Bereich von 35 Hz bis 100 Hz.

Motorauswahl: 

Zunächst sollte die Leistung des Motors entsprechend der durchschnittlichen Leistung und der maximalen Leistung ausgewählt werden, die die Last während der Bewegung benötigt, umgerechnet auf die Seite der Motorwelle (es können ein Untersetzungsgetriebe, eine Riemenscheibe und andere Untersetzungsvorrichtungen vorhanden sein). Auch die Überlastfähigkeit des Motors sollte berücksichtigt werden. Der Motorhersteller kann die Drehmomentkennlinie des Motors bereitstellen, und die Eigenschaften des Motors ändern sich bei unterschiedlichen Temperaturen. Übrigens: Die Auswahlreihenfolge besteht natürlich darin, zuerst den Motor auszuwählen und dann entsprechend dem Motor den Frequenzumrichter auszuwählen, denn das ultimative Ziel der Steuerung ist nicht der Frequenzumrichter oder der Motor, sondern die mechanische Belastung.