Der Hauptunterschied zwischen einem Motor, der mit einem Frequenzumrichter betrieben wird, und einem Motor, der mit einer sinusförmigen Netzfrequenz betrieben wird, besteht darin, dass der Frequenzumrichter einerseits in einem breiten Frequenzbereich von niedrigen bis hohen Frequenzen arbeitet und andererseits die Spannungswellenform nicht sinusförmig ist. Die Fourier-Reihenanalyse der Spannungswellenform zeigt, dass die Spannungswellenform des Netzteils neben der Grundwelle (Steuerwelle) mehr als 2N Oberschwingungen enthält (die Anzahl der Modulationswellen in jeder Hälfte der Steuerwelle beträgt N). Wenn der SPWM-Wechselstromumrichter Leistung ausgibt und diese an den Motor anlegt, erscheint die Stromwellenform im Motor als Sinuswelle mit überlagerten Oberschwingungen. Der Oberschwingungsstrom erzeugt eine pulsierende magnetische Flusskomponente im Magnetkreis des Asynchronmotors, die sich dem Hauptmagnetfluss überlagert, sodass der Hauptmagnetfluss eine pulsierende magnetische Flusskomponente enthält. Die pulsierende magnetische Flusskomponente führt außerdem dazu, dass der Magnetkreis zur Sättigung neigt, was folgende Auswirkungen auf den Betrieb des Motors hat:
1. Es wird ein pulsierender magnetischer Fluss erzeugt.
Die Verluste steigen und der Wirkungsgrad sinkt. Da die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters zahlreiche Oberschwingungen hoher Ordnung enthält, führen diese zu einem entsprechenden Kupfer- und Eisenverbrauch und reduzieren so den Wirkungsgrad. Selbst die weit verbreitete SPWM-Technologie (Sinus-Pulsweitenmodulation) unterdrückt lediglich die niederen Oberschwingungen und verringert das pulsierende Drehmoment des Motors, wodurch der stabile Betriebsbereich bei niedrigen Drehzahlen erweitert wird. Die höheren Oberschwingungen nehmen jedoch nicht nur nicht ab, sondern sogar zu. Im Vergleich zu einem Sinusnetzteil mit Netzfrequenz sinkt der Wirkungsgrad in der Regel um 1 % bis 3 % und der Leistungsfaktor um 4 % bis 10 %. Daher stellen die Oberschwingungsverluste des Motors unter Frequenzumrichter-Netzspannung ein erhebliches Problem dar.
b) Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen und Geräusche. Aufgrund des Vorhandenseins einer Reihe von Oberschwingungen höherer Ordnung entstehen elektromagnetische Schwingungen und Geräusche. Die Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen stellt bereits bei sinusförmig betriebenen Motoren ein Problem dar. Bei Motoren, die vom Wechselrichter gespeist werden, gestaltet sich das Problem aufgrund der nicht-sinusförmigen Stromversorgung noch komplexer.
c) Bei niedrigen Drehzahlen tritt ein pulsierendes Drehmoment niedriger Frequenz auf. Die Synthese von harmonischer magnetomotorischer Kraft und Rotorstrom führt zu einem konstanten und einem alternierenden harmonischen elektromagnetischen Drehmoment. Letzteres verursacht Motorpulsationen und beeinträchtigt somit den stabilen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen. Selbst bei Verwendung des SPWM-Modulationsmodus treten im Vergleich zur Netzfrequenz-Sinusspannung noch niederfrequente Oberschwingungen auf, die ebenfalls zu einem pulsierenden Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen führen und den stabilen Motorbetrieb beeinträchtigen.
2. Erzeugen von Impulsspannung und axialer Spannung (Strom) an der Isolation
a) Es tritt eine Stoßspannung auf. Wenn der Motor läuft, überlagert sich die angelegte Spannung häufig mit der Stoßspannung, die beim Kommutieren der Komponenten im Frequenzumrichter entsteht. Manchmal ist die Stoßspannung hoch, was zu wiederholten elektrischen Schlägen an der Spule und zu Schäden an der Isolierung führt.
b) Erzeugung von axialer Spannung und axialem Strom. Die Wellenspannung entsteht hauptsächlich durch Unwucht im magnetischen Kreis und elektrostatische Induktion. Bei herkömmlichen Motoren ist dies unproblematisch, tritt jedoch bei Motoren mit variabler Frequenz deutlich stärker in Erscheinung. Ist die Wellenspannung zu hoch, wird der Schmierfilm zwischen Welle und Lager beeinträchtigt, was die Lagerlebensdauer verkürzt.
c) Die Wärmeabfuhr beeinflusst die Kühlleistung bei niedrigen Drehzahlen. Aufgrund des großen Drehzahlregelbereichs von Frequenzumrichtern laufen diese häufig mit niedriger Drehzahl und Frequenz. Da die Drehzahl dann sehr niedrig ist, reicht die vom Eigenlüfter bereitgestellte Kühlluft bei herkömmlichen Motoren nicht aus, wodurch die Kühlleistung reduziert wird und eine externe Lüfterkühlung erforderlich ist.
Mechanische Einflüsse neigen zu Resonanz; im Allgemeinen erzeugt jedes mechanische Gerät Resonanzphänomene. Ein Motor, der mit konstanter Netzfrequenz und Drehzahl läuft, sollte jedoch Resonanzen mit der mechanischen Eigenfrequenz des elektrischen Frequenzgangs von 50 Hz vermeiden. Bei Betrieb des Motors mit Frequenzumrichter weist der Betriebsfrequenzbereich einen großen Bereich auf, und jede Komponente besitzt ihre eigene Eigenfrequenz, wodurch Resonanzen bei einer bestimmten Frequenz leicht auftreten können.
Veröffentlichungsdatum: 25. Februar 2025