Перегрев электродвигателя при работе с частотным преобразователем возникает, когда тепловые потери в обмотке, стали и подшипниковых узлах превышают возможности системы охлаждения. Чаще всего это происходит при длительной работе на низких оборотах с постоянным моментом, неправильной настройке преобразователя, перегрузке привода или использовании двигателя без учёта допустимого диапазона частотного регулирования.

Сам факт питания от преобразователя частоты не означает, что двигатель будет перегреваться. Температура зависит от сочетания частоты, момента нагрузки, тока, способа охлаждения, настроек управления и продолжительности режима. Поэтому причину определяют по параметрам всей приводной системы, а не только по температуре корпуса двигателя.

Откуда берётся лишнее тепло в частотно-регулируемом приводе

Основная часть тепла в асинхронном двигателе образуется из-за потерь в обмотках статора и ротора, магнитных потерь в стали, механических потерь и дополнительных потерь от несинусоидального напряжения преобразователя. При увеличении тока особенно быстро растут потери в обмотках, поскольку они пропорциональны квадрату тока.

При номинальной частоте двигатель отводит это тепло через корпус и поток воздуха, создаваемый установленным на валу вентилятором. Когда преобразователь снижает частоту питания, уменьшается частота вращения двигателя и одновременно падает производительность штатного вентилятора. Источники тепла при этом могут сохраняться почти на прежнем уровне, а охлаждение становится менее эффективным.

Наиболее тяжёлый режим возникает, когда механизм должен развивать значительный момент на малой скорости. Для создания момента двигателю требуется ток, но собственный вентилятор уже не обеспечивает расчётный воздушный поток. В результате температура обмоток продолжает повышаться даже при токе, который не превышает номинальное значение на шильде.

Почему длительная работа на малой скорости опаснее кратковременного снижения оборотов

Кратковременная работа на пониженной частоте не всегда приводит к опасному нагреву. Двигатель обладает тепловой инерцией, поэтому температура обмоток изменяется медленнее, чем частота вращения. Если снижение скорости длится недолго, а затем двигатель возвращается к номинальному режиму, накопленное тепло может быть отведено без превышения допустимой температуры.

При длительном режиме ситуация меняется. Штатный вентилятор постоянно вращается медленно, а потери продолжают нагревать обмотку. Установившаяся температура определяется уже не кратковременной перегрузочной способностью, а допустимой продолжительной нагрузкой двигателя на выбранной скорости.

Поэтому нижнюю рабочую частоту нельзя назначать только по возможностям преобразователя. Необходимо учитывать график нагрузочной способности конкретного двигателя. Он показывает, какой момент или ток допускается длительно при разных частотах и способах охлаждения.

Как характер нагрузки влияет на перегрев

Риск перегрева зависит не только от скорости двигателя, но и от того, как изменяется момент приводимого механизма при снижении оборотов.

Тип нагрузки Примеры оборудования Поведение при снижении скорости Риск перегрева
Постоянный момент Конвейеры, экструдеры, мешалки, подъёмные механизмы Для сохранения момента двигателю требуется значительный ток даже на малых оборотах Высокий при длительной работе без независимого охлаждения
Вентиляторная нагрузка Центробежные насосы, вентиляторы, дымососы При снижении скорости уменьшаются момент сопротивления и потребляемая мощность Обычно ниже, если рабочая точка оборудования выбрана правильно
Постоянная мощность Шпиндели, намоточные и отдельные станочные приводы При изменении скорости момент должен изменяться обратно пропорционально частоте вращения Зависит от рабочего диапазона, тока и области ослабления поля

Для насосов и вентиляторов снижение частоты обычно сопровождается существенным уменьшением нагрузки. Поэтому штатного охлаждения может оказаться достаточно в более широком диапазоне скоростей. Но это правило нельзя автоматически применять к объёмным насосам, конвейерам и другим механизмам с постоянным моментом.

Если привод должен медленно перемещать тяжёлый конвейер, вращать загруженную мешалку или удерживать технологическое усилие, нагрузка на валу не исчезает вместе со снижением оборотов. Такой режим требует отдельной проверки тепловой нагрузочной способности двигателя.

Как настройка преобразователя влияет на температуру двигателя

Преобразователь должен поддерживать соотношение напряжения и частоты, при котором магнитный поток двигателя остаётся в допустимом диапазоне. При скалярном управлении эту зависимость задаёт характеристика U/f. Ошибки в её настройке могут привести как к недостаточному моменту, так и к повышенному току и нагреву.

Если напряжение на низкой частоте завышено, магнитная система может перейти в насыщение. Ток при этом возрастает без соответствующего увеличения полезного момента, а обмотка статора нагревается. Чрезмерное увеличение функции компенсации падения напряжения, которую также называют форсировкой или boost, особенно опасно при продолжительной работе на малой скорости.

При недостаточном напряжении двигатель не развивает требуемый момент. Скорость снижается, скольжение увеличивается, а система управления пытается компенсировать нехватку момента током. Это также может привести к нагреву и срабатыванию защиты.

При векторном управлении преобразователь использует параметры схемы замещения двигателя. Поэтому перед вводом привода в эксплуатацию необходимо правильно внести номинальное напряжение, ток, мощность, частоту и частоту вращения, указанные на шильде. Если преобразователь поддерживает автоматическую идентификацию двигателя, её проводят в соответствии с инструкцией изготовителя.

Настройки разгона и торможения также влияют на тепловую нагрузку. Слишком короткое время разгона вызывает повышенный ток, особенно у механизмов с большим моментом инерции. Частые циклы ускорения, торможения и повторного пуска могут нагревать двигатель даже при нормальной температуре во время установившейся работы.

Когда требуется независимая вентиляция

Независимая вентиляция применяется, когда двигатель должен продолжительно развивать требуемый момент при скорости, на которой штатный вентилятор уже не обеспечивает достаточного охлаждения. В такой системе отдельный вентилятор имеет собственный привод и вращается с постоянной скоростью независимо от частоты основного двигателя.

Необходимость независимого охлаждения определяют не по одной универсальной частоте. Она зависит от мощности и типоразмера двигателя, конструкции корпуса, момента нагрузки, температуры окружающей среды и продолжительности работы. Для одного привода длительный режим на 25 Гц может быть допустим, а для другого потребуется снижение момента или установка отдельного вентилятора.

Независимую вентиляцию обычно рассматривают в следующих случаях:

  • двигатель длительно работает на низкой частоте с постоянным моментом;
  • механизм не допускает снижения производственного усилия при уменьшении скорости;
  • привод работает при повышенной температуре окружающего воздуха;
  • двигатель установлен в ограниченном пространстве с недостаточным воздухообменом;
  • частые пуски и торможения создают дополнительную тепловую нагрузку;
  • расчётная нагрузка приближается к допустимой границе двигателя во всём диапазоне регулирования.

Питание независимого вентилятора должно быть организовано отдельно от регулируемого выхода преобразователя. В схеме управления предусматривают контроль его работы и блокировку, исключающую длительную работу нагруженного двигателя при остановленном вентиляторе.

Почему двигатель может греться и при нормальной частоте

Если перегрев сохраняется на частоте, близкой к номинальной, причина может находиться не в снижении производительности вентилятора. В этом случае проверяют нагрузку, параметры питания, состояние двигателя и механической передачи.

К повышению температуры приводят:

  • перегрузка рабочего механизма;
  • неправильно введённые номинальные данные двигателя;
  • ошибочная схема соединения обмоток;
  • закрытые вентиляционные отверстия или загрязнённая поверхность корпуса;
  • неверное направление вращения вентилятора независимого охлаждения;
  • износ подшипников, нарушение соосности или чрезмерное натяжение ремней;
  • повышенная температура окружающего воздуха;
  • частые разгоны, реверсы и электрическое торможение;
  • повреждение обмотки или межвитковое замыкание;
  • длительная работа с током выше допустимого для выбранной частоты.

Питание от преобразователя имеет импульсную форму. Высшие гармоники тока создают дополнительные потери в стали и обмотках. Их величина зависит от двигателя, преобразователя, частоты коммутации, длины кабеля и применяемых фильтров. Поэтому обычный двигатель, нормально работающий от сети, не всегда сохраняет ту же тепловую нагрузочную способность при питании от преобразователя.

Как определить причину перегрева

Проверку начинают с фиксации режима, в котором растёт температура. Необходимо записать выходную частоту преобразователя, скорость двигателя, ток, момент или загрузку механизма, продолжительность работы и температуру окружающего воздуха. Без этих данных невозможно отделить недостаточное охлаждение от перегрузки или ошибки настройки.

  1. Сравнивают ток по фазам. Ток оценивают в установившемся режиме и во время разгона. Его сопоставляют не только с номинальным током двигателя, но и с допустимой нагрузкой на выбранной частоте.
  2. Проверяют параметры двигателя в преобразователе. Мощность, напряжение, ток, частота и номинальная скорость должны соответствовать шильду и фактической схеме соединения обмоток.
  3. Определяют характер нагрузки. Проверяют, уменьшается ли момент сопротивления при снижении скорости или механизм требует практически постоянного момента.
  4. Осматривают систему охлаждения. Контролируют состояние вентилятора, кожуха, воздухозаборных отверстий и поверхности корпуса. Для независимого вентилятора проверяют питание, направление вращения и фактический воздушный поток.
  5. Проверяют механику. Двигатель отсоединяют от механизма, если это допускается технологией, и оценивают состояние подшипников, соосность, натяжение ремней и свободное вращение вала.
  6. Анализируют настройки управления. Проверяют характеристику U/f, компенсацию напряжения, ограничения тока, время разгона и торможения, а также результаты идентификации двигателя.
  7. Контролируют температуру обмоток. Наиболее надёжные данные дают встроенные термодатчики. Температура поверхности корпуса не всегда соответствует максимальной температуре внутри обмотки.

Оценивать состояние двигателя прикосновением к корпусу нельзя. Допустимая температура зависит от класса изоляции, конструкции и точки измерения. Двигатель может казаться очень горячим, но работать в разрешённом тепловом режиме, либо иметь локальный перегрев обмотки при умеренной температуре корпуса.

Что проверить перед выбором двигателя для частотного регулирования

До подбора двигателя необходимо составить нагрузочную диаграмму привода. В ней указывают минимальную и максимальную скорость, требуемый момент на разных участках диапазона, продолжительность работы, частоту пусков, время разгона и условия охлаждения.

Для двигателя проверяют:

  • допустимый диапазон частотного регулирования;
  • нагрузочную способность при минимальной рабочей скорости;
  • возможность продолжительной работы с требуемым моментом;
  • способ охлаждения и необходимость независимой вентиляции;
  • наличие термодатчиков в обмотке;
  • исполнение изоляции для питания от преобразователя;
  • допустимую максимальную частоту вращения;
  • необходимость энкодера для точного регулирования скорости или момента;
  • соответствие монтажного исполнения и присоединительных размеров оборудованию.

Если привод должен длительно работать на низких оборотах, двигатель выбирают по требуемому моменту и тепловой нагрузочной способности, а не только по мощности механизма. В каталоге представлены электродвигатели АДЧР для частотно-регулируемого привода с различной мощностью, частотой вращения и вариантами дополнительной комплектации.

Для подбора двигателя и проверки совместимости с преобразователем направьте специалистам НПО «Энергомаш» параметры механизма, диапазон скоростей, требуемый момент, режим работы и данные установленного оборудования.