如何选择VFD

这些指南将匹配的可变频率驱动器（VFD）和电机与商业建筑应用中通常遇到的风扇和泵的混淆驱逐出匹配的变频驱动器（VFD）和电机。虽然提高能源效率的动机可能是财务（能源成本降低）或伦理（减少与电力生产相关的温室气体排放），但vfds是提高电机应用中的能效的一种简单方法。随着这些贵族意图，工程师将为客户指定VFD。通常，这不是工程师故事的结束。

By John Yoon，PE，LEED AP，McGuire工程师Inc.，芝加哥 2010年11月16日

询问工程师可变频率驱动器（VFD）的目的，并且共同答案将是“节省能源”。虽然提高能源效率的动机可能是财务（能源成本降低）或伦理（减少与电力生产相关的温室气体排放），但vfds是提高电机应用中的能效的一种简单方法。随着这些贵族意图，工程师将为客户指定VFD。

通常，这不是工程师故事的结束。

故事有时会用死机或建筑物差，这是一个带有电力质量问题的建筑，一个令人沮丧的客户，以及很多手指指向。这些结果往往是对VFDS和电机如何与它们所服务的负载一起工作的理解不良的结果。制造商和供应商的信息和索赔通常有助于进一步混淆问题。以下是一些基本的指导概念，以消除其中一些混淆围绕在商业建筑应用中通常遇到的风扇和泵的VFD和电机的匹配。

感应电动机的解剖

电动机把电能转换成转动的机械能。电机可以驱动泵、风扇、压缩机或任何其他负载，在一个典型的建筑中可能会发现。这一概念似乎很简单，但有必要回顾一下电机基础知识，以了解vfd如何操作，以及它们如何破坏电机。

商业建筑多主电源应用中遇到的最常见的电动机是一款三相交流感应电机。电动机由两个主要组件组成：固定定子和旋转转子。交流电流通过定子中的绕组流动，在转子周围产生旋转磁场。该旋转磁场的频率与AC电压源的频率直接相关。该旋转磁场与转子相互作用，诱导转子中的电流和相关的切线力，这最终导致转子转动。在感应电动机中，转子的速度总是比旋转场的速度慢。电动机的扭矩与电动机的功率大致成比例，并且与旋转速度成反比。当考虑可变扭矩负载（离心式风扇，泵或压缩机）或恒定扭矩负载（正排量螺钉，滚动或往复式压缩机）将连接到电机时，这种操作特性非常重要。

最常见的感应电机类型是鼠笼式电机（也称为短路转子型电机）。定子由称为叠片的环形钢板组成。这些叠片上有打孔槽，然后对齐并堆叠在一起。然后将导体缠绕在这些槽中形成线圈。这些线圈导体与叠片电气绝缘。这种绝缘系统的特性在我们后面的讨论中很重要。圆柱形转子安装在定子中间的空隙中。与定子一样，转子由叠层钢片制成。这些叠片压在中心轴上。铝或铜条通过叠片外缘的槽插入，并在两端用短路环连接，形成笼状结构。转子由轴端的轴承支撑。转子和定子绕组之间没有直接的电气连接。唯一的接触点是轴承，这在后面的章节中将很重要。

感应电动机不是百分之百的效率。电机能量损失是由几个因素引起的，包括I²R功率损耗，磁芯损耗，摩擦损失和杂散负载损失。这些损失通常导致发热，必须散发，以保持电动机绕组绝缘。对于公共完全封闭的风扇冷却电动机（TEFC），使用耦合到转子轴的风扇来完成该散热。电机的速度将直接影响由该风扇产生的冷却空气量。这样，当需要可变速度电动机操作时，电动机的速度是重要的考虑因素。作为经验的规则，绕组温度的10次增加将使预期寿命减半。相反，绕组温度降低10℃将平均预期寿命。

鼠笼式感应电动机的标准绝缘等级

B (80 C):一般用途
F (105 C):工业用途
H（125 C）：特殊用途，重型

这些额定值仅反映内部温度升高。任何电机的最大推荐温度限制也因环境温度和绕组内的额外10 C热点温度的因素。因此，具有在40℃环境中操作的B级绝缘材料的电动机将具有130℃的最大工作温度，使用更高额定的绝缘系统可能会更热，以利用改进的绝缘，但也会打包更多的功率进入一个较小的包裹。

高档汽车

政府从1992年的能源政策法案(EPAct-1992)开始，对电动机的效率标准进行了立法。随后的立法，2007年能源独立与安全法案(EISA-2007)，要求2010年12月19日之后生产的额定电压为600v的所有通用1 -200马力三相电机，必须符合NEMA高级电机标准(由NEMA MG1表12-12定义)。这些电机的额定满负荷效率范围在77%到96.2%之间，取决于许多因素。这代表了一个低收入mid-single-digit效率改进pre-EPAct 1992需求(见表1)。虽然这些效率的提高可能看起来不是很多,如果电动机运行12小时一天一周5天,这期间节能3000小时的运行时在一年将增加。

表1：电机效率

尺寸（惠普）	分离前¹	映射²	高效率^3.
1．0	76.7	82.5	85.5
1．5	79.1.	84.0	86.5
2．0	80.8	84.0	86.5
3	81.4	87.5	89.5
5.0	83.3.	87.5	89.5
7.5	85.5	89.5	91.7
10.0	85.7	89.5	91.7
15.0	86.6	91.0	92.4
20.0	88.5	91.0	93.0
25.0	89.3	92.4	93.6
30.0	89.6	92.4	93.6
40	90.2	93.0	94.1.
50．0	91.3.	93.0	94.5
60.0	91.8	93.6	95.0
75	91.7	94.1.	95.4
100.0	92.3	94.5	95.4
125.0	92.2	94.5	95.4
150.0	93.0	95.0	95.8
200.0	93.5	95.0	96.2
该电机效率图表显示了以1800rpm运行的完全封闭式风扇冷却（TEFC）电机的数据。来源：www.motorsmatter.org. 1.合同生效前：DOE的MotorMaster+软件版本4.00.01（2003年9月26日）“平均标准效率”电机默认值 2. epact：1992年的能源政策法案 3.NEMA Premium: NEMA MG 1-2003

vfd还是高级发动机?

如上所述，在满负荷运行条件下，NEMA高级电机的效率将比epact前电机设计提高个位数。然而，在商业建筑应用中，根据占用率和室外空气温度，暖通空调系统的负荷要求发生了巨大变化。对于任何系统，设计日条件通常只代表总运行时的一小部分。用于流体循环系统和变风量HVAC系统的变速泵所节省的潜在能源显著超过NEMA Premium电机。对于风机、泵等离心负荷，其调节关系可大致简化为:

惠普₂=惠普₁（rpm.₂/ RPM₁）^3.

因此，在1750转/分的情况下，100马力的负载以半速/流量运行，只需要12.5马力，而扭矩的大小将大致随每一负载的速度比的平方而变化。如果可以改变电机的转速，可以利用离心负载的非线性速度/功率关系来节约能源。对于正排量负载，如在整个运行速度范围内需要一致扭矩的螺杆和涡旋压缩机，相关功率与转速下降的关系不是很有吸引力，但仍然具有提高能源效率的潜力。

对于感应电机，转子速度可随施加到定子的电压频率而变化，并利用这些调节功率/速度关系。鉴于此信息，应该清楚为什么术语VFD可以与术语可调速度驱动（ASD）互换。

什么是vfd？

VFD可以改变输出电压的频率和幅度，以改变连接的感应电机的速度、功率和扭矩，以满足负载条件。一个典型的VFD由三个主要部分组成:

整流器
直流中间电路/公共汽车
逆变器

您可能会注意到，图3看起来与双转换UPS非常相似。事实上,两者之间的主要区别是,在UPS逆变器控制部分试图保持一致的电压和频率输出无论电流输出相对于不同电压和频率普遍一致的电流输出加速或减速电动机负载。因此，vfd的额定电流通常是最大输出电流，而ups的额定功率是输出功率。

虽然VFD的每个部分的确切配置可能因制造商而异，但基本结构保持不变。整流器部分由一系列快速作用开关组成，其将输入的AC电压供应转换为脉动DC电压。中间电路包括直流总线和相关电路，以稳定和平滑脉动整流器输出。根据设计类型，直流母线电压大约比进入的交流电源电压大约1.414倍。该直流母线电压可用于逆变器部分，其合成从直流母线电压输出的AC正弦波电压。

逆变器部分输出不是真正的正弦波，而是基于脉宽调制(PWM)原理的近似，这是主要的逆变技术。在逆变器部分的快速作用开关阵列产生与直流母线电压成比例的恒定幅度的电压脉冲。在三相VFD中，有6个开关，每个开关有一对。在每对开关中，一个开关产生正弦波的正分量，第二个开关产生直流母线电压的正弦波的负分量。开关“接通”的时间越长，输出电压越高;相反，开关“关闭”的时间越长，输出电压越低。每一个脉冲的持续时间称为脉冲宽度。这些正负直流电压脉冲的持续时间/间隔决定了合成的交流输出电压和频率。

这些开关打开和关闭的速度称为载波频率。当载波频率增加时，相关的输出可以有更高的分辨率，从而产生更平滑的输出波形，纹波/失真更少。这种平滑的输出可以提高电机在低速时的转矩性能，并降低电机叠层噪音。此外，更快的开关具有更好的逆变器输出可控性与相关改进的动态响应潜力。

较旧的VFD逆变器设计通常使用可控硅整流器（SCR）或双极结晶体管（BJT）作为开关元件。SCR可在250至500 Hz范围内工作，而BJT可在1至2 kHZ范围内工作。大多数现代VFD使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）对于逆变器部分。IGBT可以在更高的频率（高达20 kHz）下打开和关闭。与IGBT相关的更高载波频率提供了一些比旧的SCR和BJT逆变器更重要的优势，但也有一个严重的折衷，将在后面讨论。

IGBT通常不用于VFD整流器前端。VFD整流器通常使用SCR或类似较慢的开关组件。SCR提供了优势，因为它们的更简单的设计给出了可变输入电压质量更强，并且具有相对较低的成本。但是，正如暗示逆变器上IGBT的较高载波频率可能导致问题，因此整流器前端的较低频率可以较低。前端上的这些较慢的开关频率会导致电压源中的过度谐波失真。根据VFD引入的总谐波失真以及其他负载（照明，计算机等）共享相同服务的总谐波失真的幅度，根据IEEE 519-1992可能需要缓解缓解。可以通过使用12脉冲逆变器而不是6脉冲，或添加线路反应器或用于驱动隔离的相移Z字形型变压器来实现一些缓解。驱动隔离变压器旨在保护VFD免受来自上游电力干扰的干扰。它们很少减轻VFD反射回电源系统的谐波电流的大小。

如何杀死电机

电机通常因以下两种情况之一而损坏：绝缘故障或轴承故障。这些故障的显著简化原因是发热和/或电压过高。问题是：VFD的使用如何导致这些故障模式，以及如何缓解这些因素？

电动机不是百分之百的效率，需要冷却。TEFC电机由安装在轴上的风扇冷却。如果某一特定负载应用具有相对较高的调降比，导致轴转速非常慢，则风扇的冷却可能会受到不利影响。不能假设一个电机将容纳一个无限的转弯比而不过热其绝缘系统。记住前面讨论的“10度”经验法则。电机制造商已经为他们的电机推荐了运行速度范围。对连接到电机上的设备的运行限制应反映这些运行速度范围的建议。

如前所述，IGBT可以非常快地开启和关闭。它们可以从0V切换到完整直流母线电压的速度被称为上升时间或DV / DT。存在称为“反射波”的现象，其被IGBT的特征快速上升时间（约为0.1微秒）加剧。当互连电缆阻抗和电动机之间存在不匹配时，发生情况。电机端子反映电压升高电缆。该反射在更长的电缆长度可以加强子脉冲，导致电谐振增加，因为载波频率增加。该反射波可导致电压瞬态直流总线电压的两倍。同样，该直流母线电压可为AC输入电压的1.414倍。在480 V系统中，这可能导致超过1200 V的瞬变。更快的上升时间减少了这种现象经历的电缆长度。一个制造商的一般经验法则是，如果VFD和电机之间的电缆长度超过15英尺的电缆长度超过15英尺，则可能成为一个问题。在现实世界的应用中，这种长度很短很雄心勃勃。 Other manufacturers have recommendations for the maximum acceptable carrier frequency. Another recommended solution is to provide filtering devices between the VFD and motor to mitigate the voltage overshoot, but that also adds cost and complexity.

撇开VFD制造商的安装建议不谈，一台电机的绕组绝缘能承受多大的电压？现有通用电机上的绕组绝缘系统通常可以承受1000 V的脉冲，这对于480 V系统上的IGBT驱动器来说是完全不够的。如果VFD的交流输入电压为240 V或更低，则直流母线电压保持较低，这些“反射波”的大小通常不是问题。然而，对于较高的电机马力，这些较低的利用电压并不总是可行的。如果交流输入电压为480 V，可能存在更高的瞬态过电压，则可选择“逆变器额定负载”电机。但是什么是“逆变器额定负载”电机？其定义根据您的要求而有所不同。NEMA MG1第30部分规定了在2微秒上升时间下1000 V的峰值，这对于SCR和BJT驱动器来说是可以的，但对于480 V系统上的IGBT驱动器来说绝对不行。

理想情况下，变频器额定负载的电机应符合NEMA MG1-2006，第31部分。第31部分规定了使用经改进的轴承润滑剂进行高温操作时，最大的电介质承受能力，峰值线对线电压为1600 V，上升时间为0.1微秒。

现在绝缘系统现在是“防弹”与NEMA MG1-2006，第31部分符合电机，烦人的高频“反射波”发生了什么?答案是它仍然在那里，在定子和转子之间形成了电容耦合。再次，定子和转子组件唯一接触的地方是在轴承。一旦轴承润滑脂经历介质击穿，在轴承圈和流过轴承的电流(轴承电流)有一个放电，导致一种称为电火花加工(EDM)的现象。在轴承滚道上的放电点，滚道表面出现点蚀。经过一段时间后，所有这些小坑在轴承圈中形成垂直于轴承运行方向的沟槽或“凹槽”。这些最终会破坏电机轴承。

有几种方法可以解决EDM：