Trong lĩnh vực thiết bị điện, động cơ cảm ứng thông thường thường được thiết kế để hoạt động dưới tần số và điện áp không đổi. Tuy nhiên, thiết kế này bộc lộ những hạn chế trong việc đáp ứng nhu cầu hiệu suất cao của các ứng dụng điều khiển tốc độ có tần số thay đổi.
1. Hiệu suất và tăng nhiệt độ
• Tất cả các loại bộ biến tần đều tạo ra điện áp và dòng điện hài trong quá trình hoạt động, khiến động cơ hoạt động trong điều kiện nguồn điện không hình sin.
• Lấy bộ chuyển đổi hình sin (Điều chế độ rộng xung) hình sin thường được sử dụng làm ví dụ, các thành phần hài bậc cao của nó (khoảng gấp đôi tần số sóng mang) dẫn đến tổn hao tăng trong động cơ, bao gồm tổn hao đồng/nhôm của stato và rôto, tổn hao lõi và tổn hao tản bổ sung. Đáng chú ý là tổn thất đồng rô-to trở nên rõ rệt hơn.
• Khi động cơ cảm ứng hoạt động ở tốc độ gần đồng bộ, điện áp hài tần số cao sẽ gây ra tổn hao đáng kể trên các thanh rôto. Ngoài ra, tổn thất đồng tăng thêm do hiệu ứng bề mặt còn góp phần làm giảm hiệu suất.
• Những tổn thất này dẫn đến sinh thêm nhiệt, giảm hiệu suất và giảm công suất đầu ra. Dưới nguồn điện không hình sin từ các bộ biến tần, sự tăng nhiệt độ của Động cơ cảm ứng ba pha tiêu chuẩn thường tăng từ 10% đến 20%.
2. Ứng suất cách nhiệt
• Nhiều bộ chuyển đổi tần số vừa và nhỏ sử dụng điều khiển bằng xung điện với tần số sóng mang từ vài kHz đến hàng chục kHz. Điều này khiến cuộn dây động cơ phải chịu mức dv/dt cao (tốc độ tăng điện áp), tương đương với điện áp xung dốc thách thức khả năng cách điện lần lượt.
• Điện áp cắt hình chữ nhật được tạo ra bởi bộ chuyển đổi xung điện xung quanh điện áp hoạt động của động cơ, gây nguy hiểm cho lớp cách điện trên mặt đất. Các xung điện áp cao lặp đi lặp lại làm tăng tốc độ lão hóa cách điện.
Để giải quyết những thách thức này, động cơ biến tần kết hợp tối ưu hóa điện từ và cấu trúc chuyên dụng:
1. Thiết kế điện từ
• Trọng tâm chính là nâng cao khả năng tương thích của động cơ với các nguồn điện không hình sin.
• Điện trở stato và rôto được giảm thiểu để giảm tổn thất đồng cơ bản, bù đắp tổn thất bổ sung do sóng hài gây ra.
• Độ tự cảm của động cơ được tăng lên một cách cẩn thận để triệt tiêu dòng điện hài tần số cao đồng thời đảm bảo kết hợp trở kháng phù hợp trên toàn bộ dải tốc độ.
2. Thiết kế kết cấu
• Cấu trúc của động cơ chịu tác động của nguồn điện không hình sin đến khả năng cách nhiệt, độ rung, tiếng ồn và khả năng làm mát.
• Hệ thống cách điện: Sử dụng cách điện loại F hoặc cao hơn, với cách điện nối đất gia cố và cách điện lần lượt, đặc biệt nhấn mạnh khả năng chống lại điện áp xung.
• Hệ thống làm mát: Hệ thống thông gió cưỡng bức được sử dụng, trong đó quạt điều khiển độc lập đảm bảo tản nhiệt hiệu quả, chống lại áp lực nhiệt gia tăng khi vận hành với tần số thay đổi.
Động cơ biến tần được thiết kế tỉ mỉ để giảm thiểu tác động bất lợi của bộ biến tần. Thông qua các thiết kế cấu trúc và điện từ được tối ưu hóa, những động cơ này đạt được khả năng thích ứng vượt trội với các nguồn điện không hình sin, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng có tốc độ thay đổi. Hiệu suất nâng cao của chúng về hiệu quả, quản lý nhiệt và độ tin cậy cách nhiệt nhấn mạnh sự thống trị của chúng trong các hệ thống truyền động công nghiệp hiện đại.
