變頻電機3: 電機的極數還重要麼?

工頻供電的情況下,極數在選擇電機時是一個非常重要的參數。這是因為隻有選擇瞭正確的極數,才能夠得到與之對應的的運行轉速。電機的轉速和極數的關系如下:

轉速n (rpm) = 120 * 頻率f (Hz) / 極數p

從上面這個公式可以看到,當供電頻率一定時(采用IEC標準的國傢通常50Hz, 采用NEMA標準的國傢通常60Hz),電機的轉速何其極數呈一一對應的關系。這樣的對應關系帶來的好處是,選擇非常簡單直接,需要什麼轉速就選擇相對應的極數。當然,這種對應關系的缺點是,選擇很少並且無法變化;並且有時候,這些轉速並非負載設備(壓縮機,風扇,泵機等等)的最優運行點。

變頻器的使用,使得頻率在上述公式中不再被當做一個常量來對待。而這也打破瞭轉速和極數之間一一對應的關系。理論上,你可以讓電機運行在任何你希望達到的轉速上。

舉些例子:如果你希望一臺變頻電機運行在1200 rpm,你可以選擇6極電機並將供電頻率設定在60 Hz;或者選擇4極電機並把供電頻率設定在40 Hz。同樣的,如果目標是500 rpm,你的選擇可以是50 Hz的12極電機,或者是25 Hz的6極電機。等等…

上述例子說明瞭,打破瞭轉速和極數的一一對應關系之後,極數的選擇對於轉速而言不再有著過去那種非常剛性的約束。那麼問題來瞭:如果你需要設計/購買/指定一套變頻電機的系統。在這樣一個填空題變問答題的開放環境下,如何選擇電機的極數和頻率的組合呢?

以下是一些不同方面的因素,可以作為選擇標準:

– 電機和變頻器的采購價格

– 電纜的采購價格

– 運行成本(通常是電費)

– 設備的重量於體積 (在偏遠地區的話,安裝和運輸成本是個無法回避的問題)

– 其他

基於上述的或者其他的一些因素,你或許會有自己的選擇標準。而事實上,一些低速運行的設備,是可以嘗試使用小極數和低頻率的組合的,以下是一個對比:

上面的對比中我們可以看到運行頻率25Hz的6極電機除瞭價格更加便宜之外,同時擁有:更輕的重量,更低的額定電流,等大的過在能力以及更高的運行效率。可以說是幾乎全方位的領先作為對比的50Hz,12極電機。

為什麼?如果有一些電機學或者是其設計制造背景的話,你應該知道電機的定子上有開槽在容納定子的線圈。在開槽數一樣的情況下,6極電機的每極每相槽數是12極電機的2倍。更多的每極每相槽數使得電機內部的磁場分佈更加均勻,著可以幫助減少電機的鐵耗以及提高功率因數。更高的功率因數也是的電機可以在更低的額定電流下輸出相同的功率(或者說給定轉速下的轉矩)。這個可以幫助縮小變頻器的大小,甚至是更少的電纜線。

以下是一個真實的用例,在南澳大利亞的一個銅礦,業主因為地下的挖掘延伸需要佈置新的礦井送風機。盡管是變頻供電,不過他們在過去還是習慣性地使用50Hz12機的電機:

出於後勤方面的考慮,新的25 Hz、6極電機加大瞭地腳安裝孔和軸頭的尺寸使得新舊設備可以互換。不過新的設計帶來的好處是顯而易見的:全重10噸的舊電機成瞭不到7噸的新設備,加上更低的電流,以及更好的性能。對於一個偏遠地區的礦場來說,新的想法帶來的好處是非常具有誘惑力的。

當然你會說:天下沒有免費的午餐,既然有那麼多的好處,那麼代價是什麼呢?代價當然是有的,由於這樣的設計選擇下變頻器提供的頻率和電網不同,意味著一旦變頻器出現故障,電機無法想普通的工頻供電的電機那樣切換到電網供電繼續運行的。

當然,如今半導體的可靠性不斷提高的前提下,遭遇變頻器故障的概率正在被逐漸降低。同時,一些特殊的負載應用如礦井送風機,工頻供電的電機需要特殊的放大設計來克服啟動時的大慣量,這不是變頻電機設計時需要考慮的因素,如果需要兼容2種情況,自然會增加設計和制造成本。如果把這種設計上的冗餘比喻成投保一份保險的話,為什麼不考慮給變頻器準備備件呢?今天變頻器廣泛采用模塊化設計的目的之一也是給維護以及維修帶來便利。

擺脫瞭頻率固定的束縛之後,電機(和變頻器)廠商在根據實際需求提供最優解決方案方面有瞭更大的自由並可以提供更多回報。需要的是用戶不再拘泥於工頻供電情況下的固有思維。

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