探討變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計要點

1、探討變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計要點摘要：根據(jù)交流調(diào)速系統(tǒng)的特點及逆變器運行時對變頻電機(jī)工作的影響， 從 系統(tǒng)的角度對變頻電機(jī)在電磁設(shè)計、耐電暈絕緣系統(tǒng)、軸承絕緣技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計 方面加以闡述。關(guān)鍵詞：變頻電機(jī) 設(shè)計 交流調(diào)速系統(tǒng) 變頻器 諧波一、變頻器運行時對變頻電機(jī)工作的影響在變頻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，采用電力電子變壓變頻器作為供電電源， 供電 系統(tǒng)中電壓除基波外不可避免含有高次諧波分量， 對外表現(xiàn)為非正弦性，諧波對 電機(jī)的影響主要體現(xiàn)在磁路中的諧波磁勢和電路中的諧波電流上，不同振幅和頻率的電流和磁通諧波將引起電動機(jī)定子銅耗、 轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的 增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。這

2、些損耗都會使電動機(jī)效率和功率因數(shù)降低。 同時，這些損耗絕大部分轉(zhuǎn)變成熱能，引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致變頻電機(jī)溫升的 增加。如將普通三相異步電動機(jī)運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%-20%同時這些諧波磁動勢與轉(zhuǎn)子諧波電流合成又產(chǎn)生恒定的 諧波電磁轉(zhuǎn)矩和振動的諧波電磁轉(zhuǎn)矩， 恒定諧波電磁轉(zhuǎn)矩的影響可以忽略， 振動 諧波電磁轉(zhuǎn)矩會使電動機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，從而造成電機(jī)轉(zhuǎn)速（主要是低速時）的振蕩，甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。諧波電流還增加了電機(jī)峰值電流，在一定 的換流能力下，諧波電流降低了逆變器的負(fù)載能力。 對于變頻電機(jī)，如何在設(shè)計 過程中采取合理措施避免或減小應(yīng)用變頻器所帶來的影響，

3、以求得系統(tǒng)最佳經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，是本文討論的重點。二、變頻電機(jī)設(shè)計特點對于變頻電機(jī)，其設(shè)計必須與逆變器、機(jī)械傳動裝置相匹配共同滿足傳動系 統(tǒng)的機(jī)械特性，如何從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)出發(fā)， 求得電機(jī)與逆變器的最佳 配合，是變頻電機(jī)設(shè)計的特點。設(shè)計理論依據(jù)交流電機(jī)設(shè)計理論， 供電電源的非 正弦以及全調(diào)速頻域內(nèi)達(dá)到滿意的綜合品質(zhì)因數(shù)是變頻電機(jī)設(shè)計中需要著重注 意的兩個問題，設(shè)計中參數(shù)的選取應(yīng)做特別的考慮。 與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比，一般 變頻電機(jī)設(shè)計有如下一些特點：1. 用于變頻調(diào)速的異步電動機(jī)要求其工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，所以設(shè)計電機(jī)時不能僅僅考慮某單一頻率下的運行特性， 而要求電機(jī)在較寬的頻率范圍內(nèi) 工

4、作時均有較好的 運行性能。如目前 大多調(diào)速異 步電動 機(jī)的工作頻 率在5Hz100Hz內(nèi)可調(diào)，設(shè)計時要全面考慮。2. 變頻電機(jī)在低速時降低供電頻率，可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動點，獲得很好 的起動特性，因而在設(shè)計變頻電機(jī)時不需要對起動性能作特別的考慮， 轉(zhuǎn)子槽不 必設(shè)計為深槽，從而可以重點進(jìn)行其它方面的優(yōu)化設(shè)計。3. 變頻電機(jī)通過調(diào)節(jié)電壓和頻率，在每一個運行點都可以有多種運行方式， 對應(yīng)多種不同的轉(zhuǎn)差頻率，因而總能找到最佳的轉(zhuǎn)差頻率，使電機(jī)的效率或功率 因數(shù)在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都很高。 因而，變頻電機(jī)的功率因數(shù)和效率可以設(shè)計得 更高，功率密度得以進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明：在額定工作點，逆變器供電下的異

5、步電機(jī)效率比普通電機(jī)高 2%3%功率因數(shù)高10%20%4. 變頻電機(jī)采用變頻裝置供電，輸入電流中含有較多的高次諧波，產(chǎn)生電機(jī) 局部放電和空間電荷，增大了介質(zhì)損耗發(fā)熱和電磁振動力， 加速了絕緣材料的老 化，所以應(yīng)加強(qiáng)電機(jī)絕緣和提高整體機(jī)械強(qiáng)度， 變頻電機(jī)的絕緣強(qiáng)度一般要達(dá)到F級以上。5. 變頻供電時產(chǎn)生的軸電壓和軸電流會使電機(jī)軸承失效，縮短軸承使用壽 命，必須在設(shè)計上要加以考慮。對較小的軸電流，可以適當(dāng)增大電機(jī)氣隙和選用 專用潤滑脂；另外，增加軸承的電氣絕緣或者將電機(jī)軸通過電刷接地， 可以有效 解決軸承損壞問題；對過高軸電壓，應(yīng)設(shè)法隔斷軸電流的回路，如采用陶瓷滾子 軸承或?qū)崿F(xiàn)軸承室絕緣。同時，在

6、逆變器輸出端增加濾波環(huán)節(jié)，降低脈沖電壓 dU/dt也是一種有效的方法。三、電磁設(shè)計在普通異步電動機(jī)設(shè)計基礎(chǔ)之上，為進(jìn)一步提高變頻調(diào)速電機(jī)的性能， 對變 頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計參數(shù)也要進(jìn)行更加細(xì)致的考慮。滿足高性能要求時的變 頻電機(jī)設(shè)計參數(shù)的變化與設(shè)計目標(biāo)之間的關(guān)系。 在設(shè)計參數(shù)和性能要求之間還必 須折衷選擇。電磁設(shè)計時不能僅限于計算某一個工作狀態(tài)，電磁參數(shù)的選取應(yīng)使 每個頻率點的轉(zhuǎn)矩參數(shù)滿足額定參數(shù)要求， 最大發(fā)熱因數(shù)滿足溫升限值，最高磁 參數(shù)滿足材料性能要求，最高頻率點滿足轉(zhuǎn)矩倍數(shù)要求， 額定點效率、功率因數(shù) 滿足額定要求。由于諧波磁勢是由諧波電流產(chǎn)生的，為減小變頻器輸出諧波對異 步電動機(jī)工

7、作的影響，總之是限制諧波電流在一定范圍內(nèi)。四、絕緣設(shè)計電機(jī)運行于逆變電源供電環(huán)境，其絕緣系統(tǒng)比正弦電壓和電流供電時承受更 高的介電強(qiáng)度。與正弦電壓相比，變頻電機(jī)繞組線圈上的電應(yīng)力有兩個不同點： 一是電壓在線圈上分布不均勻，在電機(jī)定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約 80%電 壓幅值，繞組首匝處承受的匝間電壓超過平均匝間電壓10倍以上。這是變頻電機(jī)通常發(fā)生繞組局部絕緣擊穿，特別是繞組首匝附近的匝間絕緣擊穿的原因。 二 是電壓（形狀、極性、電壓幅值）在匝間絕緣上的性質(zhì)有很大的差異， 因此產(chǎn)生了 過早的老化或破壞。變頻電機(jī)絕緣損壞是局部放電、 介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷感 應(yīng)、電磁激振和機(jī)械振動等多種因素共同作

8、用的結(jié)果。變頻電機(jī)從絕緣方面看應(yīng) 具有以下幾個特點：（1）良好的耐沖擊電壓性能； 良好的耐局部放電性能；（3） 良好的耐熱、耐老化性能。五、結(jié)構(gòu)設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、 噪聲冷卻方式等方面的影響，一般應(yīng)注意以下問題：1. 普通電機(jī)采用變頻器供電時，會使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的振 動和噪聲變得更加復(fù)雜。在設(shè)計時要充分考慮電動機(jī)構(gòu)件及整體的剛度， 盡力提 高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。2. 電機(jī)冷卻方式：變頻電機(jī)一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用 獨立的電機(jī)驅(qū)動，使其在低速時保持足夠的散熱風(fēng)量。3. 對恒功率變頻電機(jī)，當(dāng)

9、轉(zhuǎn)速超過3000r/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑 脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。4. 變頻電機(jī)承受較大的沖擊和脈振，電機(jī)在組裝后軸承要留有一定軸向竄動 量和徑向間隙，即選用較大游隙的軸承。5. 對于最大轉(zhuǎn)速較高的變頻電機(jī)，可在端環(huán)外側(cè)增加非磁性護(hù)環(huán)，以增加強(qiáng) 度和剛度。6. 為配合變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和提高控制精度，在電機(jī)內(nèi)部應(yīng)考 慮裝設(shè)非接觸式轉(zhuǎn)速檢測器，一般選用增量型光電編碼器。7. 調(diào)速系統(tǒng)對傳動裝置加速度有較高要求時，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)較小，應(yīng)設(shè)計成長徑比較大的結(jié)構(gòu)。六、結(jié)論與普通異步電動機(jī)不同，變頻調(diào)速異步電動機(jī)采用變頻器供電， 其運行性能 與電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計要同 時兼顧電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)；另一方面也使得變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計變得靈 活，但同時也增加了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。只有結(jié)合變頻器和一 定的控制策略，從整體上進(jìn)行電機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化，才能獲得最理 想的運行性能。參考文獻(xiàn)：ANDR