淺談交流變頻調(diào)速電機的設(shè)計

趙誠　歐陽山　郭耀東

摘要：對普通電動機來說，在設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、起動性能、額定點的效率和功率因數(shù)。而對于變頻電機，其設(shè)計必須與逆變器、機械傳動裝置相匹配共同滿足傳動系統(tǒng)的機械特性，如何從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標出發(fā)，求得電機與逆變器的最佳配合，是變頻電機設(shè)計的特點。設(shè)計理論依據(jù)交流電機設(shè)計理論，供電電源的非正弦以及全調(diào)速頻域內(nèi)達到滿意的綜合品質(zhì)因數(shù)是變頻電機設(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。從交流變頻調(diào)速電機原理人手，具體分析了交流變頻調(diào)速電機的設(shè)計特點。

關(guān)鍵詞：交流 變頻調(diào)速 電機 設(shè)計原理 設(shè)計要點

概述：

變頻調(diào)速電動機系采用SPWM變頻裝置供電的電動機，兩者構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)。長期以來，對于應(yīng)用可調(diào)速電力拖動系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，一直是直流傳動占據(jù)優(yōu)勢，特別是要求高精度調(diào)速和可逆?zhèn)鲃拥膱龊希瑤缀跞捎弥绷麟妱訖C。但從技術(shù)和應(yīng)用來講，直流電動機的機械式換向器是一個致命弱點，再加上直流電動機存在極限容量問題，使人們把注意力轉(zhuǎn)向了交流電動機。隨著各國能源成本不斷上漲及大功率晶體管、集成電路等元器件價格不斷下跌，直流調(diào)速電動機最終要被無換向器的交流電機及其調(diào)速技術(shù)所取代。變頻調(diào)速電機系統(tǒng)是性能最好且最有發(fā)展前景的機電一體化產(chǎn)品，除必須具有變頻調(diào)速器外，還必須具有與之配套的交流電動機才能實現(xiàn)無級調(diào)速。變頻調(diào)速電動機主要用在額定頻率及其以下的某一頻率范圍內(nèi)作恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，在額定頻率以上的某一頻率范圍內(nèi)作恒功率驅(qū)動。

2設(shè)計原理

當改變電源頻率f時，同步轉(zhuǎn)速n1=6Of/P與頻率成正比變化，電動機的轉(zhuǎn)速n也隨之改變。所以改變電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)感應(yīng)電動機的車專速。異步電動機的電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩公式分別為：

如果忽略定子阻抗壓降，則定子端電壓U1等于E1。當U1保持不變時，隨著頻率廠的升高，氣隙磁通如將減少，致使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩八減少，同時電動機的最大轉(zhuǎn)矩亦降低。反之，隨著頻率f的減少，將導(dǎo)致磁路飽和，勵磁電流上升，鐵損耗增加。 因此，變頻調(diào)速時應(yīng)根據(jù)被拖動機械的不同要求，選擇不同的調(diào)速方式。

（1）恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速

對恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速，若保持輸出轉(zhuǎn)矩一定，就要求磁通丙不變，則

這種控制方式下，加到電動機上的電壓必須隨頻率成正比改變。

（2）恒功率變頻調(diào)速

對恒功率變頻調(diào)速，若保持輸出功率不變時，就要求電壓保持恒定，則

Pn = C1 Tnf=CE1=常數(shù)

這種控制方式下，隨著頻率的增加，氣隙磁通將下降，電機轉(zhuǎn)矩隨之降低。

3設(shè)計特點

由于變頻調(diào)速器輸出的是一系列脈沖電壓波，盡管采用了SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，力求使其波形接近正弦，但實際上和工頻電網(wǎng)供電的正弦波比較，仍含有較多的諧波成分。因此，對電動機來言，即相當于由一非正弦電網(wǎng)供電的情況，使電機損耗增大，效率降低，溫升增高，轉(zhuǎn)矩降低，特別是在低頻空載情況下尤為明顯。普通電機在低頻區(qū)運行，由于自扇冷的風扇冷卻能力下降、電機溫升問題不易解決；而在高頻區(qū)運行時，轉(zhuǎn)速超過5～6倍，·其結(jié)構(gòu)件的剛度、強度也不能滿足要求。因此，變頻調(diào)速專用電動機開發(fā)的必要性就在于解決在變頻調(diào)速情況下，普通Y系列電機勝任不了的問題。其設(shè)計特點如下：

（1）用SPWM裝置額定頻率供電時，變頻調(diào)速電機的功率等級和安裝尺寸的對應(yīng)關(guān)系與基本系列電動機相同，這有利于用戶的安裝、維修、推廣與使用。

（2）由于通常的自帶風扇的冷卻方式，在許多場合下將不適用于變頻器供電的變頻調(diào)速電動機，基速以下的恒轉(zhuǎn)矩特性使電動機在低速時的電流和磁通都基本保持不變，然而此時的冷卻風量卻與轉(zhuǎn)速的3次方成正比的減少，使散熱發(fā)生困難。因此，變頻調(diào)速電動機需采用外通風冷卻，同時應(yīng)充分考慮電機的溫升裕度。如通過各種途徑盡可能減少各種損耗，對電機內(nèi)部空氣的流場和溫度場進行認真分析，減少溫度分布的不均勻系數(shù)，提高線圈端部的散熱能力。這樣，變頻調(diào)速電動機的軸向長度較普通電動機稍長。

（3）在以變頻器供電的電機系統(tǒng)中，電機的輸出電壓及電流不再是具有恒定頻率的正弦波，而是以非正弦的形式供電，從而增大了電機中電磁力波次數(shù)和強度。另外，電機已不在一個預(yù)期的工作狀態(tài)上運行，而是在一定的頻率范圍內(nèi)工作。這時在電機的運行過程中，就不可避免地會出現(xiàn)電磁力波頻率與電機系統(tǒng)的某些固有頻率重合而發(fā)生共振，從而使電機在運行中產(chǎn)生較大的振動和噪聲。因此在電機設(shè)計中至少應(yīng)充分考慮以下幾點：

（a）因變頻器的輸出電流及電壓中含有大量的高階諧波分量，將明顯增大電機噪聲水平。電機設(shè)計時需減少電機中的氣隙不平衡以及電磁激振力的大小來降低電機的噪聲。這可以通過提高定子鐵心內(nèi)徑及轉(zhuǎn)子鐵心外徑的加工精度來減少偏差和提高同心度方法來實現(xiàn)。對100kw以下的籠形異步電動機，還可以通過斜槽來實現(xiàn)。

（b）由于電機在一個頻率范圍內(nèi)工作，要使電機定子的主要階模態(tài)的固有頻率與電磁激振力的階分量錯開是十分困難的，但可以通過選擇合理的槽配合、改進電機的絕緣結(jié)構(gòu)和采用正弦繞組等以降低低階空間諧波的幅值或者對定子的結(jié)構(gòu)進行阻尼處理以增大電機定子各階模態(tài)的阻尼，來降低電機定子在發(fā)生振動時的振幅，達到降低噪聲的目的。

（c） 盡管SPWM裝置輸出的電壓是一間斷脈沖波，但由于電機電感的作用，定子電流波形還是連續(xù)的。為使定子電流平滑連續(xù)并趨于正弦波，在電機設(shè)計時可適當增加電機的電感（電抗），有利于削弱諧波電流損耗。

（4）由于變頻電機的高速運行時，轉(zhuǎn)速非常高，這對電機結(jié)構(gòu)件的剛度、強度有較高的要求。電機設(shè)計時需對電機機座、端蓋、轉(zhuǎn)軸連接系統(tǒng)以及軸承進行分析，采取相應(yīng)措施。如端蓋采用帶內(nèi)、外散熱筋結(jié)構(gòu)，同時加強電機與獨立風機連接部分的強度，來保證變頻電動機高速運行良好的剛度。

4結(jié)束語

變頻調(diào)速電動機是電機的一個新領(lǐng)域。對于這種電機來說，其由諧波及其頻率變化范圍帶來的噪聲、振動、過熱及剛度是變頻電機分析的關(guān)鍵。變頻調(diào)速電機將在電機調(diào)速范疇中占據(jù)主導(dǎo)地位。

參考文獻：

[1]李鶴軒李揚譯.異步電動機的控制.北京：機械工業(yè)出版社， 2003.

[2]陳伯時，陳敏遜著.交流調(diào)速系統(tǒng)（第2版）.北京：機械工業(yè)出版社， 2015.

[3]沈本蔭著.牽引電機.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.