浅谈变频调速异步电动机的设计要点
2014-3-3 21:42:49点击：
作者：湘潭电机厂
一、变频器运行时对变频电机工作的影响
在变频电机调速控制系统中，采用电力电子变压变频器作为供电电源，供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，对外表现为非正弦性，谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上，不同振幅和频率的电流和磁通谐波将引起电动机定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜(铝)耗。这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。同时，这些损耗绝大部分转变成热能，引起电机附加发热，导致变频电机温升的增加。如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%～20%。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩，恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略，振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动，从而造成电机转速(主要是低速时)的振荡，甚至引起系统的不稳定。谐波电流还增加了电机峰值电流，在一定的换流能力下，谐波电流降低了逆变器的负载能力。对于变频电机，如何在设计过程中采取合理措施避免或减小应用变频器所带来的影响，以求得系统最佳经济技术效果，是本文讨论的重点。
二、变频电机设计特点
对于变频电机，其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性，如何从调速系统的总体性能指标出发，求得电机与逆变器的最佳配合，是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论，供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题，设计中参数的选取应做特别的考虑。与传统异步电机相比，一般变频电机设计有如下一些特点：
1.用于变频调速的异步电动机要求其工作频率在一定范围内可调，所以设计电机时不能仅仅考虑某单一频率下的运行特性，而要求电机在较宽的频率范围内工作时均有较好的运行性能。如目前大多调速异步电动机的工作频率在5Hz~100Hz内可调，设计时要全面考虑。
2.变频电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，获得很好的起动特性，因而在设计变频电机时不需要对起动性能作特别的考虑，转子槽不必设计为深槽，从而可以重点进行其它方面的优化设计。
3.变频电机通过调节电压和频率，在每一个运行点都可以有多种运行方式，对应多种不同的转差频率，因而总能找到最佳的转差频率，使电机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很高。因而，变频电机的功率因数和效率可以设计得更高，功率密度得以进一步提高。现有数据表明：在额定工作点，逆变器供电下的异步电机效率比普通电机高2%~3%，功率因数高10%~20%。
4.变频电机采用变频装置供电，输入电流中含有较多的高次谐波，产生电机局部放电和空间电荷，增大了介质损耗发热和电磁振动力，加速了绝缘材料的老化，所以应加强电机绝缘和提高整体机械强度，变频电机的绝缘强度一般要达到F级以上。
5.变频供电时产生的轴电压和轴电流会使电机轴承失效，缩短轴承使用寿命，必须在设计上要加以考虑。对较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用专用润滑脂；另外，增加轴承的电气绝缘或者将电机轴通过电刷接地，可以有效解决轴承损坏问题；对过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。同时，在逆变器输出端增加滤波环节，降低脉冲电压dU/dt也是一种有效的方法。
三、电磁设计
在普通异步电动机设计基础之上，为进一步提高变频调速电机的性能，对变频调速异步电动机的设计参数也要进行更加细致的考虑。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。
四、绝缘设计
电机运行于逆变电源供电环境，其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压10倍以上这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。二是电压(形状、极性、电压幅值)在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：(1)良好的耐冲击电压性能；(2)良好的耐局部放电性能；(3)良好的耐热、
耐老化性能。
五、结构设计
在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般应注意以下问题：
1.普通电机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。
2.电机冷却方式：变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低速时保持足够的散热风量。
3.对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。
4.变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承。
5.对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度。
6.为配合变频调速系统进行转速闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器。
7.调速系统对传动装置加速度有较高要求时，电机的转动惯量应较小，应设计成长径比较大的结构。
六、结论
与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本体和调速系统的设计都密切相关。这一方面使变频调速电机的设计要同时兼顾电机本体和调速系统；另一方面也使得变频调速异步电动机的设计变得灵活，但同时也增加了高性能变频调速系统设计的复杂程度。只有结合变频器和一定的控制策略，从整体上进行电机的设计和优化，才能获得最理想的运行性能.
在变频电机调速控制系统中，采用电力电子变压变频器作为供电电源，供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，对外表现为非正弦性，谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上，不同振幅和频率的电流和磁通谐波将引起电动机定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜(铝)耗。这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。同时，这些损耗绝大部分转变成热能，引起电机附加发热，导致变频电机温升的增加。如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%～20%。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩，恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略，振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动，从而造成电机转速(主要是低速时)的振荡，甚至引起系统的不稳定。谐波电流还增加了电机峰值电流，在一定的换流能力下，谐波电流降低了逆变器的负载能力。对于变频电机，如何在设计过程中采取合理措施避免或减小应用变频器所带来的影响，以求得系统最佳经济技术效果，是本文讨论的重点。
二、变频电机设计特点
对于变频电机，其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性，如何从调速系统的总体性能指标出发，求得电机与逆变器的最佳配合，是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论，供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题，设计中参数的选取应做特别的考虑。与传统异步电机相比，一般变频电机设计有如下一些特点：
1.用于变频调速的异步电动机要求其工作频率在一定范围内可调，所以设计电机时不能仅仅考虑某单一频率下的运行特性，而要求电机在较宽的频率范围内工作时均有较好的运行性能。如目前大多调速异步电动机的工作频率在5Hz~100Hz内可调，设计时要全面考虑。
2.变频电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，获得很好的起动特性，因而在设计变频电机时不需要对起动性能作特别的考虑，转子槽不必设计为深槽，从而可以重点进行其它方面的优化设计。
3.变频电机通过调节电压和频率，在每一个运行点都可以有多种运行方式，对应多种不同的转差频率，因而总能找到最佳的转差频率，使电机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很高。因而，变频电机的功率因数和效率可以设计得更高，功率密度得以进一步提高。现有数据表明：在额定工作点，逆变器供电下的异步电机效率比普通电机高2%~3%，功率因数高10%~20%。
4.变频电机采用变频装置供电，输入电流中含有较多的高次谐波，产生电机局部放电和空间电荷，增大了介质损耗发热和电磁振动力，加速了绝缘材料的老化，所以应加强电机绝缘和提高整体机械强度，变频电机的绝缘强度一般要达到F级以上。
5.变频供电时产生的轴电压和轴电流会使电机轴承失效，缩短轴承使用寿命，必须在设计上要加以考虑。对较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用专用润滑脂；另外，增加轴承的电气绝缘或者将电机轴通过电刷接地，可以有效解决轴承损坏问题；对过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。同时，在逆变器输出端增加滤波环节，降低脉冲电压dU/dt也是一种有效的方法。
三、电磁设计
在普通异步电动机设计基础之上，为进一步提高变频调速电机的性能，对变频调速异步电动机的设计参数也要进行更加细致的考虑。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。
四、绝缘设计
电机运行于逆变电源供电环境，其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压10倍以上这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。二是电压(形状、极性、电压幅值)在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：(1)良好的耐冲击电压性能；(2)良好的耐局部放电性能；(3)良好的耐热、
耐老化性能。
五、结构设计
在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般应注意以下问题：
1.普通电机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。
2.电机冷却方式：变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低速时保持足够的散热风量。
3.对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。
4.变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承。
5.对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度。
6.为配合变频调速系统进行转速闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器。
7.调速系统对传动装置加速度有较高要求时，电机的转动惯量应较小，应设计成长径比较大的结构。
六、结论
与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本体和调速系统的设计都密切相关。这一方面使变频调速电机的设计要同时兼顾电机本体和调速系统；另一方面也使得变频调速异步电动机的设计变得灵活，但同时也增加了高性能变频调速系统设计的复杂程度。只有结合变频器和一定的控制策略，从整体上进行电机的设计和优化，才能获得最理想的运行性能.
