淺談變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計要點
2014/3/3 21:42:49點擊：
一、變頻器運行時對變頻電機工作的影響
在變頻電機調(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。這些損耗都會使電動機效率和功率因數(shù)降低。同時，這些損耗絕大部分轉(zhuǎn)變成熱能，引起電機附加發(fā)熱，導(dǎo)致變頻電機溫升的增加。如將普通三相異步電動機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)矩會使電動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，從而造成電機轉(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載能力。對于變頻電機，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，以求得系統(tǒng)最佳經(jīng)濟技術(shù)效果，是本文討論的重點。
二、變頻電機設(shè)計特點
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。與傳統(tǒng)異步電機相比，一般變頻電機設(shè)計有如下一些特點：
1.用于變頻調(diào)速的異步電動機要求其工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，所以設(shè)計電機時不能僅僅考慮某單一頻率下的運行特性，而要求電機在較寬的頻率范圍內(nèi)工作時均有較好的運行性能。如目前大多調(diào)速異步電動機的工作頻率在5Hz~100Hz內(nèi)可調(diào)，設(shè)計時要全面考慮。
2.變頻電機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，從而可以重點進行其它方面的優(yōu)化設(shè)計。
3.變頻電機通過調(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，變頻電機的功率因數(shù)和效率可以設(shè)計得更高，功率密度得以進一步提高。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明：在額定工作點，逆變器供電下的異步電機效率比普通電機高2%~3%，功率因數(shù)高10%~20%。
4.變頻電機采用變頻裝置供電，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)加強電機絕緣和提高整體機械強度，變頻電機的絕緣強度一般要達到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
在普通異步電動機設(shè)計基礎(chǔ)之上，為進一步提高變頻調(diào)速電機的性能，對變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計參數(shù)也要進行更加細致的考慮。滿足高性能要求時的變頻電機設(shè)計參數(shù)的變化與設(shè)計目標之間的關(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工作的影響，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度。與正弦電壓相比，變頻電機繞組線圈上的電應(yīng)力有兩個不同點：一是電壓在線圈上分布不均勻，在電機定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過電壓幅值，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)、電磁激振和機械振動等多種因素共同作用的結(jié)果。變頻電機從絕緣方面看應(yīng)具有以下幾個特點：(1)良好的耐沖擊電壓性能；(2)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.普通電機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、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.電機冷卻方式：變頻電機一般采用強迫通風(fēng)冷卻，即主電機散熱風(fēng)扇采用獨立的電機驅(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，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000r/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。
4.變頻電機承受較大的沖擊和脈振，電機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，可在端環(huán)外側(cè)增加非磁性護環(huán)，以增加強度和剛度。
6.為配合變頻調(diào)速系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和提高控制精度，在電機內(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
與普通異步電動機不同，變頻調(diào)速異步電動機采用變頻器供電，其運行性能與電機本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機的設(shè)計要同時兼顧電機本體和調(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，從整體上進行電機的設(shè)計和優(yōu)化，才能獲得最理想的運行性能.
在變頻電機調(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。這些損耗都會使電動機效率和功率因數(shù)降低。同時，這些損耗絕大部分轉(zhuǎn)變成熱能，引起電機附加發(fā)熱，導(dǎo)致變頻電機溫升的增加。如將普通三相異步電動機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)矩會使電動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，從而造成電機轉(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載能力。對于變頻電機，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，以求得系統(tǒng)最佳經(jīng)濟技術(shù)效果，是本文討論的重點。
二、變頻電機設(shè)計特點
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。與傳統(tǒng)異步電機相比，一般變頻電機設(shè)計有如下一些特點：
1.用于變頻調(diào)速的異步電動機要求其工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，所以設(shè)計電機時不能僅僅考慮某單一頻率下的運行特性，而要求電機在較寬的頻率范圍內(nèi)工作時均有較好的運行性能。如目前大多調(diào)速異步電動機的工作頻率在5Hz~100Hz內(nèi)可調(diào)，設(shè)計時要全面考慮。
2.變頻電機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，從而可以重點進行其它方面的優(yōu)化設(shè)計。
3.變頻電機通過調(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，變頻電機的功率因數(shù)和效率可以設(shè)計得更高，功率密度得以進一步提高。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明：在額定工作點，逆變器供電下的異步電機效率比普通電機高2%~3%，功率因數(shù)高10%~20%。
4.變頻電機采用變頻裝置供電，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)加強電機絕緣和提高整體機械強度，變頻電機的絕緣強度一般要達到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
在普通異步電動機設(shè)計基礎(chǔ)之上，為進一步提高變頻調(diào)速電機的性能，對變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計參數(shù)也要進行更加細致的考慮。滿足高性能要求時的變頻電機設(shè)計參數(shù)的變化與設(shè)計目標之間的關(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工作的影響，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度。與正弦電壓相比，變頻電機繞組線圈上的電應(yīng)力有兩個不同點：一是電壓在線圈上分布不均勻，在電機定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過電壓幅值，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)、電磁激振和機械振動等多種因素共同作用的結(jié)果。變頻電機從絕緣方面看應(yīng)具有以下幾個特點：(1)良好的耐沖擊電壓性能；(2)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.普通電機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、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.電機冷卻方式：變頻電機一般采用強迫通風(fēng)冷卻，即主電機散熱風(fēng)扇采用獨立的電機驅(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，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000r/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。
4.變頻電機承受較大的沖擊和脈振，電機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，可在端環(huán)外側(cè)增加非磁性護環(huán)，以增加強度和剛度。
6.為配合變頻調(diào)速系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和提高控制精度，在電機內(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
與普通異步電動機不同，變頻調(diào)速異步電動機采用變頻器供電，其運行性能與電機本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機的設(shè)計要同時兼顧電機本體和調(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，從整體上進行電機的設(shè)計和優(yōu)化，才能獲得最理想的運行性能.
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