淺談變頻異步電機(jī)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

姚桂穎

（南陽(yáng)防爆（蘇州）特種裝備有限公司，江蘇 蘇州215211）

在變頻電機(jī)的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)都采取變壓變頻器作為供電來(lái)源，在整個(gè)供電系統(tǒng)中，不可避免地需要高次諧波分量，對(duì)其外表也應(yīng)體現(xiàn)為非正弦性，在諧波磁勢(shì)和電路中都會(huì)對(duì)電機(jī)的諧波電流產(chǎn)生影響，這樣在無(wú)形中就會(huì)使電機(jī)的定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、附加損耗增加，其中表現(xiàn)最為明顯的則是轉(zhuǎn)子銅耗。這些損耗都會(huì)使電動(dòng)機(jī)效率和功率降低。而這些損耗大部分也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，引起變頻電機(jī)溫度增加，同時(shí)增加諧波磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子諧波電流的合成。因此，如何在變頻異步電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中避免應(yīng)用變頻器帶來(lái)的影響成為本文討論的重點(diǎn)。

1 變頻異步電機(jī)的總體設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

第一，在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整變頻異步電動(dòng)機(jī)的工作頻率，即在某一頻率下的運(yùn)動(dòng)特定應(yīng)在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)全面地考慮進(jìn)去，在較寬的頻率范圍內(nèi)應(yīng)有較好的運(yùn)動(dòng)性能，比如目前大多數(shù)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的工作頻率都在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮。

第二，在低速時(shí)供電頻率可以轉(zhuǎn)矩調(diào)整到啟動(dòng)點(diǎn)，這樣可以有效地提高變頻異步電機(jī)的啟動(dòng)特性，這時(shí)變頻異步電機(jī)就不需要考慮啟動(dòng)性，而要對(duì)轉(zhuǎn)子槽等其他重點(diǎn)的性能上做優(yōu)化設(shè)計(jì)。

第三，變頻異步電機(jī)在運(yùn)動(dòng)墊上有多種方式，特別是在電壓和頻率上，不同的頻率能夠找到最優(yōu)化的轉(zhuǎn)差頻率，能夠讓電機(jī)的功率在一個(gè)很寬的調(diào)速內(nèi)達(dá)到高水平運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，變頻電機(jī)的功率會(huì)在效率上提高很多，其功率密度也會(huì)得到進(jìn)一步的提升。

第四，在變頻供電過(guò)程中，軸電壓和電流會(huì)使電機(jī)軸承失效，同時(shí)會(huì)縮短軸承的使用壽命，在這點(diǎn)設(shè)計(jì)上必須加以考慮。對(duì)于較小的軸電流來(lái)說(shuō)，可以對(duì)電機(jī)氣隙和專(zhuān)營(yíng)潤(rùn)滑脂進(jìn)行適量的增大，還可以通過(guò)電刷接地的形式增加軸承的電氣絕緣，這樣可以有效地解決軸承損壞的問(wèn)題，而對(duì)于過(guò)高軸的電壓來(lái)說(shuō)，不能割斷軸電流的回路，這樣用陶瓷滾子軸承或?qū)崿F(xiàn)軸承室絕緣。同時(shí)降低逆變器輸出端的濾波也能夠有效地減小脈沖電壓。

2 變頻異步電機(jī)中的電磁設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

為了能夠進(jìn)一步滿(mǎn)足變頻調(diào)速異步電機(jī)的高性能需求，在變頻異步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在原有普通異步電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，充分考慮因變頻調(diào)速所帶來(lái)的不同影響因素，提供更加合理、更加細(xì)致的設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿(mǎn)足變頻電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)變化與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系。尤其需要注意的是，在變頻異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)中，不能夠僅僅局限于某一工作狀況的參數(shù)，而應(yīng)該在設(shè)計(jì)參數(shù)與性能要求之間進(jìn)行折中選擇，從而使每一個(gè)頻率點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩都能夠滿(mǎn)足額定參數(shù)的要求，最高磁參數(shù)也能夠滿(mǎn)足材料的性能要求。此外，由于諧波電流會(huì)產(chǎn)生諧波磁勢(shì)，所以為了能夠進(jìn)一步降低變頻器諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響，應(yīng)該將諧波電流限制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

3 變頻異步電機(jī)中的絕緣設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

通過(guò)分析可知，處于逆變電源供電環(huán)境之下的電機(jī)，其絕緣系統(tǒng)往往承受著更高的介電強(qiáng)度。尤其是與正弦電壓、電流供電相比，使用變頻器供電的電機(jī)，其繞組線圈上的電應(yīng)力有著如下兩個(gè)特點(diǎn)：第一，線圈上的電壓分布不均，尤其是定子繞組的首端幾匝上幾乎承擔(dān)了80%的過(guò)電壓幅值，高于平均匝間電壓的10倍。也正因如此，變頻電機(jī)繞組常常發(fā)生絕緣擊穿問(wèn)題。第二，匝間絕緣上的電壓，無(wú)論是在形狀、極性，還是電壓增幅上，其性質(zhì)都有很大的差異。所以，變頻電機(jī)的匝間絕緣往往存在過(guò)早老化或破壞問(wèn)題。因此，從絕緣方面入手，變頻電機(jī)在絕緣設(shè)計(jì)中，應(yīng)該具備以下幾點(diǎn)：第一，絕緣應(yīng)具備良好的耐沖擊電壓性能。第二，絕緣應(yīng)具備良好的耐局部放電性能。第三，絕緣應(yīng)具備良好的耐熱、耐老化性能。

4 變頻異步電機(jī)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

第一，以變頻供電電動(dòng)機(jī)為例，和普通的電機(jī)相比，能夠使供電電機(jī)在電磁、機(jī)械、通風(fēng)等多方面的振動(dòng)和噪聲得到優(yōu)化，即使這些技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，也能夠得到最優(yōu)處理。所以，在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析和加強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部整體剛度，盡量避免電動(dòng)機(jī)頻率不穩(wěn)等現(xiàn)象，排除各個(gè)力波產(chǎn)生的共振。

第二，變頻異步電機(jī)在冷卻方式上，應(yīng)該采取強(qiáng)迫通風(fēng)的冷卻方式，即為主電機(jī)的散熱風(fēng)扇提供獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而使其無(wú)論任何時(shí)速下運(yùn)行都能夠維持足夠的散熱風(fēng)量。

第三，因?yàn)樽冾l電機(jī)在運(yùn)行中會(huì)承受較大的沖擊與脈振，因此，在電機(jī)組裝中，應(yīng)該為電機(jī)軸承預(yù)留一定的軸向竄動(dòng)量以及徑向間隙，進(jìn)而滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，變頻異步電機(jī)變頻設(shè)計(jì)的不同會(huì)對(duì)變頻電壓的供電產(chǎn)生較大影響，其性能與普通異步電機(jī)的設(shè)計(jì)本體調(diào)速設(shè)計(jì)也密切相關(guān)。從這一方向上來(lái)看，變頻異步電機(jī)的設(shè)計(jì)要同時(shí)將電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)籌兼顧，這樣才能夠使變頻異步電機(jī)的設(shè)計(jì)變得靈活，但在無(wú)形中也增加了高性能變頻異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。因此，只有不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將變頻器和控制策略進(jìn)行結(jié)合，才能從總體上不斷設(shè)計(jì)和優(yōu)化電機(jī)性能，讓變頻異步電機(jī)發(fā)揮更大的作用。

［1］ 肖金鳳，何楚衡，潘文濤.變頻調(diào)速異步電機(jī)優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，（01）：18-19.

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