淺談交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)

趙誠(chéng)　歐陽(yáng)山　郭耀東

摘要：對(duì)普通電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過(guò)載能力、起動(dòng)性能、額定點(diǎn)的效率和功率因數(shù)。而對(duì)于變頻電機(jī)，其設(shè)計(jì)必須與逆變器、機(jī)械傳動(dòng)裝置相匹配共同滿足傳動(dòng)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(jì)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)理論依據(jù)交流電機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)中需要著重注意的兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jī)原理人手，具體分析了交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：交流 變頻調(diào)速 電機(jī) 設(shè)計(jì)原理 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

概述：

變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系采用SPWM變頻裝置供電的電動(dòng)機(jī)，兩者構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于應(yīng)用可調(diào)速電力拖動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，一直是直流傳動(dòng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，特別是要求高精度調(diào)速和可逆?zhèn)鲃?dòng)的場(chǎng)合，幾乎全采用直流電動(dòng)機(jī)。但從技術(shù)和應(yīng)用來(lái)講，直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械式換向器是一個(gè)致命弱點(diǎn)，再加上直流電動(dòng)機(jī)存在極限容量問(wèn)題，使人們把注意力轉(zhuǎn)向了交流電動(dòng)機(jī)。隨著各國(guó)能源成本不斷上漲及大功率晶體管、集成電路等元器件價(jià)格不斷下跌，直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)最終要被無(wú)換向器的交流電機(jī)及其調(diào)速技術(shù)所取代。變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)是性能最好且最有發(fā)展前景的機(jī)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(dòng)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)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(dòng)，在額定頻率以上的某一頻率范圍內(nèi)作恒功率驅(qū)動(dòng)。

2設(shè)計(jì)原理

當(dāng)改變電源頻率f時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1=6Of/P與頻率成正比變化，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的車專速。異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)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(dāng)U1保持不變時(shí)，隨著頻率廠的升高，氣隙磁通如將減少，致使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩八減少，同時(shí)電動(dòng)機(jī)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(lì)磁電流上升，鐵損耗增加。 因此，變頻調(diào)速時(shí)應(yīng)根據(jù)被拖動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)上的電壓必須隨頻率成正比改變。

（2）恒功率變頻調(diào)速

對(duì)恒功率變頻調(diào)速，若保持輸出功率不變時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)矩隨之降低。

3設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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(shí)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(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)言，即相當(dāng)于由一非正弦電網(wǎng)供電的情況，使電機(jī)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(jī)在低頻區(qū)運(yùn)行，由于自扇冷的風(fēng)扇冷卻能力下降、電機(jī)溫升問(wèn)題不易解決；而在高頻區(qū)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速超過(guò)5～6倍，·其結(jié)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度也不能滿足要求。因此，變頻調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)開(kāi)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(jī)勝任不了的問(wèn)題。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

（1）用SPWM裝置額定頻率供電時(shí)，變頻調(diào)速電機(jī)的功率等級(jí)和安裝尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系與基本系列電動(dòng)機(jī)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(fēng)扇的冷卻方式，在許多場(chǎng)合下將不適用于變頻器供電的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，基速以下的恒轉(zhuǎn)矩特性使電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的電流和磁通都基本保持不變，然而此時(shí)的冷卻風(fēng)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(dòng)機(jī)需采用外通風(fēng)冷卻，同時(shí)應(yīng)充分考慮電機(jī)的溫升裕度。如通過(guò)各種途徑盡可能減少各種損耗，對(duì)電機(jī)內(nèi)部空氣的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行認(rèn)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(dòng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度較普通電動(dòng)機(jī)稍長(zhǎng)。

（3）在以變頻器供電的電機(jī)系統(tǒng)中，電機(jī)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(jī)中電磁力波次數(shù)和強(qiáng)度。另外，電機(jī)已不在一個(gè)預(yù)期的工作狀態(tài)上運(yùn)行，而是在一定的頻率范圍內(nèi)工作。這時(shí)在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，就不可避免地會(huì)出現(xiàn)電磁力波頻率與電機(jī)系統(tǒng)的某些固有頻率重合而發(fā)生共振，從而使電機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。因此在電機(jī)設(shè)計(jì)中至少應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn)：

（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(jī)噪聲水平。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需減少電機(jī)中的氣隙不平衡以及電磁激振力的大小來(lái)降低電機(jī)的噪聲。這可以通過(guò)提高定子鐵心內(nèi)徑及轉(zhuǎn)子鐵心外徑的加工精度來(lái)減少偏差和提高同心度方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)100kw以下的籠形異步電動(dòng)機(jī)，還可以通過(guò)斜槽來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（b）由于電機(jī)在一個(gè)頻率范圍內(nèi)工作，要使電機(jī)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(cuò)開(kāi)是十分困難的，但可以通過(guò)選擇合理的槽配合、改進(jìn)電機(jī)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(duì)定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼處理以增大電機(jī)定子各階模態(tài)的阻尼，來(lái)降低電機(jī)定子在發(fā)生振動(dòng)時(shí)的振幅，達(dá)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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加電機(jī)的電感（電抗），有利于削弱諧波電流損耗。

（4）由于變頻電機(jī)的高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速非常高，這對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度有較高的要求。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)電機(jī)機(jī)座、端蓋、轉(zhuǎn)軸連接系統(tǒng)以及軸承進(jìn)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(shí)加強(qiáng)電機(jī)與獨(dú)立風(fēng)機(jī)連接部分的強(qiáng)度，來(lái)保證變頻電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行良好的剛度。

4結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)是電機(jī)的一個(gè)新領(lǐng)域。對(duì)于這種電機(jī)來(lái)說(shuō)，其由諧波及其頻率變化范圍帶來(lái)的噪聲、振動(dòng)、過(guò)熱及剛度是變頻電機(jī)分析的關(guān)鍵。變頻調(diào)速電機(jī)將在電機(jī)調(diào)速范疇中占據(jù)主導(dǎo)地位。

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