探討變頻調速異步電動機的設計要點
摘要：根據交流調速系統的特點及逆變器運行時對變頻電機工作的影響，從系統的角度對變頻電機在電磁設計、耐電暈絕緣系統、軸承絕緣技術、結構設計方面加以闡述。
關鍵詞：變頻電機 設計 交流調速系統 變頻器 諧波
一、變頻器運行時對變頻電機工作的影響
在變頻電機調速控制系統中，採用電力電子變壓變頻器作為供電電源，供電系統中電壓除基波外不可避免含有高次諧波分量，對外表現為非正弦性，諧波對電機的影響主要體現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、轉子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉子銅(鋁)耗。這些損耗都會使電動機效率和功率因數降低。同時，這些損耗絕大部分轉變成熱能，引起電機附加發熱，導致變頻電機溫升的增加。如將普通三相異步電動機運行於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子諧波電流合成又產生恆定的諧波電磁轉矩和振動的諧波電磁轉矩，恆定諧波電磁轉矩的影響可以忽略，振動諧波電磁轉矩會使電動機發出的轉矩產生脈動，從而造成電機轉速(主要是低速時)的振盪，甚至引起系統的不穩定。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。對於變頻電機，如何在設計過程中採取合理措施避免或減小應用變頻器所帶來的影響，以求得系統最佳經濟技術效果，是本文討論的重點。
二、變頻電機設計特點
對於變頻電機，其設計必須與逆變器、機械傳動裝置相匹配共同滿足傳動系統的機械特性，如何從調速系統的總體性能指標出發，求得電機與逆變器的最佳配合，是變頻電機設計的特點。設計理論依據交流電機設計理論，供電電源的非正弦以及全調速頻域內達到滿意的綜合品質因數是變頻電機設計中需要著重注意的兩個問題，設計中參數的選取應做特別的考慮。與傳統異步電機相比，一般變頻電機設計有如下一些特點：
1.用於變頻調速的異步電動機要求其工作頻率在一定範圍內可調，所以設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範圍內工作時均有較好的運行性能。如目前大多調速異步電動機的工作頻率在5Hz~100Hz內可調，設計時要全面考慮。
2.變頻電機在低速時降低供電頻率，可以把最大轉矩調到起動點，獲得很好的起動特性，因而在設計變頻電機時不需要對起動性能作特別的考慮，轉子槽不必設計為深槽，從而可以重點進行其它方面的優化設計。
3.變頻電機通過調節電壓和頻率，在每一個運行點都可以有多種運行方式，對應多種不同的轉差頻率，因而總能找到最佳的轉差頻率，使電機的效率或功率因數在很寬的調速範圍內都很高。因而，變頻電機的功率因數和效率可以設計得更高，功率密度得以進一步提高。現有數據表明：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%，功率因數高10%~20%。
4.變頻電機採用變頻裝置供電，輸入電流中含有較多的高次諧波，產生電機局部放電和空間電荷，增大了介質損耗發熱和電磁振動力，加速了絕緣材料的老化，所以應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，必須在設計上要加以考慮。對較小的軸電流，可以適當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，應設法隔斷軸電流的迴路，如採用陶瓷滾子軸承或實現軸承室絕緣。同時，在逆變器輸出端增加濾波環節，降低脈衝電壓dU/dt也是一種有效的方法。
三、電磁設計
在普通異步電動機設計基礎之上，為進一步提高變頻調速電機的性能，對變頻調速異步電動機的設計參數也要進行更加細緻的考慮。滿足高性能要求時的變頻電機設計參數的變化與設計目標之間的關係。在設計參數和性能要求之間還必須折衷選擇。電磁設計時不能僅限於計算某一個工作狀態，電磁參數的選取應使每個頻率點的轉矩參數滿足額定參數要求，最大發熱因數滿足溫升限值，最高磁參數滿足材料性能要求，最高頻率點滿足轉矩倍數要求，額定點效率、功率因數滿足額定要求。由於諧波磁勢是由諧波電流產生的，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範圍內。
四、絕緣設計
電機運行於逆變電源供電環境，其絕緣系統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力有兩個不同點：一是電壓在線圈上分佈不均勻，在電機定子繞組的首端幾匝上承擔了約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有很大的差異，因此產生了過早的老化或破壞。變頻電機絕緣損壞是局部放電、介質損耗發熱、空間電荷感應、電磁激振和機械振動等多種因素共同作用的結果。變頻電機從絕緣方面看應具有以下幾個特點：(1)良好的耐衝擊電壓性能；(2)良好的耐局部放電性能；(3)良好的耐熱、
耐老化性能。
五、結構設計
在結構設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結構、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般應注意以下問題：
1.普通電機採用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風等因素所引起的振動和噪聲變得更加複雜。在設計時要充分考慮電動機構件及整體的剛度，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產生共振現象。
2.電機冷卻方式：變頻電機一般採用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇採用獨立的電機驅動，使其在低速時保持足夠的散熱風量。
3.對恆功率變頻電機，當轉速超過3000r/min時，應採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衝擊和脈振，電機在組裝後軸承要留有一定軸向竄動量和徑向間隙，即選用較大遊隙的軸承。
5.對於最大轉速較高的變頻電機，可在端環外側增加非磁性護環，以增加強度和剛度。
6.為配合變頻調速系統進行轉速閉環控制和提高控制精度，在電機內部應考慮裝設非接觸式轉速檢測器，一般選用增量型光電編碼器。
7.調速系統對傳動裝置加速度有較高要求時，電機的轉動慣量應較小，應設計成長徑比較大的結構。
六、結論
與普通異步電動機不同，變頻調速異步電動機採用變頻器供電，其運行性能與電機本體和調速系統的設計都密切相關。這一方面使變頻調速電機的設計要同時兼顧電機本體和調速系統；另一方面也使得變頻調速異步電動機的設計變得靈活，但同時也增加了高性能變頻調速系統設計的複雜程度。只有結合變頻器和一定的控制策略，從整體上進行電機的設計和優化，才能獲得最理想的運行性能。