变频调速三相异步电动机的设计问题

1、变频调速三相异步电动机的设计问题 南洋电机厂 (200040 岑兆奇 摘要文章通过对三相异步电动机变频调速 转矩转速特性的分析，叙述了变频器供电时 电机的设计特点。 叙词电机变频调速设计电磁参数 结构 采用变频器对三相异步电动机实行变频 变压调速，在额定频率以下可得恒转矩特性 ; 在额定频率以上可得恒功率特性。但是，无论 何种形式的变频器，其输出电压或电流中均 含有高次谐波，与通常电网供电的正弦波有 着较大的差别。而且，由于调速过程中，供电 频率须在一个较大的范围内变化，因而电机 的运行特性和设计参数都得相应有所改变。 1 变频调速异步电动机转矩转速特性的分 析 根据电机原理和三相异步电动机的

2、 T 型等值电路可知 : 异步电动机的转矩 M 与转差率 S 的关 系式为 : 丛、 2 人六(， ·玉/ fl l ，、， 甲-;Lr ，/百 11.一 t 一 I 沙， “ 47t二 (l 最大转矩入寸扁与产生最大转矩时的转差率 (即临界转差 Sm 为: f ， 电源频率，八、几 T 型等值电路中换算到定子边的转子电阻和电感，kdp，定子绕组的绕组系数， W ，定子绕组每极匝数。从上可见，变频变压调速异步电动机的转矩特性，应是 (Em/f 和转子电流的频率 盯】的函数，只要保持 Em/五不变，即保持气 隙磁通必不变，转矩就成为转差频率 (即转子 电流频率习、白勺函数。而最大转矩则

3、直接与 Em/了相关。若能保持 Em/五为常数，那么最 大转矩就可保持恒定。而且，由于临界转差率 Sm 是电源频率的函数，因此，当电源频率改 变时， Sm 也随之改变。这洋，就为异步电动机的起动创造了良好的条件。如果能保持Em/ f: 不变，并选择适当的起动频率使S、接近 于 1，电机就有可能在较低的起动频率和相应电压下以最大转矩起动，不会发生像恒频 恒压供电时那样，由于满压起动而给电网带来数倍于电机额定电流的起动电流的冲击。 在变频器中，若以 U:/ 九来代替凡 /人 进行恒转矩控制。当电压U，随人成比例地 减小时，由于定子阻抗压降的存在，将使Em/ 了，和磁通减小，转矩降低。为了补偿这一降

4、 低，一般变频器都采用了在低速范围内适当提高Ul/f ，值的控制方式。但是，必须注意，Ul/f ，值太大会造成轻载时的过激励，使磁 路饱和，励磁电流增加。以上用恒定磁通实现恒转矩调速的分 析，仅限于额定频率以下的情况。当速度调节达到额定转速时，电压已达到额定值，不能再随着频率的升高而增加，因此，在变频调速系统中，当频率从额定值往上调时，电压需保持 恒定。故磁通及转矩将随着人的升高而减小，即对电机进行 “弱磁控制 ”，传动系统将处电机技术 2996(2 、了，岁 O 乙 Q了 、m1PE_、。 似-一一卜涪 ; 4兀 (Z乙 2Jl S 、”2 二 f 、L; 式中 : Em感应电势， Em一

5、4.44f，kdp，W; 必， Em 一人即主磁通必 -14.44kdDIWI m ，相数 ;尸 极对数 ;一 22 一于恒功率状态下运行。 2 变频变压调速给电机带来的问题 目前普通异步电动机都是按恒频恒压而 设计的，它不完全适应变频调速的要求，具体 反映在以下几个方面。 2.1 电动机的效率和温升问题 不论何种型式的变频器，在工作中均会产生不同程度的谐波电压和谐波电流，使异 步电机在非正弦电压、电流下运行。以现今比 较普遍使用的正弦波 PwM 变频器为例，其 低次谐波基本上为零，剩下的是比载波频率 (晶体管开关频率大一倍左右的高次谐波分 量 2 拜+1 年为调制比。 高次谐波会引起定子铜耗

6、、转子铝耗、铁 耗及附加损耗的增加，其中最为显著的是转 子铝耗。因为，异步电机是以接近于基波频率 所对应的同步转速旋转的，因而，高次谐波电 压以较大的转差切割转子导条后便产生很大 的转子损耗。除此以外，还须考虑因集肤效应 所产生的附加铜耗。若是异步电动机为改善 起动性能而采用了深槽、刀形槽或瓶型槽等 转子槽形时，转子铝耗的增加将更大。这些损 耗都会使电机额外发热，效率降低，输出下 降，如将普通异步电机运行于变频器输出的 非正弦电源条件下，其温升一般约增加 10 20%。 2.2 电动机绝缘结构承受冲击电压的能力 目前中小容量变频器，绝大多数都是采 用 PWM 的控制方式。它的载波频率约为几 k

7、Hz 到十几 kI 于:，这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率，即 dl /dt值很高，相当 干电动机线圈上反复施加电压陡度极大的冲击电压，使申机的匝间绝缘承受严酷的考验。另外，由 PWM 变频器产生的矩形斩波 冲击电压叠加在电机运行电压上，会对电机的对地绝缘形成威胁，对地绝缘在高电压的 反复冲击下会加速老化。 2.3 谐波电磁噪声与振动 当采用变频器供电时，普通异步电动机 上由电磁、机械和通风等原因所引起的振动电机技术1996(2 和噪音，将变得更加复杂。变频器电源中含有的各次时间谐波与电机电磁部分的固有空间 谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和结构件固有振动频率一致或接

8、 近时将产生共振现象加大噪声。由于电机工作的频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁 力波的频率很难避开电机各种结构件的固有频率。普通异步电动机用变频器供电时的噪 声比用电网供电时一般约增加 1015dB 左 右。 2.4 电动机对频繁起制动的适应能力 由干采用变频器供电后，电动机可以在 很低的频率和电压下以无冲击电流的方式起 动，并可以利用变频器所提供的各种制动方 式进行快速制动，为实现频繁起制动创造了 良好的条件。如使用在钢厂辊道上的变频电 动机，起制动或正反转的次数可达数百上千 次，因而电动机的结构系统和电磁系统处于循环交变的作用下，给电机的机械结构和绝 缘结构带来疲劳和加速老化问题。 2.

9、5 低速时的冷却问题 在电源频率较低时，因普通异步电动机 的阻抗不尽理想，使电源中高次谐波所引起 的损耗显得较大。再者，自带风扇的普通异步 电动机在转速降低时，冷却风量将与转速的 三次方成比例减少，这必将使电机的低速温 升急剧增加，而难以实现恒转矩输出。 3 变频调速三相异步电动机的设计 通过上面分析可以看到，普通异步电动 机不太适宜运行在变频调速系统下，为此需 研究和设计新的供变频调速专用的异步电机 系列。它与传统异步电机的设计有一定的差 别。 3.1 电磁设计 对于恒频恒压供电的普通异步电动机， 在电磁设计中，主要考虑的性能参数是过载 能力、起动特性、效率和功率因数。 在变频变压调速的异步

10、电动机中，由于 临界转差反比干电源频率，因此，只要适当选 择转子参数八和从就可通过降低频率，在 一 23 一临界转差接近于 1 时直接起动，故过载能力 和起动特性不再需要多加考虑，要解决的关 键问题，就是如何改善电动机对非正弦电源 波形的适应能力，为此，应考虑 : (a 尽可能减小定、转子的电阻。 降低定子电阻既可减少基波铜耗，以弥 补高次谐波引起的铜耗增加，又可减小低速 时的定子电阻压降，使最大转矩有所上升。 如前所述，调频电机需通过采用较大的 转子电阻来获得足够的起动转矩，因此，降低 转子电阻不单可以减少由基波和高次谐波所 产生的转子铝耗，还可依靠跳 /r 玉的加大，在 一定程度上抑制低速

11、时的转矩脉动。 (b 目前一般市售通用变频器，以电 压型居多，为抑制电流中的高次谐波，都需适 当增加电机的电感量。但量，转子槽漏抗较大 的槽形，集肤效应也大，故高次谐波铜耗也增 大。而且，从式 (2 可知，具有较大转子电感的电动机，在恒功率调速区域，最大转矩将随电源频率的增加而降低，有可能使电机难以维持恒功率运行。因此，电机漏电感的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。(。变频调速异步电动机的主磁路设 计一般均不十分饱和，这一方面是考虑到电 源中的高次谐波会加深磁路饱和 ;另一方面 也考虑到低频时为了提高输出转矩而需适当提高变频器的输出电压。3.2 结构设计 由于电源的非正弦波特性对变频

12、电机的 绝缘结构、振动、噪音、冷却方式等都有影响。 因此，在结构设计中必须考虑下列几方面 : (a 除了把耐热等级提高外，还必须对 对地绝缘强度和导线匝间绝缘的耐冲击电压 能力有充分的考虑。(b 在振动和噪声的间题上，除了选 择合适的定、转子槽配合之外，对定、转子部件的加工和装配精度也应有较高的要求，以 提高气隙均匀度、转子的动平衡精度和电磁对称性，对结构件要充分考虑刚性问题。 (c 采用独立供电的鼓风机，对电机进行强迫冷却。 依据以上设计思想，我们设计了 YTSP 系列变频调速三相异步电动机和YSG 系列 辊道用变频调速三相异步电动机。经性能试 验和特性测量，与国外变频电机的特性很相似。目前

13、，我厂制造的变频调速电机已在冶金、纺机、机床、橡塑机械、电梯等行业得到了 应用，颇受欢迎。在不断总结经验的基础上，我们将密切注意国内外变频器和变频电机的 发展动向，博采众长，以使我们的电机在各方面更趋完善，能更好地满足用户的要求。 (收稿日期 :1996 一 01 一 20 (上接第 45 页 3 周煦 .王德民编 . 数值计算方法及程序设计 .机械工月 业出版社， 1989·附表 徐翠薇编 .计 一算方法引论 .高等教育出版社， 1994. 普普普梯电抗 X ，电枢反应磁势势同步电抗 Xsss 短路比 K 。电压调整率率 等等等等效励磁电流几几几几汉 ZZZ lll 俘俘机算算 0，063330.47770 .873331.9477711.19%机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机组组组手算算006660.18880 .87771.922213.2% 222翻翻机算算0.152220 .796661.411111.088824.02%机机机机机机机机机机机机机机