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探討變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
摘要：根據(jù)交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及逆變器運(yùn)行時(shí)對變頻電機(jī)工作的影響，從系統(tǒng)的角度對變頻電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)、耐電暈絕緣系統(tǒng)、軸承絕緣技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面加以闡述。
關(guān)鍵詞：變頻電機(jī) 設(shè)計(jì) 交流調(diào)速系統(tǒng) 變頻器 諧波
一、變頻器運(yùn)行時(shí)對變頻電機(jī)工作的影響
在變頻電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)效率和功率因數(shù)降低。同時(shí)，這些損耗絕大部分轉(zhuǎn)變成熱能，引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致變頻電機(jī)溫升的增加。如將普通三相異步電動機(jī)運(yùn)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(shí)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(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，從而造成電機(jī)轉(zhuǎn)速(主要是低速時(shí))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(jī)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(fù)載能力。對于變頻電機(jī)，如何在設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)效果，是本文討論的重點(diǎn)。
二、變頻電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
對于變頻電機(jī)，其設(shè)計(jì)必須與逆變器、機(jī)械傳動裝置相匹配共同滿足傳動系統(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)問題，設(shè)計(jì)中參數(shù)的選取應(yīng)做特別的考慮。與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比，一般變頻電機(jī)設(shè)計(jì)有如下一些特點(diǎn)：
1.用于變頻調(diào)速的異步電動機(jī)要求其工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，所以設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)不能僅僅考慮某單一頻率下的運(yùn)行特性，而要求電機(jī)在較寬的頻率范圍內(nèi)工作時(shí)均有較好的運(yùn)行性能。如目前大多調(diào)速異步電動機(jī)的工作頻率在5Hz~100Hz內(nèi)可調(diào)，設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮。
2.變頻電機(jī)在低速時(shí)降低供電頻率，可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動點(diǎn)，獲得很好的起動特性，因而在設(shè)計(jì)變頻電機(jī)時(shí)不需要對起動性能作特別的考慮，轉(zhuǎn)子槽不必設(shè)計(jì)為深槽，從而可以重點(diǎn)進(jìn)行其它方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.變頻電機(jī)通過調(diào)節(jié)電壓和頻率，在每一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都可以有多種運(yùn)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(jī)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(jī)的功率因數(shù)和效率可以設(shè)計(jì)得更高，功率密度得以進(jìn)一步提高�，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明：在額定工作點(diǎn)，逆變器供電下的異步電機(jī)效率比普通電機(jī)高2%~3%，功率因數(shù)高10%~20%。
4.變頻電機(jī)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(jī)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(qiáng)電機(jī)絕緣和提高整體機(jī)械強(qiáng)度，變頻電機(jī)的絕緣強(qiáng)度一般要達(dá)到F級以上。
5.變頻供電時(shí)產(chǎn)生的軸電壓和軸電流會使電機(jī)軸承失效，縮短軸承使用壽命，必須在設(shè)計(jì)上要加以考慮。對較小的軸電流，可以適當(dāng)增大電機(jī)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(jī)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(shí)，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(jì)
在普通異步電動機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，為進(jìn)一步提高變頻調(diào)速電機(jī)的性能，對變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)也要進(jìn)行更加細(xì)致的考慮。滿足高性能要求時(shí)的變頻電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求之間還必須折衷選擇。電磁設(shè)計(jì)時(shí)不能僅限于計(jì)算某一個(gè)工作狀態(tài)，電磁參數(shù)的選取應(yīng)使每個(gè)頻率點(diǎn)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(diǎn)滿足轉(zhuǎn)矩倍數(shù)要求，額定點(diǎn)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(jī)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(jì)
電機(jī)運(yùn)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(shí)承受更高的介電強(qiáng)度。與正弦電壓相比，變頻電機(jī)繞組線圈上的電應(yīng)力有兩個(gè)不同點(diǎn)：一是電壓在線圈上分布不均勻，在電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械振動等多種因素共同作用的結(jié)果。變頻電機(jī)從絕緣方面看應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(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(jì)
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機(jī)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(jī)采用變頻器供電時(shí)，會使由電磁、機(jī)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(jì)時(shí)要充分考慮電動機(jī)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(jī)冷卻方式：變頻電機(jī)一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，使其在低速時(shí)保持足夠的散熱風(fēng)量。
3.對恒功率變頻電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000r/min時(shí)，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。
4.變頻電機(jī)承受較大的沖擊和脈振，電機(jī)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(jī)，可在端環(huán)外側(cè)增加非磁性護(hù)環(huán)，以增加強(qiáng)度和剛度。
6.為配合變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和提高控制精度，在電機(jī)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(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)較小，應(yīng)設(shè)計(jì)成長徑比較大的結(jié)構(gòu)。
六、結(jié)論
與普通異步電動機(jī)不同，變頻調(diào)速異步電動機(jī)采用變頻器供電，其運(yùn)行性能與電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)要同時(shí)兼顧電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)變得靈活，但同時(shí)也增加了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能獲得最理
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