《变频调速异步电动机的设计要点》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频调速异步电动机的设计要点（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、浅谈变频调速异步电动机的设计要点39人阅读 | 0条评论 发布于：2011-11-14 22:06:54一、变频器运行时对变频电机工作的影响在变频电机调速控制系统中，采用电力电子变压变频器作为供电电源，供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，对外表现为非正弦性，谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上，不同振幅和频率的电流和磁通谐波将引起电动机定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜(铝)耗。这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。同时，这些损耗绝大部分转变成热能，引起电机附加发热，导致变频电机温升的增加。如将普通三相异步电动机运行于变频
2、器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%20%。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩，恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略，振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动，从而造成电机转速(主要是低速时)的振荡，甚至引起系统的不稳定。谐波电流还增加了电机峰值电流，在一定的换流能力下，谐波电流降低了逆变器的负载能力。对于变频电机，如何在设计过程中采取合理措施避免或减小应用变频器所带来的影响，以求得系统最佳经济技术效果，是本文讨论的重点。二、变频电机设计特点对于变频电机，其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性，如何从调速系统的总
3、体性能指标出发，求得电机与逆变器的最佳配合，是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论，供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题，设计中参数的选取应做特别的考虑。与传统异步电机相比，一般变频电机设计有如下一些特点：1.用于变频调速的异步电动机要求其工作频率在一定范围内可调，所以设计电机时不能仅仅考虑某单一频率下的运行特性，而要求电机在较宽的频率范围内工作时均有较好的运行性能。如目前大多调速异步电动机的工作频率在5Hz100Hz内可调，设计时要全面考虑。2.变频电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，获得很好的起动特性，因而
4、在设计变频电机时不需要对起动性能作特别的考虑，转子槽不必设计为深槽，从而可以重点进行其它方面的优化设计。3.变频电机通过调节电压和频率，在每一个运行点都可以有多种运行方式，对应多种不同的转差频率，因而总能找到最佳的转差频率，使电机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很高。因而，变频电机的功率因数和效率可以设计得更高，功率密度得以进一步提高。现有数据表明：在额定工作点，逆变器供电下的异步电机效率比普通电机高2%3%，功率因数高10%20%。4.变频电机采用变频装置供电，输入电流中含有较多的高次谐波，产生电机局部放电和空间电荷，增大了介质损耗发热和电磁振动力，加速了绝缘材料的老化，所以应加强电机绝
5、缘和提高整体机械强度，变频电机的绝缘强度一般要达到F级以上。5.变频供电时产生的轴电压和轴电流会使电机轴承失效，缩短轴承使用寿命，必须在设计上要加以考虑。对较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用专用润滑脂；另外，增加轴承的电气绝缘或者将电机轴通过电刷接地，可以有效解决轴承损坏问题；对过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。同时，在逆变器输出端增加滤波环节，降低脉冲电压dU/dt也是一种有效的方法。三、电磁设计在普通异步电动机设计基础之上，为进一步提高变频调速电机的性能，对变频调速异步电动机的设计参数也要进行更加细致的考虑。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变
6、化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。四、绝缘设计电机运行于逆变电源供电环境，其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80%
7、过电压幅值，绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压10倍以上。这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。二是电压(形状、极性、电压幅值)在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：(1)良好的耐冲击电压性能；(2)良好的耐局部放电性能；(3)良好的耐热、耐老化性能。五、结构设计在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般应注意以下问题：1.普通电机采
8、用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。2.电机冷却方式：变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低速时保持足够的散热风量。3.对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。4.变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承。5.对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度。6.为配合变频调速系统进行转速闭
9、环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器。7.调速系统对传动装置加速度有较高要求时，电机的转动惯量应较小，应设计成长径比较大的结构。六、结论与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本体和调速系统的设计都密切相关。这一方面使变频调速电机的设计要同时兼顾电机本体和调速系统；另一方面也使得变频调速异步电动机的设计变得灵活，但同时也增加了高性能变频调速系统设计的复杂程度。只有结合变频器和一定的控制策略，从整体上进行电机的设计和优化，才能获得最理想的运行性能。变频电机的设计如何适应现代交流调速系统的要求收藏此信息 打印该信息
10、添加：用户发布 来源：未知摘要 从电机设计的角度分析了恒压恒频供电的常规电机和由变频电源供电的变频电机的区别，指出了在变频电机的设计中应着重关心的问题，希望能对从事变频传动的同行在驱动电机的选型和变频器的调试中有所帮助。 关键字 变频电机；变频器；电机设计 电机做为实现机电能量转换的重要部件，从19 世纪初开始，其设计和制造技术已逐步走向成熟，推出了如电机转矩与其体积成正比、电机的磁通密度应该设计在电机磁化曲线的膝点位置等具有指导意义的公式和原则。但在整个20世纪，电机的设计与制造技术基本上没有发生根本性的变革，尤其是交流电机的设计，基本上是在假定输入三相交流电压的幅值和频率恒定的条件下进行的
11、，这时直流电机、交流异步电机、交流同步电机从设计、制造到运行基本上都是各自独立的。直到本世纪70年代，矢量控制理论的提出，将各种电机的能量转换原理从理论上统一了起来，到80年代末，电力电子学的发展和微电子技术的进步，使矢量控制从理论走向实践，最终在90年代使基于矢量控制理论的现代交流调速系统遍地开花，并在大容量调速领域向直流电动机展开了挑战，大有取而代之的趋势。理论的发展必将引起现实的变革，现代交流调速系统的兴起，使传统交流电机设计的一些前提条件不复存在，因此我们必须对传统的基于恒压恒频的交流电机设计公式进行审核，并根据现代交流调速系统的要求做出必要的革命性变革。下面根据电机设计的基本理论和现
12、代交流调速系统的运行实践具体分析如下。1 站在交流电机的角度上，现代交流调速系统使交流电机输入电压的幅值和频率不再为恒定值（如工频50Hz），这使得电机的转速与其极对数不再有必然的联系。如两极电机的转速约3000 r/min，电机的转速低，必然要做得极数多已不再是电机设计的必然结论，着实使得在电机设计时，可以根据具体情况（如电机的结构尺寸或要求的转动惯量），对电机的极对数进行优化选择，象极数较多（12极）制造困难的交流电机和极数较少（6极绕组端部大，效率较低的交流电机都将不再采用，从而大大放宽了交流电机设计的选择余地，为电机设计结构的优化创造了条件。可以预计，将来的交流电机将大多是结构和力能指
13、标都较优的610极电机（当然这种合理的结构依赖于变频器低频性能的提高）。2 由于现代交流调速系统大多采用矢量控制，以保持气隙磁链恒定，控制转矩电流分量来控制电机的电磁转矩，并进而达到控制电机转速的目的。因此在这种闭环控制策略下，没有电机稳态输入电压过高的危险，也就不会出现因气隙磁通过高使磁路过饱和的问题，这使得电机的磁路设计条件更为宽松。磁路的额定工作点甚至可以在膝点以上，从而提高了电机中导磁材料的利用率和电机单位体积的转矩，而且这种选择方法对于矢量控制中磁通调节器的设计也是有利的。3 变频技术（无论是交交还是交直交）都使得电机的输入电流中含有谐波分量（尽管通过各种脉宽调制技术，已经正弦波化了
14、），从而造成脉振转矩（这也可以从变频调速电机稳态时的三相输入瞬时功率不恒定来理解），这对于同步电动机的影响尤其突出（因为脉振转矩主要是由谐波电流与基波磁通相互作用产生的，在同步电动机中谐波电流基本上由定子绕组的漏电抗抑制，转子绕组对输入谐波电流的阻尼作用较小），对于异步电动机的影响相对较小（因为定子绕组中的谐波电流会因转子绕组的电磁电磁阻尼作用而大大减少，从而减少了脉振转矩）。脉振转矩的存在使得机电系统容易发生扭振，这也是困扰现代交流调速系统的一个棘手问题，尤其对于传动轴较长、扭振刚度较差的轴系传动更易发生轴系扭振，这无疑对现代交流调速系统中电机的设计提出了更高的要求。如何合理分布绕组、选择气
15、隙以及选择电机绕组漏感和互感的合适比例，成为抑制谐波电流和脉振转矩的关键因素。4 对于现在普遍采用的通用型交直交电压型变频器，由于采用PWM技术对电机输入电压的脉宽进行调制，使得电机中绝缘材料的电应力增加，即因PWM的调制作用，使得绝缘介质中的各种电偶极子频繁地转动，从而造成介质损耗的增大、电机的绝缘强度因热疲劳而过早地降低（尤其是当电机受潮时会造成绝缘的局部热疲劳）。举一种极端情况来看，若PWM的调制频率达几百千赫兹，电机中的绝缘材料就会象微波炉中的有机食品一样被加热，这也是现代交流调速系统对电机的绝缘技术所提出的挑战。另外，如果PWM的调制频率过高，还会使电压在电机定子绕组的输入端产生电磁波的反射（行波效应），造成电机输入端的电压升高，电压上升率du/dt 过大，使电机定子绕组输入端的局部匝间电压升高（如同变压器绕组遭雷击后的匝间电压分布情况相仿），这使得电机绝缘的外部环境更为恶劣，很容易导致匝间短路或电机绕组内部局部放电。变频电机绝缘所面临的这两个恶劣条件，造成了与普通电机相比较，变频电机的使用寿命普遍较短，一般只有12年、短的甚至几个月，这些情况都需要在设计变频调速电机时进行考虑。5 采用变频电源供电的变频电机，由于采用PWM调制，在电机绕组输入端接入的高频调制电压的电容效应，会对电机造成显著的轴电压，轴承与机座的绝缘设计需要重新考虑，以抑制轴电流；而且与
