9.1概述

近年来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，交流变频调速已成为电气传动的主流，正越来越多地取代传统的直流调速传动。变频调速在调速范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、功率因数、工作效率、使用方便等方面越来越表现出优越性，而且它还具有体积小、重量轻、通用性强、可靠性高、操作简便等优点，因而深受各行各业的欢迎，已广泛地应用于钢铁、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、轻工、建材等领域，社会效益非常显著。

作为变频调速的执行电机的异步电动机，结构简单，运行可 靠，在变频传动中的应用极为广泛。变频调速的异步电动机还具有 高效的驱动性能和良好的控制特性，不仅可以节约大量电能，而且变频器自动控制性能的进一步改善也为变频调速系统提供了良好的 发展前景。目前，在美国市场有近50%的调速电动机为变频调速电动机，其市场份额还有上升趋势。在国内市场上，变频调速异步电动机的应用也呈现出强劲的上升势头。因此，开发设计专用的变频调速异步电动机具有彳艮好的发展前景。用于变频调速的异步电动机釆用变频器装置供电，与电网供电不同，电动机端输入的电压、电流非正弦，其中谐波分量对异步电动机的运行性能会产生显著影 响，如电流增大，损耗增加，效率、功率因数降低，温升增加，还 会出现转矩脉动、振动和噪声增大、绕组绝缘易老化等。所以变频 调速异步电动机（简称变频电动机）的设计与普通工频供电的异步 电动机的设计存在一定差别，采用普通的异步机进行变频调速时，电动机性能很难符合要求。这就要求从电动机本体出发，对变频调速异步电动机进行合理设计和整体优化。

9.1.1变频电动机的主要工作原理

由电机学知，异步电动机的转速为如忽略.S的变化，则电动机的转速n随定子供电频率正比变化，从而可实现对电动机的变频调速。根据异步电动机的T.作原理，若希望电动机获得良好的运行性能和负载能力，还必须保其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通中_m额定小‘变。这是因若

太大，电动机磁路饱和，励磁电流和励磁损耗及发热增大；若太弱，电动机出力不够，铁心也未充分利用。根据异步电动机定子每相电动势有效值公式^=4.44^^^^               (9-2)

式中乂——定子每相串联匝数；

K_m——基波绕组系数；

3>_m——每极气隙磁通（Wb);

当电动机参数一旦选定，结构参数确定后，就有

$ oc^i
^m〇C/i

所以只要合理地控制A和A，即Wj达到控制磁通的目的。

而改变供电电源频率/,又可实现对电动机转速的调节，且在很大的调速范围内获得很好的调速平滑性和足够硬的机械特性。在基频以下，要保持少„^额定不变，可近似采用6///_|=定值的办法，使电动机作恒转矩运行，功率因数cosp基本保持不变。

当运行频率超出基频时，受电动机额定电压的限制，随着运行频率的升高，额定电压保持不变，则t///,比值下降，气隙磁通随之减小，此时电动机进入弱磁状态，转矩大体反比于频率变化，电动机作近似恒功率运行。

2.变频器供电对电动机的影响

1.谐波电压和谐波电流对电动机效率和温升的影响

不论何种变频装置，在工作中均会产生不同程度的谐波电压和 谐波电流，使异步电动机在非正弦电流下工作。就目前比较普遍使 用的电压型SPWM变频器而言，其低次谐波电压基本上为零，但含有丰富的可能比载波频宇.更高的高次谐波，分布为/Vcost/c (其中 co为调制波频率，/V为载波比，A为自然数)。高次谐波会引起定 子铜损耗、转子铝损耗、铁损耗及附加损耗的增加，其中最为显著 的是转子损耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步 转速旋转的，因而高次谐波磁通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，还必须考虑到因集肤效应所产生的 附加铜损耗。这些损耗都会使电动机额外发热、效率降低、输出下降，如将普通异步电动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%〜12%。

2.冲击电压对电动机绝缘结构的影响

H前中小容量变频器绝大多数采用PWM控制方式。其载波频率约为几kHz到十几kHz，这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率，即值很高，相当于电动机线圈上反复施加电压陡度极大的冲击电压，使电动机匝间绝缘承受考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电 动机的对地绝缘形成威胁，在高电压的反复冲击下加速老化。

3.谐波对电磁噪声与振动的影响

当采用变频器供电时，变频器电源中含有的各次谐波与电动机 电磁部分的固有谐波相互干扰，形成各种电磁激振力，当电磁力波 的频率和结构件的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，加大噪声。

由于电动机工作的频率范围宽，转速变化的范围大，各种电磁力波的频率很难完全避开电动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 10~15dB左右。

4.频繁起制动对电动机机械结构的影响

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。但频繁起制动时 电动机的结构系统和电磁系统处于循环交变的作用下，给电动机的机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。

5.变频调速带来的冷却问题

对变频调速异步电动机，当电动机在低速运转时，电动机的阻 抗不尽理想，往往需要进行低压电压补偿，这会造成铁心的磁饱和 而使空载电流增加很多，以致电动机温升过高。对自带风扇的普通 异步电动机，在转速降低时冷却风量将与转速的3次方成比例减少，这必将使电动机的低速运转温升急剧增加，而难以实现恒转矩输出；而在高速区，可能风耗和噪声会很高，这对变频电动机的冷却提出了新的要求。所以变频调速电动机往往需要安装强制冷却装置。

6.变频对轴承的影响

在正弦波电源供电时，磁路不均衡、单极效应、磁性材料的定向属性、供电不平衡和电容电流是电动机中产生轴承电流的主要原 因。通常电网供电电动机的工频频率低，电源中点对地阻抗及电动机容性电抗较大，有效地抑制了轴电压和轴电流；而在变频器供电 时，高频PWM驱动使得供电的不平衡变得更加严重，零点漂移电 压中含有大最的高次谐波，零序阻抗很小，轴电流加大。同时，高 频作用使得电动机内部的分布参数作用亦不可忽略，因此高频驱动 比正弦波驱动易感应更多的电容耦合电流。而且在高载波频率下，dlVdt电流出现的次数增加，长期运行会引起轴承润滑油层老化， 降低轴承寿命。流过轴承的电流不但会破坏油膜的稳定，而且将在 轴承的球和沟道，特别是滑动轴承的轴颈和轴瓦的表面产生电弧放 电麻点，从而破坏轴承的粗糙度和油膜形成条件，导致轴承温度升 卨甚至烧毁。国外有关研究报道指出：运行时间不足18个月的电 动机中有25%的电动机出现轴承损坏；运行时间超过18个月、平 均寿命两年的电动机中，65%出现轴承损坏。

9.1.3变频电动机设计特点

(1)变频电动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，因而在设计变频电动机时不需要对 起动性能作特别的考虑，转子槽不必设为深槽，从而可以重点进行其他方面的优化设计。

(2)变频电动机通过调节电ffi和频率，在每一个运行点都可以 苟多种运行方式，对应多种不同的转差频率，因而总能找到最佳的 转差频率，使电动机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很 高。因而变频电动机的功率因数和效率吋以设计得更高，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 异步电动机效率比普通电动机高2%〜3%，功率因数高10%〜 20%.

(3)山于变频器供电时电源谐波影响明显，变频电动机设计时 对谐波的抑制十分重要，在槽形设计上应做到尽量增加定子阻抗以 抑制高次谐波，转子槽形选择上要考虑谐波的集肤效应的影响，遵循以下原则：槽面积尽可能大，槽形宜浅不宜深，槽形总体上是上宽下窄，采用半闭口槽等。

(4)变频电动机采用变频装置供电，输人电流中含有较多的高 次谐波，产生电动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，所以加强电动机绝缘和提高 整体机械强度是个重要问题，变频电动机的绝缘等级一般要达到F 级以上。

(5)变频供电时产生的轴电压和轴电流会使电动机轴承失效，缩短轴承使用寿命，因此在设计上要加以考虑。对较小的轴电流，可以适当增大电动机气隙和选用连铸机专用润滑脂，它具有良好的 防腐蚀、抗水、抗挤压、耐高温等特点，可在200°C以上的环境使 用，能延长轴承的使用寿命。另外，从抑制轴承电流出发，增加轴承的电气绝缘或者将电动机轴通过电刷接地，可以有效解决轴承损 坏问题，也可在电动机定子槽楔上覆以接地金属箔并与铁心绝缘， 可使定子零序电压通过由金属箔形成的旁路电容电路而消失；或使用隔离变压器并经可靠接地也可以消除定子零序电压。对过高轴电 压，应设法隔断轴电流的回路，如釆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c/V/c/t，也是-种有效的方法。