变频异步电动机设计与挑战

一、常规异步电动机设计基于恒频恒压，难以全面满足变频调速的严苛需求。皖南电机

变频器对电机的潜在影响：

1、效率与温升的挑战

无论何种类型的变频器，在运行过程中都会产生不同程度的谐波电压和电流，导致电机在非正弦电压、电流下工作。以普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波几乎为零，而高次谐波分量约为载波频率的两倍。这些高次谐波会导致电机定子、转子铜铝耗、铁耗及附加损耗增加，特别是转子铜铝耗*为明显。异步电动机转速接近同步转速时，高次谐波电压切割转子导条，产生较大损耗。皖南电机价格表同时，集肤效应导致的附加铜耗也不容忽视。安徽皖南电机这些损耗会导致电机额外发热，效率降低，输出功率减小，普通三相异步电动机在变频器输出的非正弦电源条件下，温升通常会增加10%至20%。

2、绝缘强度问题

许多中小型变频器采用PWM控制方式，其载波频率在几千至十几千赫兹之间，导致电机定子绕组承受高电压上升率，相当于对电机施加陡峭的冲击电压，对电机匝间绝缘造成严峻考验。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，对电机对地绝缘构成威胁，在高压反复冲击下会加速老化。

3、谐波电磁噪声与震动

变频器供电的异步电动机，会使由电磁、机械、通风等因素引起的震动和噪声变得更加复杂。变频电源中的各次时间谐波与电机电磁部分的固有空间谐波相互干扰，形成各种电磁激振力。皖南电机当电磁力波的频率与电机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，加剧噪声。由于电机工作频率范围广，转速变化大，电磁力波频率难以避开电机各构件的固有振动频率。

4、频繁启动、制动的适应能力

采用变频器供电后，电机可在极低频率和电压下无冲击电流启动，并可通过变频器实现快速制动，这为实现频繁启动和制动提供了条件。然而，电机机械和电磁系统在循环交变力的作用下，容易产生疲劳和加速老化问题。

5、低转速时的冷却问题

异步电动机阻抗不理想，电源频率低时，高次谐波引起的损耗较大。此外，电机转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，导致低速冷却状况恶化，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。

二、变频电动机的特点

1、电磁设计

对于常规异步电动机，设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率与电源频率成反比，可在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不再是主要考虑因素。关键在于如何提高电机对非正弦波电源的适应能力。通常采取以下措施：

1) 尽可能减小定子和转子电阻，降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增加；

2) 为抑制电流中的高次谐波，适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大，集肤效应也强，高次谐波铜耗增加。因此，电动机漏抗的大小要兼顾整个调速范围内阻抗匹配的合理性；

3) 变频电动机的主磁路一般设计为不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

2、结构设计

在结构设计时，主要考虑非正弦电源特性对变频电机绝缘结构、振动、噪声、冷却方式等方面的影响，一般关注以下问题：

1) 绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力；

2) 充分考虑电机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象；

3) 冷却方式：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；

4) 防止轴电流措施，对容量超过160KW的电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施；

5) 对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。

变频电机可在0.1HZ至130HZ范围内长期运行，而普通电机在：

2极的为20至65Hz范围内长期运行；

4极的为25至75Hz范围内长期运行；

6极的为30至85Hz范围内长期运行；

8极的为35至100Hz范围内长期运行。