淺談變頻異步電機的設計及特點

姚桂穎

（南陽防爆（蘇州）特種裝備有限公司，江蘇 蘇州215211）

在變頻電機的控制系統中，大多數都采取變壓變頻器作為供電來源，在整個供電系統中，不可避免地需要高次諧波分量，對其外表也應體現為非正弦性，在諧波磁勢和電路中都會對電機的諧波電流產生影響，這樣在無形中就會使電機的定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗、附加損耗增加，其中表現最為明顯的則是轉子銅耗。這些損耗都會使電動機效率和功率降低。而這些損耗大部分也會轉化為熱能，引起變頻電機溫度增加，同時增加諧波磁動勢和轉子諧波電流的合成。因此，如何在變頻異步電機的設計過程中避免應用變頻器帶來的影響成為本文討論的重點。

1 變頻異步電機的總體設計及特點

第一，在一定范圍內可以調整變頻異步電動機的工作頻率，即在某一頻率下的運動特定應在設計電機時全面地考慮進去，在較寬的頻率范圍內應有較好的運動性能，比如目前大多數調速異步電動機的工作頻率都在一個標準的范圍內，在設計時應全面考慮。

第二，在低速時供電頻率可以轉矩調整到啟動點，這樣可以有效地提高變頻異步電機的啟動特性，這時變頻異步電機就不需要考慮啟動性，而要對轉子槽等其他重點的性能上做優化設計。

第三，變頻異步電機在運動墊上有多種方式，特別是在電壓和頻率上，不同的頻率能夠找到最優化的轉差頻率，能夠讓電機的功率在一個很寬的調速內達到高水平運轉。此時，變頻電機的功率會在效率上提高很多，其功率密度也會得到進一步的提升。

第四，在變頻供電過程中，軸電壓和電流會使電機軸承失效，同時會縮短軸承的使用壽命，在這點設計上必須加以考慮。對于較小的軸電流來說，可以對電機氣隙和專營潤滑脂進行適量的增大，還可以通過電刷接地的形式增加軸承的電氣絕緣，這樣可以有效地解決軸承損壞的問題，而對于過高軸的電壓來說，不能割斷軸電流的回路，這樣用陶瓷滾子軸承或實現軸承室絕緣。同時降低逆變器輸出端的濾波也能夠有效地減小脈沖電壓。

2 變頻異步電機中的電磁設計及特點

為了能夠進一步滿足變頻調速異步電機的高性能需求，在變頻異步電機的設計中，應在原有普通異步電機設計的基礎上，充分考慮因變頻調速所帶來的不同影響因素，提供更加合理、更加細致的設計，進而滿足變頻電機設計參數變化與設計目標之間的關系。尤其需要注意的是，在變頻異步電機的電磁設計中，不能夠僅僅局限于某一工作狀況的參數，而應該在設計參數與性能要求之間進行折中選擇，從而使每一個頻率點的轉矩都能夠滿足額定參數的要求，最高磁參數也能夠滿足材料的性能要求。此外，由于諧波電流會產生諧波磁勢，所以為了能夠進一步降低變頻器諧波對異步電動機的影響，應該將諧波電流限制在規定范圍之內。

3 變頻異步電機中的絕緣設計及特點

通過分析可知，處于逆變電源供電環境之下的電機，其絕緣系統往往承受著更高的介電強度。尤其是與正弦電壓、電流供電相比，使用變頻器供電的電機，其繞組線圈上的電應力有著如下兩個特點：第一，線圈上的電壓分布不均，尤其是定子繞組的首端幾匝上幾乎承擔了80%的過電壓幅值，高于平均匝間電壓的10倍。也正因如此，變頻電機繞組常常發生絕緣擊穿問題。第二，匝間絕緣上的電壓，無論是在形狀、極性，還是電壓增幅上，其性質都有很大的差異。所以，變頻電機的匝間絕緣往往存在過早老化或破壞問題。因此，從絕緣方面入手，變頻電機在絕緣設計中，應該具備以下幾點：第一，絕緣應具備良好的耐沖擊電壓性能。第二，絕緣應具備良好的耐局部放電性能。第三，絕緣應具備良好的耐熱、耐老化性能。

4 變頻異步電機中的結構設計及特點

第一，以變頻供電電動機為例，和普通的電機相比，能夠使供電電機在電磁、機械、通風等多方面的振動和噪聲得到優化，即使這些技術相對復雜，也能夠得到最優處理。所以，在對電動機進行分析和加強設計時，要充分考慮電機結構和內部整體剛度，盡量避免電動機頻率不穩等現象，排除各個力波產生的共振。

第二，變頻異步電機在冷卻方式上，應該采取強迫通風的冷卻方式，即為主電機的散熱風扇提供獨立的電機驅動，進而使其無論任何時速下運行都能夠維持足夠的散熱風量。

第三，因為變頻電機在運行中會承受較大的沖擊與脈振，因此，在電機組裝中，應該為電機軸承預留一定的軸向竄動量以及徑向間隙，進而滿足實際運行需求。

5 結語

綜上所述，變頻異步電機變頻設計的不同會對變頻電壓的供電產生較大影響，其性能與普通異步電機的設計本體調速設計也密切相關。從這一方向上來看，變頻異步電機的設計要同時將電機本體和調速系統統籌兼顧，這樣才能夠使變頻異步電機的設計變得靈活，但在無形中也增加了高性能變頻異步電機調速系統設計的復雜程度。因此，只有不斷總結經驗，將變頻器和控制策略進行結合，才能從總體上不斷設計和優化電機性能，讓變頻異步電機發揮更大的作用。

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