变频调速三相异步电机与通用电机的区别及设计特点

摘要： 控制技术的发展，使得变频电机在市场上越来越广泛的应用。但同时，电源的差异性使得变频电机与通用电机在实际的应用和设计方面有很大的不同。针对其特殊性，我们在设计上提出了若干特别需要关注的地方。

关键词：变频电机 区别 设计特点

变频电源供电的电动机与工频正弦波供电的电动机的主要区别：一方面是从低频到高频的宽频范围内运行，另一方面，电源波形是非正弦的。电源电压波形中除了基波外还有谐波。当变频器输出电源施加于电动机时，将使电动机上的电流波形呈现为一个叠加谐波的正弦波。该谐波电流将使异步电动机的磁路中产生一个脉动的磁通分量。这个脉动的磁通分量叠加在主磁通上，使主磁通内含有脉动的磁通分量，这个脉动磁通分量还使磁路趋于饱和，对电动机运行产生以下影响：

1、损耗增加，降低效率

高次谐波会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。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，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，效率要下降1～3%，功率因数要下降4～10%。其温升一般要增加10%～20%。

2、产生电磁振动和噪声

普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有振动频率。

低速时出现低频脉动转矩。由于谐波磁动势与转子谐波电流合成，产生恒定谐波电磁转矩和交变谐波电磁转矩，交变谐波电磁转矩会使电动机产生脉动，从而影响低速稳定运行。

3、产生对绝缘的冲击电压

目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。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，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。

4、产生轴电流和轴电压

轴电压的产生主要是由于磁路不平衡和静电感应现象的存在，这在普通电动机中并不严重，但在变频电源供电的电动机中则比较突出。若轴电压过高，轴和轴承间油膜的状态遭到破坏，将缩短轴承使用寿命。

5、低速时的冷却

异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较低时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。在转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加。

6、共振

一般说来，任何机械装置都会产生共振现象。变频调速运行的电动机运行频率变化范围广，加之给各个部件都有各自的固有频率，这就极易使它在某一频率下发生共振。

变频电动机在变频装置供电下，要求在额定频率及以下的响应频率范围内，能输出由该电动机标称功率决定的额定转矩，在额定频率以上的相应频率范围内，能输出标称功率。为了满足以上要求，变频电机在设计时，应注意以下问题：

1、电机的振动、噪声问题：要充分考虑电动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。如电机机壳，我们可以使用方形替代圆筒形机壳。

2、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。

3、脂的选择：对于转速相对较高，如转速超过3000rpm时，优先选用耐高温脂，以补偿因轴承温度的升高造成脂的过快失效。

4、防止轴电流措施：对大容量电动机应采用轴承绝缘措施。可以采取以下绝缘措施：轴接地，即采用接地电刷装置；直接采用绝缘轴承；端盖轴承室加套，套和端盖间加绝缘层，紧固内外盖螺栓加绝缘套管和绝缘垫等。

5、提高绝缘等级：一般为H级，选用抗电晕电磁线。加强对地绝缘和匝间绝缘强度，增加绕组的抗冲击电压的能力。

6、定转子漏抗是限制谐波电流的主要因素，为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大，其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

7、尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜（铝）耗，以弥补高次谐波引起的铜（铝）耗增加。

8、变频电动机的主磁路要设计成不饱和状态，气隙及铁芯磁通密度的选取应留有相当的余地，以免磁路过载运行时，磁通过分饱和。首先，电机运行时，高次谐波会加深磁路饱和。其次，当定子绕组电流增加时，定子槽漏磁通的增加会引起定子齿部和轭部磁通密度的上升。考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压，也会提高气隙和铁芯的磁通密度。

参考文献：

[1]《电机学》（第3版）汤蕴璆、罗应立、梁艳萍，机械工业出版社

[2]《电机设计》（第2版）陈世坤，机械工业出版社

[3]《电机设计》（第2版）陈世坤，机械工业出版社