變頻器作為一種高效節(jié)能的電機(jī)調(diào)速裝置，因其較高的性能價(jià)格比，在各行各業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用；然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，常常將普通電機(jī)代替變頻專用電機(jī)來(lái)使用。本文分析了普通電機(jī)采用變頻器供電時(shí)存在的問(wèn)題以及變頻專用電機(jī)的特點(diǎn)，闡述了普通電機(jī)與變頻專用電機(jī)的區(qū)別，以供讀者參考。

 

 

　　1 概述

　　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，以變頻器為代表的交流調(diào)速方式，正在以其卓越的性能和經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)速領(lǐng)域，引導(dǎo)了一場(chǎng)取代傳統(tǒng)調(diào)速方式的更新?lián)Q代的變革。使機(jī)械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量、電源系統(tǒng)容量相應(yīng)提高、設(shè)備小型化、增加舒適性。由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對(duì)高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等需求，對(duì)作為動(dòng)力主體的電動(dòng)機(jī)，提出了苛刻的要求，給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)了在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面新的課題。

　　2 變頻專用電機(jī)的特點(diǎn)

　　2.1 電磁設(shè)計(jì)

　　對(duì)普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過(guò)載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而變頻專用電機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過(guò)載能力和啟動(dòng)性能不再需要過(guò)多考慮，而要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。方式一般如下：

　　2.1.1 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增加。

　　2.1.2 為抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大，其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。

　　2.1.3 變頻專用電機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)。一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和；二是考慮在低頻時(shí)，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。

　　2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻專用電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問(wèn)題：

　　2.2.1 絕緣等級(jí)：一般為F 級(jí)或更高，采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝以及采用特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機(jī)械強(qiáng)度有很大提高，足以勝任馬達(dá)之高速運(yùn)轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對(duì)絕緣之破壞。

　　2.2.2 對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問(wèn)題，要充分考

　　慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開(kāi)與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。變頻專用電機(jī)震動(dòng)等級(jí)為R 級(jí)，機(jī)械零部件加工精度高，經(jīng)特殊的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步抑制高次諧波磁場(chǎng)，以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設(shè)計(jì)指標(biāo)。并采用專用高精度進(jìn)口軸承，可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2.2.3 冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。不管電機(jī)在何種轉(zhuǎn)速下，都能得到有效散熱，可實(shí)現(xiàn)高速或低速長(zhǎng)期運(yùn)行。

　　2.2.4 防止軸電流措施，對(duì)容量超過(guò)160kW電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時(shí)，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。

　　2.2.5對(duì)恒功率變頻專用電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3000/min時(shí)，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤(rùn)滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。

　　3 變頻器對(duì)電機(jī)的影響

　　3.1 電動(dòng)機(jī)的效率和溫升的問(wèn)題

　　不論那種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行。以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為：2u+1（u為調(diào)制比）。高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅耗；因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗；除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗都會(huì)使電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通電機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%-20%。

　　3.2電動(dòng)機(jī)絕緣強(qiáng)度問(wèn)題

　　目前中小型變頻器，不少是采用PWM的控制方式。它的載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動(dòng)機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對(duì)電動(dòng)機(jī)施加陡度很大的沖擊電壓，使電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。另外，由PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，這些沖擊電壓不但峰值高而且出的頻率高，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成威脅，對(duì)地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。

　　3.3諧波電磁噪聲與震動(dòng)

　　普通電機(jī)采用變頻器供電時(shí)，會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的震動(dòng)和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電動(dòng)機(jī)機(jī)體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動(dòng)機(jī)工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開(kāi)電動(dòng)機(jī)的各構(gòu)件的固有震動(dòng)頻率。

　　3.4軸電壓的增加

　　軸電壓是指兩個(gè)軸端的電壓或軸與軸之間的電壓，對(duì)于變頻供電的電動(dòng)機(jī)，通常加在電動(dòng)機(jī)上的各相電壓是平衡的，然而由于各相整流元件和控制元件特性的差異，可能出現(xiàn)某瞬間的電壓失衡現(xiàn)象，在軸上產(chǎn)生較大的軸電壓；再加上轉(zhuǎn)子上的諧波電壓會(huì)以軸承油膜為介質(zhì)形成一個(gè)對(duì)地電容，從而產(chǎn)生一容性電流；電流通過(guò)軸和軸瓦之間的油膜流動(dòng)，若達(dá)到臨界潤(rùn)滑狀態(tài)，油膜將被破壞，會(huì)有很大的電流流過(guò)油膜，從而縮短軸承壽命或損壞軸承合金，發(fā)生事故。

　　3.5電動(dòng)機(jī)對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的適應(yīng)能力

　　由于采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無(wú)沖擊電流的方式啟動(dòng)，并可利用變頻器所供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng)造了條件，因而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來(lái)疲勞和加速老化問(wèn)題。

　　3.6低轉(zhuǎn)速時(shí)的冷卻問(wèn)題

　　首先，異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較低時(shí)，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通電機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電流和磁通都基本保持不便，但冷卻風(fēng)量卻與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動(dòng)機(jī)的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

　　4 普通電機(jī)當(dāng)變頻專用電機(jī)用存在的問(wèn)題

　　工廠有很多時(shí)候是用普通電機(jī)當(dāng)做變頻專用電機(jī)來(lái)使用的，但是由于普通電機(jī)機(jī)都是按恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求，性能沒(méi)有變頻專用電機(jī)好，頻率太高或太低都會(huì)運(yùn)行不穩(wěn)定，在低頻下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大。普通電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速是很高的，當(dāng)電源頻率較底時(shí)，電源中高次諧波所引起的損耗較大，致使電動(dòng)機(jī)溫升增大；另外低頻時(shí)它自帶的風(fēng)扇不足以冷卻自身，更會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)溫升的提高；電動(dòng)機(jī)溫升增大會(huì)影響繞組的使用壽命，限制電動(dòng)機(jī)的輸出，嚴(yán)重的甚至?xí)龤щ妱?dòng)機(jī)。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，而變頻專用電機(jī)是專門配備變頻器使用的特殊電機(jī)，它的使用也會(huì)日益廣泛，可以這樣說(shuō)由于變頻專用電機(jī)在變頻控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻專用電機(jī)的身影。