變頻電機(jī)設(shè)計(jì)有哪些要點(diǎn)？

我一直認(rèn)為除非對(duì)體積、效率要求十分苛刻，異步電機(jī)仍是傳動(dòng)系統(tǒng)的首選（當(dāng)然微特電機(jī)、輸出信號(hào)的控制電機(jī)是另外一回事）。這次重點(diǎn)就異步電機(jī)，聊一聊變頻器供電時(shí)需要重點(diǎn)考慮的若干問題。

負(fù)載特性和系統(tǒng)要求

1、確定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍，每個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行時(shí)間。

2、一般不考慮起動(dòng)性能（軌道交通有的要求冗余，變頻器故障時(shí)電機(jī)能運(yùn)行）。

3、選擇與轉(zhuǎn)速變化弱相關(guān)的冷卻方式。若轉(zhuǎn)速范圍較寬，不推薦IC411自扇風(fēng)冷。

4、轉(zhuǎn)速范圍較寬，最高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率不易保證時(shí)，降低額定電壓（或提高額定頻率）。

5、綜合考慮軸承在低速/高速時(shí)的受力、潤(rùn)滑、振動(dòng)、溫度和壽命。

附加損耗及其影響

因變頻器電源提供的是由矩形脈沖等效成的正弦波，故除有基波電壓和電流產(chǎn)生的損耗外，還會(huì)產(chǎn)生附加損耗。其大小取決于變頻器類型、參數(shù)及電機(jī)和濾波電路的設(shè)計(jì)。

附加損耗主要體現(xiàn)在電機(jī)導(dǎo)體（主要為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條）的集膚效應(yīng)和漏磁通路徑的渦流上，故對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)者來說，減小附加損耗的措施有：

A、轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)時(shí)減小集膚效應(yīng)；

B、定子繞組設(shè)計(jì)時(shí)減小集膚效應(yīng)；

C、轉(zhuǎn)子槽開口；

D、避免轉(zhuǎn)子鐵心片間短路；

E、采用更薄的定轉(zhuǎn)子沖片；

其它方面的措施有：

A、根據(jù)負(fù)載情況優(yōu)化電機(jī)磁通（嚴(yán)格來說這是降低基波損耗的）；

B、優(yōu)化變頻器的脈沖波形；

C、提高載波頻率（具體可參考舊文《變頻器載波頻率對(duì)電機(jī)效率的影響》）；

D、配置三電平變頻器；

E、使用濾波器（應(yīng)考慮其引起的電壓降）。

附加損耗會(huì)使電機(jī)溫升上升，與工頻電源相比，有的可達(dá)30K以上。應(yīng)從改善冷卻方式、提高耐熱等級(jí)、加大電機(jī)容量等多種途徑考慮其影響。

噪聲、振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振蕩

電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，會(huì)使自冷風(fēng)扇的通風(fēng)噪聲增加。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)速升高20%，噪聲增加3dB；轉(zhuǎn)速升高50%，噪聲增加10dB。如電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向單一，使用軸流風(fēng)扇對(duì)降低噪聲非常有效。

電源頻率和諧波分量對(duì)電磁噪聲影響很大。國(guó)標(biāo)GB 10069.3中第7章專門分析了噪聲增量，當(dāng)載波頻率較低時(shí)，變頻器引起的噪聲增加量可能高達(dá)15dB。電磁噪聲的增量與變頻器類型、寬頻譜設(shè)計(jì)密切相關(guān)。即使電磁噪聲的增加并未使電機(jī)噪聲顯著增加，也會(huì)顯得更加刺耳。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較寬時(shí)，某些轉(zhuǎn)速會(huì)使電機(jī)與設(shè)計(jì)產(chǎn)生共振，這是很難避免的?？梢栽O(shè)置越程帶，以跳過共振頻率段。

由諧波產(chǎn)生的振蕩轉(zhuǎn)矩，頻率取決于載波頻率，幅值取決于脈沖寬度。若載頻與其頻的比值較低，振蕩轉(zhuǎn)矩的幅值可達(dá)15%。另外，變頻器輸出電壓不對(duì)稱（即使很?。┮部赡墚a(chǎn)生振蕩轉(zhuǎn)矩，然后傳遞給負(fù)載，需要預(yù)防。

電氣絕緣

電壓源變頻器產(chǎn)生不同寬度和頻率的固定振幅電壓方波脈沖；其輸出電壓上升時(shí)間約50~400ns；為減小功率器件的開關(guān)損耗，應(yīng)盡可能縮短上升時(shí)間。這種對(duì)電機(jī)端電壓重復(fù)性的突增，勢(shì)必降低其絕緣壽命；具有較快上升時(shí)間和較高電壓的浪涌對(duì)絕緣損壞的危害更嚴(yán)重。另外經(jīng)驗(yàn)表明，電纜長(zhǎng)度增加使電機(jī)的沖擊電壓更大，上升時(shí)間也更長(zhǎng)；如電機(jī)和變頻器安裝在一起，電壓突變會(huì)減小。

較短上升時(shí)間的沖擊導(dǎo)致電壓在整個(gè)線圈中分布不均衡，線圈匝間出現(xiàn)高強(qiáng)度應(yīng)力。上升時(shí)間越短，線圈第一匝承受的電壓越大，容易使絕緣擊穿。

為了提高絕緣系統(tǒng)的局部放電起始電壓或電暈起始電壓，電機(jī)設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮以下因素：

A、繞組型式：散嵌繞組或成型繞組；

B、相間和接地絕緣材料；

C、浸漆種類及浸漆工藝；

D、導(dǎo)線尺寸、導(dǎo)線絕緣類型、導(dǎo)線絕緣厚度；

E、運(yùn)行溫度、環(huán)境空氣質(zhì)量。

軸電壓、軸電流

當(dāng)軸承兩端的電壓超出了潤(rùn)滑劑的絕緣能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生軸承電流。軸電壓產(chǎn)生的原因有：

A、磁路不對(duì)稱：產(chǎn)生低頻軸電流；

B、靜電聚集；

C、高頻電壓：與電源的高頻率開關(guān)有關(guān)。

高頻軸承電流有三種：循環(huán)電流、軸接地電流和電容性放電電流。

1、循環(huán)電流：大電機(jī)定子軛部的高頻磁通經(jīng)過機(jī)座、端蓋，與軸和軸承形成導(dǎo)電回路；該磁通由繞組泄漏到定子鐵心的電容性電流產(chǎn)生，感應(yīng)出軸電壓影響軸承。這個(gè)電流可疊加在低頻電流之上。

2、泄漏到機(jī)座的電流須回流到變頻器中；因?yàn)闄C(jī)座的電位比地高，故會(huì)有部分電流經(jīng)軸承、軸和傳動(dòng)機(jī)械返回至變頻器。

3、共模電壓在電機(jī)內(nèi)部電容上的電壓分布會(huì)引起擊穿軸承潤(rùn)滑劑的軸電壓從而產(chǎn)生高頻軸承電流脈沖。如果軸伸沒有經(jīng)傳動(dòng)機(jī)械接地而電機(jī)機(jī)座接地保護(hù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。

防止高頻軸電流的方法：

A、適宜的布線和接地系統(tǒng)；

B、改變軸承電流回路；

C、削弱高頻共模電壓；

D、使用絕緣軸承或在軸承的任意一側(cè)采取絕緣措施；

E、用濾波器降低共模電壓和du/dt；

F、采用非導(dǎo)電聯(lián)軸器；

G、在軸和端蓋之間用電刷接觸；

H、盡可能使用低電壓電機(jī)和變頻器；

I、降低變頻器的載波頻率（注意其它影響）；

J、避免使用雙重轉(zhuǎn)換（并聯(lián)開關(guān)）。

以上措施并非使用一條即可，通常需要2條以上綜合使用。

接地和EMC

為使傳動(dòng)系統(tǒng)無干擾運(yùn)行，須采取措施保證高頻時(shí)的有效接地，這就要求安裝地面、電機(jī)及負(fù)載設(shè)備的外殼、變頻器線路板與大地處于等電位。另外，正確的接地可有力削弱電機(jī)軸和機(jī)座的電壓，減小高頻軸電流，并對(duì)相-地絕緣電壓有影響。

接地電纜的規(guī)格應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如GB 14711）和法規(guī)。

對(duì)于100kW以上電機(jī)，要求機(jī)座與負(fù)載機(jī)械之間搭接，這是為了實(shí)現(xiàn)等電位和提高接地效果。例如，電機(jī)接線盒處和機(jī)座底腳處的接地端子最好用導(dǎo)線或金屬編織帶連起來。

大于30kW電機(jī)宜用單芯動(dòng)力線和多根接地線對(duì)稱配置的電纜以減小高頻軸電流和電磁干擾。

如以屏蔽層作為防護(hù)導(dǎo)線，屏蔽層電導(dǎo)至少應(yīng)達(dá)到主導(dǎo)體電導(dǎo)的50%，高頻情況下至少要達(dá)到10%。電纜屏蔽應(yīng)兩端接地；如電纜兩端須去除屏蔽層，那么去除長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。

結(jié)束語

可能有的讀者已經(jīng)看出，以上內(nèi)容大都來自國(guó)標(biāo)《GB/T 21209-2017 用于電力傳動(dòng)系統(tǒng)的交流電機(jī) 應(yīng)用導(dǎo)則》，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 60032-25:2014。本文只是作（拋）一（磚）提（引）示（玉）。最后要感嘆一句：這真是個(gè)好標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)直就是變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)指南。