變頻電機設(shè)計有哪些要點？

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

負載特性和系統(tǒng)要求

1、確定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍，每個轉(zhuǎn)速對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩和運行時間。

2、一般不考慮起動性能（軌道交通有的要求冗余，變頻器故障時電機能運行）。

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)速時的功率不易保證時，降低額定電壓（或提高額定頻率）。

5、綜合考慮軸承在低速/高速時的受力、潤滑、振動、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，還會產(chǎn)生附加損耗。其大小取決于變頻器類型、參數(shù)及電機和濾波電路的設(shè)計。

附加損耗主要體現(xiàn)在電機導(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，故對電機設(shè)計者來說，減小附加損耗的措施有：

A、轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計時減小集膚效應(yīng)；

B、定子繞組設(shè)計時減小集膚效應(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)負載情況優(yōu)化電機磁通（嚴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《變頻器載波頻率對電機效率的影響》）；

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）。

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

噪聲、振動和扭轉(zhuǎn)振蕩

電機轉(zhuǎn)速升高，會使自冷風(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。如電機的旋轉(zhuǎn)方向單一，使用軸流風(fēng)扇對降低噪聲非常有效。

電源頻率和諧波分量對電磁噪聲影響很大。國標(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，變頻器引起的噪聲增加量可能高達15dB。電磁噪聲的增量與變頻器類型、寬頻譜設(shè)計密切相關(guān)。即使電磁噪聲的增加并未使電機噪聲顯著增加，也會顯得更加刺耳。

電機的轉(zhuǎn)速范圍較寬時，某些轉(zhuǎn)速會使電機與設(shè)計產(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15%。另外，變頻器輸出電壓不對稱（即使很?。┮部赡墚a(chǎn)生振蕩轉(zhuǎn)矩，然后傳遞給負載，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)盡可能縮短上升時間。這種對電機端電壓重復(fù)性的突增，勢必降低其絕緣壽命；具有較快上升時間和較高電壓的浪涌對絕緣損壞的危害更嚴重。另外經(jīng)驗表明，電纜長度增加使電機的沖擊電壓更大，上升時間也更長；如電機和變頻器安裝在一起，電壓突變會減小。

較短上升時間的沖擊導(dǎo)致電壓在整個線圈中分布不均衡，線圈匝間出現(xiàn)高強度應(yīng)力。上升時間越短，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，電機設(shè)計者應(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滑劑的絕緣能力時，就會產(chǎn)生軸承電流。軸電壓產(chǎn)生的原因有：

A、磁路不對稱：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：大電機定子軛部的高頻磁通經(jīng)過機座、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。這個電流可疊加在低頻電流之上。

2、泄漏到機座的電流須回流到變頻器中；因為機座的電位比地高，故會有部分電流經(jīng)軸承、軸和傳動機械返回至變頻器。

3、共模電壓在電機內(nèi)部電容上的電壓分布會引起擊穿軸承潤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)傳動機械接地而電機機座接地保護時，就會發(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

為使傳動系統(tǒng)無干擾運行，須采取措施保證高頻時的有效接地，這就要求安裝地面、電機及負載設(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軸和機座的電壓，減小高頻軸電流，并對相-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（如GB 14711）和法規(guī)。

對于100kW以上電機，要求機座與負載機械之間搭接，這是為了實現(xiàn)等電位和提高接地效果。例如，電機接線盒處和機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電機宜用單芯動力線和多根接地線對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導(dǎo)線，屏蔽層電導(dǎo)至少應(yīng)達到主導(dǎo)體電導(dǎo)的50%，高頻情況下至少要達到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)容大都來自國標(biāo)《GB/T 21209-2017 用于電力傳動系統(tǒng)的交流電機 應(yīng)用導(dǎo)則》，該標(biāo)準等同采用IEC 60032-25:2014。本文只是作（拋）一（磚）提（引）示（玉）。最后要感嘆一句：這真是個好標(biāo)準，簡直就是變頻電機的設(shè)計指南。