淺談變頻專用電機的應用

變頻器作為一種高效節能的電機調速裝置，因其較高的性能價格比，在各行各業得到了越來越廣泛的應用；然而在實際應用過程中，常常將普通電機代替變頻專用電機來使用。本文分析了普通電機采用變頻器供電時存在的問題以及變頻專用電機的特點，闡述了普通電機與變頻專用電機的區別，以供讀者參考。

1 概述

　　隨著電力電子技術、微電子技術的驚人發展，以變頻器為代表的交流調速方式，正在以其卓越的性能和經濟性，在調速領域，引導了一場取代傳統調速方式的更新換代的變革。使機械自動化程度和生產效率大為提高、節約能源、提高產品合格率及產品質量、電源系統容量相應提高、設備小型化、增加舒適性。由于變頻電源的特殊性，以及系統對高速或低速運轉、轉速動態響應等需求，對作為動力主體的電動機，提出了苛刻的要求，給電動機帶來了在電磁、結構、絕緣各方面新的課題。

　　2 變頻專用電機的特點

　　2.1 電磁設計

　　對普通電機來說，在設計時主要考慮的性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數。而變頻專用電機，由于臨界轉差率反比于電源頻率，可以在臨界轉差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不再需要過多考慮，而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。方式一般如下：

　　2.1.1 盡可能的減小定子和轉子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補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，需適當增加電動機的電感。但轉子槽漏抗較大，其集膚效應也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調速范圍內阻抗匹配的合理性。

　　2.1.3 變頻專用電機的主磁路一般設計成不飽和狀態。一是考慮高次諧波會加深磁路飽和；二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓。

　　2.2 結構設計

　　在結構設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻專用電機的絕緣結構、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題：

　　2.2.1 絕緣等級：一般為F 級或更高，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構，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機械強度有很大提高，足以勝任馬達之高速運轉及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣之破壞。

　　2.2.2 對電機的振動、噪聲問題，要充分考

　　慮電動機構件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產生共振現象。變頻專用電機震動等級為R 級，機械零部件加工精度高，經特殊的磁場設計，進一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節能和低噪音的設計指標。并采用專用高精度進口軸承，可以高速運轉。

　　2.2.3 冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。不管電機在何種轉速下，都能得到有效散熱，可實現高速或低速長期運行。

　　2.2.4 防止軸電流措施，對容量超過160kW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產生磁路不對稱，也會產生軸電流，當其他高頻分量所產生的電流結合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。

　　2.2.5對恒功率變頻專用電機，當轉速超過3000/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。

　　3 變頻器對電機的影響

　　3.1 電動機的效率和溫升的問題

　　不論那種形式的變頻器，在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。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為調制比）。高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉子銅耗；因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應的同步轉速旋轉的，因此，高次諧波電壓以較大的轉差切割轉子導條后，便會產生很大的轉子損耗；除此之外，還需考慮因集膚效應所產生的附加銅耗。這些損耗都會使電動機額外發熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通電機運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電動機絕緣強度問題

　　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，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。另外，由PWM 變頻器產生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，這些沖擊電壓不但峰值高而且出的頻率高，會對電動機對地絕緣構成威脅，對地絕緣在高壓的反復沖擊下會加速老化。

　　3.3諧波電磁噪聲與震動

　　普通電機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風等因素所引起的震動和噪聲變的更加復雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產生共振現象，從而加大噪聲。由于電動機工作頻率范圍寬，轉速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構件的固有震動頻率。

　　3.4軸電壓的增加

　　軸電壓是指兩個軸端的電壓或軸與軸之間的電壓，對于變頻供電的電動機，通常加在電動機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，可能出現某瞬間的電壓失衡現象，在軸上產生較大的軸電壓；再加上轉子上的諧波電壓會以軸承油膜為介質形成一個對地電容，從而產生一容性電流；電流通過軸和軸瓦之間的油膜流動，若達到臨界潤滑狀態，油膜將被破壞，會有很大的電流流過油膜，從而縮短軸承壽命或損壞軸承合金，發生事故。

　　3.5電動機對頻繁啟動、制動的適應能力

　　由于采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動，為實現頻繁啟動和制動創造了條件，因而電動機的機械系統和電磁系統處于循環交變力的作用下，給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。

　　3.6低轉速時的冷卻問題

　　首先，異步電動機的阻抗不盡理想，當電源頻率較低時，電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次，普通電機在轉速降低時，電流和磁通都基本保持不便，但冷卻風量卻與轉速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實現恒轉矩輸出。

　　4 普通電機當變頻專用電機用存在的問題

　　工廠有很多時候是用普通電機當做變頻專用電機來使用的，但是由于普通電機機都是按恒頻恒壓設計的，不可能完全適應變頻調速的要求，性能沒有變頻專用電機好，頻率太高或太低都會運行不穩定，在低頻下轉矩波動很大。普通電機設計轉速是很高的，當電源頻率較底時，電源中高次諧波所引起的損耗較大，致使電動機溫升增大；另外低頻時它自帶的風扇不足以冷卻自身，更會加劇電動機溫升的提高；電動機溫升增大會影響繞組的使用壽命，限制電動機的輸出，嚴重的甚至會燒毀電動機。

　　5 結語

　　變頻調速目前已經成為主流的調速方案，可廣泛應用于各行各業無級變速傳動。特別是隨著變頻器在工業控制領域內日益廣泛的應用，而變頻專用電機是專門配備變頻器使用的特殊電機，它的使用也會日益廣泛，可以這樣說由于變頻專用電機在變頻控制方面較普通電機的優越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻專用電機的身影。