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【摘 要】 简单介绍了静止式变压变频器的主要类型和与之相应的变频电机设计特点， 根据交流调速系统的特点及逆变器运行时对变频电机工作的影响， 从系统的角度对变频电机在电磁设计、耐电晕绝缘系统、轴承绝缘技术、结构设计方面加以阐述。
【关键词】 变频电机；设计；交流调速系统；变压变频器；谐波
由于交流电动机的电磁转矩难以象直流电动机那样通过电枢电流进行灵活的控制， 交流调速系统的控制性能也赶不上直流调速系统。直到20世纪 70年代初， 大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用， 特别是发明了矢量控制技术， 通过坐标变换， 把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量， 用来分别控制电动机的转矩和磁通， 使得交流传动也能具备宽的调速范围、高的调速性能、快的动态响应性能及在Ⅳ象限运行等良好的技术性能， 可以获得和直流电动机相仿的高动态性能， 才使交流电动机的调速技术取得了突破性的进展。
因普通电动机都是按恒频恒压设计的， 对于交流调速系统， 系统调节对象——三相鼠笼异步电动机， 若采用常规设计的产品， 不可能完全适应变频调速的要求。这无疑会影响系统的换流性能及动态指标， 限制了电机的调速范围和过载能力，并使整个系统的调节性能不能趋于一致， 最终将导致机组容量的增加和经济指标的降低。所以，有必要根据交流调速系统的特点及逆变器性能的要求， 从系统的角度对变频电机的设计和研制进行必要的技术探讨。
一、静止式变压变频器的主要类型
从整体结构上看， 静止式电力电子变压变频器 （ VVVF装置 ）可分为交—交和交—直—交变压变频器两大类。交—交变压变频器主要应用于大功率交流电机调速系统， 由于省去了中间直流环节， 只用一次变流， 效率较高， 可方便地实现Ⅳ象限工作， 低频输出波形接近正弦波， 但接线复杂， 所用器件数量多， 总体设备相当庞大。功率因数较低， 谐波电流含量大， 频谱复杂， 因此须配置滤波和无功补偿设备。受电网频率和变流电路脉波数的限制， 输出频率较低， 其最高输出频率不超过电网频率的1/3到1/2，所以只能用于低转速的交流调速系统， 相对于交—直—交变压变频器， 其应用场合受到限制。
二、变压变频器运行时对变频电机工作的影响
在变频电机调速控制系统中， 采用电力电子变压变频器作为供电电源， 供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量， 对外表现为非正弦性， 谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上， 不同振幅和频率的电流和磁通谐波将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。这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。同时， 这些损耗绝大部分转变成热能， 引起电机附加发热， 导致变频电机温升的增加。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， 其温升一般要增加10% ～ 20 %。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩， 恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略， 振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动， 从而造成电机转速 （主要是低速时 ） 的振荡，甚至引起系统的不稳定。谐波电流还增加了电机峰值电流， 在一定的换流能力下， 谐波电流降低了逆变器的负载能力。
三、变频电机设计特点
对普通电动机来说， 在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、起动性能、额定点的效率和功率因数。而对于变频电机， 其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性， 如何从调速系统的总体性能指标出发， 求得电机与逆变器的最佳配合， 是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论， 供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题， 设计中参数的选取应做特别的考虑。与传统异步电机相比， 一般变频电机设计有如下一些特点：
（ 1）电机的额定值、电压、频率及效率值的选定， 应从系统最优的原则来确定， 不受工频电网的限制；
（ 2）变频电机可以通过变压变频的方式使电机在恒定转矩下升速，不会出现高转差频率的运行，因此电机不必具有工频起动性能， 设计中不受起动性能限制，电机槽形的选择不再受起动转矩的影响，而是变为主要基于漏抗的考虑；
四、电磁设计
普通异步电机，电磁计算仅对其额定工作状态进行即可。而变频电机在恒功率条件下，具有广泛的调速范圍，在电机设计时，既要考虑低速额定转矩下的性能参数，又要考虑高速恒功率下的参数。
定子槽形一般设计成深而窄形状可以增加漏电抗，并且可以在定子槽开口处设置冷却风沟，冷却空气经槽楔上部通道流通，可增加散热效果。定子绕组采用短矩和分布绕组，绕组节距一般取，能削弱5次与7次相带谐波磁动势，减小基波和谐波铜损耗在工频正弦供电下，定子集肤效应影响很小，可以忽略不计，但在逆变器供电条件下，电源中含有的谐波频率可达2000Hz甚至更高，由谐波引起的集肤效应影响不可忽略，绕组采用扁平导体平放布置，并用多根互相绝缘的导体并联，以尽可能减小集肤效应。
由于在变频电机正常运行区，高次时间谐波引起的转子转差率接近于1，因此转子导体在时间谐波频率下的集肤效应非常显著。转子电阻由于集肤效应一般有明显的增大，高次谐波铜耗也增大，转子漏电抗则有明显的减少。异步电机磁化电流标么值为
式中，KH—饱和系数；
—气隙长度；
—极距；
—极对数；
—定子外径。
从式 （3）可见， 欲减小磁化电流，可以通过降低磁路饱和度、减少极数、减小气隙长度、增加每槽导体数增大，放长等来达到。
变频电机的主磁路一般设计成不饱和状态。一是考虑高次谐波会加深磁路饱和；二是磁路饱和会引起定子绕组的漏抗变化，同时转子导体的集肤效应会越强，转子电阻就越大，转子漏抗越小。 为了取得较小励磁电流，气隙应小，但气隙太小会带来振动与噪声增加，谐波转矩与附加损耗增加等不良因素，应综合考虑电磁性能、结构要求和生产工艺， 选取所允许的较小气隙。即要综合考虑：
（1）空载电流和额定负载时的值
（2）气隙中允许的漏磁程度
（3）机械因素 （转子原始偏心距、轴承磨损程度、单边磁拉力和轴的挠度等）。
中小型异步电动机的气隙一般为0.2～1.5m，但从减少磁场脉振所引起的附加损耗及因高次谐波磁场所引起的漏磁方面考虑，气隙稍大比较有利。故变频电机气隙一般比普通电机稍大，通常为同样大小的普通异步电动机的两倍。
五、绝缘设计
电机运行于逆变电源供电环境， 其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。承受电压是运行电压和逆变器换向时产生的尖峰电压的叠加值。这种峰值电压数值较高，能使电机绝缘加速老化及产生电晕。强电晕现象带来的电化腐蚀随电机运行一直危害着绝缘系统的可靠性。与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80 %过电压幅值， 绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压 10倍以上。这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿， 特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。二是电压（形状、极性、电压幅值）在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：
（ 1）良好的耐冲击电压性能；
（ 2）良好的耐局部放电性能；
（ 3）良好的耐热、耐老化性能
因此，变频电机均采用耐电晕绝缘系统。设计绝缘结构时，必须选用耐电晕的电磁线、绝缘漆和其它绝缘材料，采用真空压力浸渍工艺，形成无气隙绝缘，绝缘等级一般为 H 级或更高。在材料的选用上，以耐电晕聚酰亚胺薄膜形成绝缘结构的主体材料，主绝缘为CR云母复合带与CR聚酰亚胺薄膜，匝间绝缘为FCR聚酰亚胺薄膜，浸渍漆为無溶剂硅有机树脂漆。功率在 300kw 以下的变频电机，电磁线一般使用圆漆包线， 300kw以上的变频电机采用整嵌绕组，电磁线均采用聚酰亚胺薄膜绕包烧结导线。
六、轴承绝缘设计
变频电机是三相负载，个别相经电动机的杂散电容与地耦合。杂散电容虽然小，但为逆变器输出电压高产生的瞬态电流对地提供低阻抗路径。杂散电容之一就是电动机的轴承，润滑剂的薄膜构成电介质。由于电力电子逆变器工作时，电机磁路不对称产生环形磁通而感应交流电压、转轴上静电聚集产生电压以及变频器三相输出电压瞬时值不为零，导致中性点不为零， 从而产生共模电压等因素合成产生轴到地电压，其中共模电压是造成轴电压和轴承与泄漏电流的主要原因。
七、结构设计
由于采用逆变器供电后，电机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用逆变器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁起动和制动创造了条件， 因而电机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下， 给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化等问题。在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响， 一般应注意以下问题：
（ 1）普通电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得更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电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。电压源变频器脉冲频率低于3kHz时，可能接近中大型电动机铁心和结构固有频率。对中心高大于315mm的2、4极电机振动模态r = 0和r =2的谐振频率将低于2.5kHz。而对较小电机，变频器频率增加到4kHz或5kHz以上都有可能发生谐振。对电机的振动、噪声问题，在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度， 尽力提高其固有频率， 以避开与各次力波产生共振现象；
（2）电机冷却方式： 变频电机在恒功率条件下调速范围宽， 若采用轴流风扇实现自通风式冷却，在转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。因此，变频电机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，使其在低速时保持足够的散热风量；
（ 3）对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高；
（4）变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承；
（5）对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度；
（6）为配合变频调速系统进行转速闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器；
参考文献：
[1]ANDRZEJM.TRZYNADLOWSKI著.李鹤轩李扬译.异步电动机的控制.北京： 机械工业出版社， 2003.
[2]陈伯时，陈敏逊著.交流调速系统（第2版）.北京： 机械工业出版社， 2005.
【关键词】 变频电机；设计；交流调速系统；变压变频器；谐波
由于交流电动机的电磁转矩难以象直流电动机那样通过电枢电流进行灵活的控制， 交流调速系统的控制性能也赶不上直流调速系统。直到20世纪 70年代初， 大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用， 特别是发明了矢量控制技术， 通过坐标变换， 把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量， 用来分别控制电动机的转矩和磁通， 使得交流传动也能具备宽的调速范围、高的调速性能、快的动态响应性能及在Ⅳ象限运行等良好的技术性能， 可以获得和直流电动机相仿的高动态性能， 才使交流电动机的调速技术取得了突破性的进展。
因普通电动机都是按恒频恒压设计的， 对于交流调速系统， 系统调节对象——三相鼠笼异步电动机， 若采用常规设计的产品， 不可能完全适应变频调速的要求。这无疑会影响系统的换流性能及动态指标， 限制了电机的调速范围和过载能力，并使整个系统的调节性能不能趋于一致， 最终将导致机组容量的增加和经济指标的降低。所以，有必要根据交流调速系统的特点及逆变器性能的要求， 从系统的角度对变频电机的设计和研制进行必要的技术探讨。
一、静止式变压变频器的主要类型
从整体结构上看， 静止式电力电子变压变频器 （ VVVF装置 ）可分为交—交和交—直—交变压变频器两大类。交—交变压变频器主要应用于大功率交流电机调速系统， 由于省去了中间直流环节， 只用一次变流， 效率较高， 可方便地实现Ⅳ象限工作， 低频输出波形接近正弦波， 但接线复杂， 所用器件数量多， 总体设备相当庞大。功率因数较低， 谐波电流含量大， 频谱复杂， 因此须配置滤波和无功补偿设备。受电网频率和变流电路脉波数的限制， 输出频率较低， 其最高输出频率不超过电网频率的1/3到1/2，所以只能用于低转速的交流调速系统， 相对于交—直—交变压变频器， 其应用场合受到限制。
二、变压变频器运行时对变频电机工作的影响
在变频电机调速控制系统中， 采用电力电子变压变频器作为供电电源， 供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量， 对外表现为非正弦性， 谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上， 不同振幅和频率的电流和磁通谐波将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。这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。同时， 这些损耗绝大部分转变成热能， 引起电机附加发热， 导致变频电机温升的增加。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， 其温升一般要增加10% ～ 20 %。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩， 恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略， 振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动， 从而造成电机转速 （主要是低速时 ） 的振荡，甚至引起系统的不稳定。谐波电流还增加了电机峰值电流， 在一定的换流能力下， 谐波电流降低了逆变器的负载能力。
三、变频电机设计特点
对普通电动机来说， 在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、起动性能、额定点的效率和功率因数。而对于变频电机， 其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性， 如何从调速系统的总体性能指标出发， 求得电机与逆变器的最佳配合， 是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论， 供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题， 设计中参数的选取应做特别的考虑。与传统异步电机相比， 一般变频电机设计有如下一些特点：
（ 1）电机的额定值、电压、频率及效率值的选定， 应从系统最优的原则来确定， 不受工频电网的限制；
（ 2）变频电机可以通过变压变频的方式使电机在恒定转矩下升速，不会出现高转差频率的运行，因此电机不必具有工频起动性能， 设计中不受起动性能限制，电机槽形的选择不再受起动转矩的影响，而是变为主要基于漏抗的考虑；
四、电磁设计
普通异步电机，电磁计算仅对其额定工作状态进行即可。而变频电机在恒功率条件下，具有广泛的调速范圍，在电机设计时，既要考虑低速额定转矩下的性能参数，又要考虑高速恒功率下的参数。
定子槽形一般设计成深而窄形状可以增加漏电抗，并且可以在定子槽开口处设置冷却风沟，冷却空气经槽楔上部通道流通，可增加散热效果。定子绕组采用短矩和分布绕组，绕组节距一般取，能削弱5次与7次相带谐波磁动势，减小基波和谐波铜损耗在工频正弦供电下，定子集肤效应影响很小，可以忽略不计，但在逆变器供电条件下，电源中含有的谐波频率可达2000Hz甚至更高，由谐波引起的集肤效应影响不可忽略，绕组采用扁平导体平放布置，并用多根互相绝缘的导体并联，以尽可能减小集肤效应。
由于在变频电机正常运行区，高次时间谐波引起的转子转差率接近于1，因此转子导体在时间谐波频率下的集肤效应非常显著。转子电阻由于集肤效应一般有明显的增大，高次谐波铜耗也增大，转子漏电抗则有明显的减少。异步电机磁化电流标么值为
式中，KH—饱和系数；
—气隙长度；
—极距；
—极对数；
—定子外径。
从式 （3）可见， 欲减小磁化电流，可以通过降低磁路饱和度、减少极数、减小气隙长度、增加每槽导体数增大，放长等来达到。
变频电机的主磁路一般设计成不饱和状态。一是考虑高次谐波会加深磁路饱和；二是磁路饱和会引起定子绕组的漏抗变化，同时转子导体的集肤效应会越强，转子电阻就越大，转子漏抗越小。 为了取得较小励磁电流，气隙应小，但气隙太小会带来振动与噪声增加，谐波转矩与附加损耗增加等不良因素，应综合考虑电磁性能、结构要求和生产工艺， 选取所允许的较小气隙。即要综合考虑：
（1）空载电流和额定负载时的值
（2）气隙中允许的漏磁程度
（3）机械因素 （转子原始偏心距、轴承磨损程度、单边磁拉力和轴的挠度等）。
中小型异步电动机的气隙一般为0.2～1.5m，但从减少磁场脉振所引起的附加损耗及因高次谐波磁场所引起的漏磁方面考虑，气隙稍大比较有利。故变频电机气隙一般比普通电机稍大，通常为同样大小的普通异步电动机的两倍。
五、绝缘设计
电机运行于逆变电源供电环境， 其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。承受电压是运行电压和逆变器换向时产生的尖峰电压的叠加值。这种峰值电压数值较高，能使电机绝缘加速老化及产生电晕。强电晕现象带来的电化腐蚀随电机运行一直危害着绝缘系统的可靠性。与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80 %过电压幅值， 绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压 10倍以上。这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿， 特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。二是电压（形状、极性、电压幅值）在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：
（ 1）良好的耐冲击电压性能；
（ 2）良好的耐局部放电性能；
（ 3）良好的耐热、耐老化性能
因此，变频电机均采用耐电晕绝缘系统。设计绝缘结构时，必须选用耐电晕的电磁线、绝缘漆和其它绝缘材料，采用真空压力浸渍工艺，形成无气隙绝缘，绝缘等级一般为 H 级或更高。在材料的选用上，以耐电晕聚酰亚胺薄膜形成绝缘结构的主体材料，主绝缘为CR云母复合带与CR聚酰亚胺薄膜，匝间绝缘为FCR聚酰亚胺薄膜，浸渍漆为無溶剂硅有机树脂漆。功率在 300kw 以下的变频电机，电磁线一般使用圆漆包线， 300kw以上的变频电机采用整嵌绕组，电磁线均采用聚酰亚胺薄膜绕包烧结导线。
六、轴承绝缘设计
变频电机是三相负载，个别相经电动机的杂散电容与地耦合。杂散电容虽然小，但为逆变器输出电压高产生的瞬态电流对地提供低阻抗路径。杂散电容之一就是电动机的轴承，润滑剂的薄膜构成电介质。由于电力电子逆变器工作时，电机磁路不对称产生环形磁通而感应交流电压、转轴上静电聚集产生电压以及变频器三相输出电压瞬时值不为零，导致中性点不为零， 从而产生共模电压等因素合成产生轴到地电压，其中共模电压是造成轴电压和轴承与泄漏电流的主要原因。
七、结构设计
由于采用逆变器供电后，电机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用逆变器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁起动和制动创造了条件， 因而电机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下， 给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化等问题。在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响， 一般应注意以下问题：
（ 1）普通电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得更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电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。电压源变频器脉冲频率低于3kHz时，可能接近中大型电动机铁心和结构固有频率。对中心高大于315mm的2、4极电机振动模态r = 0和r =2的谐振频率将低于2.5kHz。而对较小电机，变频器频率增加到4kHz或5kHz以上都有可能发生谐振。对电机的振动、噪声问题，在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度， 尽力提高其固有频率， 以避开与各次力波产生共振现象；
（2）电机冷却方式： 变频电机在恒功率条件下调速范围宽， 若采用轴流风扇实现自通风式冷却，在转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。因此，变频电机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，使其在低速时保持足够的散热风量；
（ 3）对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高；
（4）变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承；
（5）对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度；
（6）为配合变频调速系统进行转速闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器；
参考文献：
[1]ANDRZEJM.TRZYNADLOWSKI著.李鹤轩李扬译.异步电动机的控制.北京： 机械工业出版社， 2003.
[2]陈伯时，陈敏逊著.交流调速系统（第2版）.北京： 机械工业出版社， 2005.