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[摘 要]变频调速正在逐步地成为电气传动的中枢。由于变频电源的特殊性，以及系统对高速或低速运转、转速动态响应等需求，对作为动力主体的电动机，提出了苛刻的要求，如何在保证输出质量的前提下，利用现有技术手段改进工频电机或设计变频电机，以满足各行各业的需求刻不容缓。
[关键词]变频 异步 调速
中图分类号：TM343文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0109-01
前言
异步电机是典型的常规交流电机。自从现代交流变频调速技术发明以来，异步电机驱动技术得到了广泛的研究和发展。但在这些研究中，主要针对变频器拓朴结构及控制算法的研究开发，而在异步电机设计和分析方面却没有明显的改变。目前，我国所用电动机主要为20世纪70年代末设计出来的Y系列异步电机，该电机主要是針对恒频恒压电源设计的。这样的电机在变频器供电下，其效率、功率因数及密度等稳态性都有所下降，且电机绝缘、噪声及其它故障情况也趋于恶化。因此，重新考虑异步电机在变频调速系统中的设计问题势在必行。
1、电机在变频器驱动下的运行条件
在变频器供电方式下，由于市电频率不再固定为50Hz，而是在一定范围内根据负载变化，所以常规异步电机设计和分析方法已经不能与之相适应。在我们进行异步电机设计的时候，基本设计要点是： 1、能保证负载所需的启动特点；2、能保证良好的稳定运行状态；3、作为一台运行设备所必须具备的可靠性、安全性和易维护性。
为了满足启动要求，通常将转子槽设计成深槽或双鼠笼槽，利用其集肤效应增加启动时的转子电阻，从而提高启动转矩。但这样既降低了电机稳定正常运行时的特性，又增加了制造加工的难度。对变频器供电下的异步电机，由于可方便地调频调压，使其机械特性曲线可以有条件的移动。这给电机运行带来新的变化，在变频调速系统中，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电磁回路上的谐波凸起上，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，这些损耗大多转变成热能，引起电机发热，导致变频电机温升的增加，所以对于设计变频电机，必须考虑到这些影响电机运行性能的因素。
2、变频条件下异步电机的设计要点
为充分利用变频器能变频变压的供电条件，挖掘电机本身潜能，提高电机本身性能，改良运行环境，保证轴端输出质量，降低其制造和运行成本，自上世纪90年代以来，逐步发展了在变频器供电下的异步电机设计和分析方法。概括起来有下面几点：
1、由于普通电机在变频条件下运行，电机的电磁、机械和通风等内外因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。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，以避开与各次谐波产生共振现象。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。
2、变频电机一般采用强制风冷，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低频高速时保持足够的散热风量。
3、当电机额定转速超过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。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。另外，可在端环外侧增加一个稳固转轴用的护环（必须是非磁性材料制造），以增加电机整体强度和刚度。
4、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。这虽然可能会导致电机稍微复杂点，但这是为了获得有效闭环控制所必须的，尤其对高精度柔性控制领域。
5、为防止轴电流过大导致轴承及转轴的损害，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。同时考虑到变频电机会经常发生脉冲震荡，这样对轴承也是一种损耗，所以电机在组装后轴承要留有一定轴向和径向的串动量，即选用较大游隙的轴承。
6、 高绝缘性能。由于变频器装置内部末端是逆变器，电机运行于逆变电源供电环境，故其绝缘系统比工频环境下的正弦波电压和电流供电时承受更高的介电强度。所以变频电机在设计时候必须保证有良好的耐冲击电压能力和耐热能力。 通过情况下，变频电机的绝缘等级在H级。
7、变频调速电机应具有高可靠性和高容错能力。
当异步电机在变频条件中工作时，如果一相或两相发生断相故障后，经过变频控制器适当调节和利用电机的优化匹配设计，系统仍能保持正常运行。故障后的缺相运行，其性能指标虽然将有所下降，但仍可达到可接受的运行能力，不至于导致电机突然停转或其他异常。通过计算机辅助设计软件精确采样电机参数，再进行编程使得控制程序和电机完美匹配。如此一来，新的变频异步电机设计在转轴出力不变条件下，其体积减少25%-30%，或者说电机功率密度增加25%-30%。
3、结束语
与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本身和调速系统的设计都密切相关。而变频调速技术现在又运用广泛，在各行各业有不可替代的作用，同时网络控制也初见端倪，这就使得产品设计丰富多样，但也增加了设计难度，只有全面把握整个变频调速系统，充分优化运行环境，才能设计出完美的产品来。
参考文献
[1] 《变频器应用手册》吴忠智，吴加林.机械工业出版社.
[2] 《电机与拖动基础》周立，张龙.中国铁道出版社.
[3] 《适用于变频调速系统的异步电机设计与分析方法的研究》[D] 孟朔.清华大学，2000.
[4] 《交流调速系统》（第2版）. 陈伯时，陈敏逊. 机械工业出版社，2005.
[关键词]变频 异步 调速
中图分类号：TM343文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0109-01
前言
异步电机是典型的常规交流电机。自从现代交流变频调速技术发明以来，异步电机驱动技术得到了广泛的研究和发展。但在这些研究中，主要针对变频器拓朴结构及控制算法的研究开发，而在异步电机设计和分析方面却没有明显的改变。目前，我国所用电动机主要为20世纪70年代末设计出来的Y系列异步电机，该电机主要是針对恒频恒压电源设计的。这样的电机在变频器供电下，其效率、功率因数及密度等稳态性都有所下降，且电机绝缘、噪声及其它故障情况也趋于恶化。因此，重新考虑异步电机在变频调速系统中的设计问题势在必行。
1、电机在变频器驱动下的运行条件
在变频器供电方式下，由于市电频率不再固定为50Hz，而是在一定范围内根据负载变化，所以常规异步电机设计和分析方法已经不能与之相适应。在我们进行异步电机设计的时候，基本设计要点是： 1、能保证负载所需的启动特点；2、能保证良好的稳定运行状态；3、作为一台运行设备所必须具备的可靠性、安全性和易维护性。
为了满足启动要求，通常将转子槽设计成深槽或双鼠笼槽，利用其集肤效应增加启动时的转子电阻，从而提高启动转矩。但这样既降低了电机稳定正常运行时的特性，又增加了制造加工的难度。对变频器供电下的异步电机，由于可方便地调频调压，使其机械特性曲线可以有条件的移动。这给电机运行带来新的变化，在变频调速系统中，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电磁回路上的谐波凸起上，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，这些损耗大多转变成热能，引起电机发热，导致变频电机温升的增加，所以对于设计变频电机，必须考虑到这些影响电机运行性能的因素。
2、变频条件下异步电机的设计要点
为充分利用变频器能变频变压的供电条件，挖掘电机本身潜能，提高电机本身性能，改良运行环境，保证轴端输出质量，降低其制造和运行成本，自上世纪90年代以来，逐步发展了在变频器供电下的异步电机设计和分析方法。概括起来有下面几点：
1、由于普通电机在变频条件下运行，电机的电磁、机械和通风等内外因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。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，以避开与各次谐波产生共振现象。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。
2、变频电机一般采用强制风冷，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低频高速时保持足够的散热风量。
3、当电机额定转速超过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。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。另外，可在端环外侧增加一个稳固转轴用的护环（必须是非磁性材料制造），以增加电机整体强度和刚度。
4、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。这虽然可能会导致电机稍微复杂点，但这是为了获得有效闭环控制所必须的，尤其对高精度柔性控制领域。
5、为防止轴电流过大导致轴承及转轴的损害，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。同时考虑到变频电机会经常发生脉冲震荡，这样对轴承也是一种损耗，所以电机在组装后轴承要留有一定轴向和径向的串动量，即选用较大游隙的轴承。
6、 高绝缘性能。由于变频器装置内部末端是逆变器，电机运行于逆变电源供电环境，故其绝缘系统比工频环境下的正弦波电压和电流供电时承受更高的介电强度。所以变频电机在设计时候必须保证有良好的耐冲击电压能力和耐热能力。 通过情况下，变频电机的绝缘等级在H级。
7、变频调速电机应具有高可靠性和高容错能力。
当异步电机在变频条件中工作时，如果一相或两相发生断相故障后，经过变频控制器适当调节和利用电机的优化匹配设计，系统仍能保持正常运行。故障后的缺相运行，其性能指标虽然将有所下降，但仍可达到可接受的运行能力，不至于导致电机突然停转或其他异常。通过计算机辅助设计软件精确采样电机参数，再进行编程使得控制程序和电机完美匹配。如此一来，新的变频异步电机设计在转轴出力不变条件下，其体积减少25%-30%，或者说电机功率密度增加25%-30%。
3、结束语
与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本身和调速系统的设计都密切相关。而变频调速技术现在又运用广泛，在各行各业有不可替代的作用，同时网络控制也初见端倪，这就使得产品设计丰富多样，但也增加了设计难度，只有全面把握整个变频调速系统，充分优化运行环境，才能设计出完美的产品来。
参考文献
[1] 《变频器应用手册》吴忠智，吴加林.机械工业出版社.
[2] 《电机与拖动基础》周立，张龙.中国铁道出版社.
[3] 《适用于变频调速系统的异步电机设计与分析方法的研究》[D] 孟朔.清华大学，2000.
[4] 《交流调速系统》（第2版）. 陈伯时，陈敏逊. 机械工业出版社，2005.