变频器供电下的异步电机设计及其发展

1 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，该电机主要是针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、功率因数和功率密度等稳态性能都有所下降，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。
    2 变频器供电下的电机运行条件
    在变频器供电方式下，异步电机的运行条件有了一个很大的变化，常规异步电机设计和分析方法已经不能与之相适应。
    常规异步电机设计中，基本设计要点是:
    （1）满足所需要的启动特性;
    （2）具有良好的稳定运行状况;
    （3）制造简便。
    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（如降低了效率和功率因素），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平移。当频率下降时，曲线左移;当频率上升时，曲线右移。这给电机运行带来新的变化，主要体现在以下几个方面:
    1）电源频率变小，电机机械特性可随之左移。这样可利用调频来直接利用其最大转矩作为启动转矩，从而使转子槽型可以在提高稳定运行性能的目标上进行优化设计。
    2）变频器适当地变频变压，从而可将异步电机调节在最佳运行点上，即得到最小滑差、最大效率和高功率因素。这样在保证出力不变的情况下，可用最大效率和高功率因素代替额定效率和额定功率因素，进而减小电机尺寸，减轻其重量和降低成本。
    3）通过变频器的调频调压，可对异步电机进行矢量控制，在保证足够的气隙磁场条件下，可得最小励磁电流，从而同时提高电机的功率因数和效率。
    3 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，降低其制造和运行成本，自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。概括起来有下面五点:
    1）设计应是一个运行区域的最优设计，而不是传统的额定点的设计。
    以往电机设计都是围绕运行额定点来设计，以获取最佳额定运行性能。而对于变频调速电机来说，往往电机是运行在一个区间，所以仅仅具有最佳额定运行性能是不够的，更重要的是在运行区间里有较好的运行性能。
    2）电机设计在追求高效率的同时，必须考虑高功率因素。
    传统电机设计中主要追求高效率，而忽视对高功率因数的追求。
    事实上，在变频调速系统中，功率因数的高低对系统，尤其对变频器的工作状态有很大的影响。低功率因数则需要更大容量的变频器，系统效率降低，谐波分量增加。
    3）电机的内部空间磁场分布应与电流时间波形有一个适当的匹配以减小谐波分量。一般认为，变频器的使用使得电机内部电磁谐波增加，主要是由于变频器开关作用使得电压、电流时间谐波增加。事实上，由于电机内部定转子齿槽分布产生的空间磁场齿谐波在一定条件下可与电流时间谐波相互抵消，因此定转子齿槽数目、槽型及其尺寸大小设计应与减小磁场谐波分量相结合。
    4） 电机定转子槽型优化设计
    由于变频调速电机能够通过变频变压控制来满足对启动性能的要求，这使得传统电机设计中的启动性能设计约束被放宽。在传统的转子槽形设计中，为了满足启动性能，常常通过增大启动时转子挤流效应的办法来增大转子启动电阻，从而增大启动转矩。因此，对启动性能要求高的传统电机转子槽形一般为双鼠笼槽形或深槽形。该槽型增大了漏感和转子电阻，降低了稳定运行时的功率因数和效率。而在变频调速电机设计中，电机转子槽形的选择主要为了满足稳定运行时的效率和功率因数等性能，因此转子的电阻和漏抗都应设计得尽量小。转子槽形可按稳定运行时的最优性能来优化设计。
    5）变频调速电机适当设计可具有高可靠性和高容错能力。
    在变频器供电下的异步电机中，当一相或两相发生故障后，经过控制器适当调节和利用电机的优化设计，系统仍能保持正常运行。故障后的缺相运行，其性能指标将有所下降，但仍可达到可接受的运行能力。特别为使故障后单相正常运行，除用控制器调节电流外，还需配合电机设计参数。正是由于上述新的设计策略，使得新的异步电机设计在出力不变条件下，其体积减少25%-30%，或者说电机功率密度增加25%-30%。另外，在调速范围内，平均运行效率提高3%，平均功率因数提高4%，从而使得异步电机应用范围大大扩展，首先将在应用大户—风机、水泵调速中得到广泛使用。
    4 变频调速电机设计的进一步发展
    近10年来，对变频器供电下的异步电机设计的研究逐步增加，这些研究包括:如何考虑在电力电子控制电源下的电机设计，如何建立电机及系统的高频模型，如何认识电磁空间结构与其控制时间上的互补关系等。1991年，IEEE专门组织调查研究，对用于变频调速的交流电机制定新的工业标准。调查报告指出:在变频调速系统中，因为供电电源
    为非正弦波，所以电机设计中以基波为标准的基本公式应有所改变，主要尺寸的设计公式应考虑谐波的影响。在变频调速电机性能方面，报告认为:在变频器供电条件下，异步电机的电磁负荷分配趋于更合理，异步电机的损耗降低，因此异步电机的功率密度可以设计得较高;变频调速系统中，电机在重量不变的条件下能多输出30%~40%的功率。文献[4<进一步提出了电力电子与电机集成系统的概念，并认为变频器供电下的异步电机设计和分析实际上是一个系统问题，它必须将电机与电力电子变频器及其控制方法一并考虑。其系统主要特征可概括为:集成化，即电力电子、电机及其控制系统高度集成，使得三者从设计、制造、运行都更紧密地融为一体;智能化，即自适应、模糊、神经元网络及基于遗传算法的各种人工智能控制方法大量引入和应用;通用化，即同一系统可以针对不同形式的电机以及不同运行模式而实行不同的控制方式;信息化，即电机系统不但是转换、传送能量的装置，也是传递、交换信息的通道。

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