馬鋼職工大學學報國產(chǎn)變頻調(diào)速異步電機的設計與制造技術蔡志軍陳勁松（馬鋼股份公司高速線材廠安徽馬鞍山243000）前電機制造廠所采用的制造工藝和先進技術進行了介紹。

　　隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，進入八十年代以后，交流調(diào)速傳動控制系統(tǒng)已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟各部門的傳動領域，實踐證明，交流電機在大容量、高轉(zhuǎn)速以及防污染、防爆等方面較直流電機有著極其明顯的優(yōu)勢。

　　交流調(diào)速控制系統(tǒng)中的重要組成部件之一就是交流異步電動機，以往這種變頻調(diào)速電機都是隨傳動系統(tǒng)配套進口，花費國家大量外匯，且造成工程造價居高不下。近幾年，我國電機制造業(yè)通過對國外技術的引進和消化，在變頻調(diào)速電機的設計和制造方面已有突破性進展，目前已經(jīng)開發(fā)出中小型變頻電機（2000kW以下）的系列產(chǎn)品，如：蘭州電機廠與德國SIEMENS公司合作生產(chǎn)的111、118、111、1（38變頻電機和上海電機廠自行開發(fā)研制的￥1'1緊湊型變頻電機。

　　1變頻調(diào)速異步電機的設計特點1.1變頻調(diào)速異步電機的基本要求為了充分利用鐵芯材料，在設計電機時，一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處，因此調(diào)速時希望保持每極磁通m=e，因為磁通增加將引起鐵芯過分飽和、勵磁電流急劇增加，導致繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低；反之如果磁通減少，根據(jù)T=Kmr2CS9將造成電動機的輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導致定轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱。因此很多場合要求調(diào)節(jié)定子頻率的同時，改變定子電壓Ut，當忽略定子漏阻抗壓降時，保持U/f！=const（常數(shù)）就可以維持保持不變。

　　電機的設計與制造綜合考慮的因素很多，其中比較主要的一點就是要分析電機在運行時的機械特性。變頻調(diào)速步電機主要有兩種比較為常用的運行方式，根據(jù)不同運行方式下的機械特性，電機有不同的設計特總4要求。

　　1.2用于節(jié)能工況的異步電機在工礦企業(yè)，過去大量應用所謂轉(zhuǎn)速不變拖動系統(tǒng)，其中有相當一部分是風機、水泵等拖動系統(tǒng)，這類負載約占整個工業(yè)電力拖動總量的一半，在過去采用擋板、閥門來調(diào)節(jié)流量，消耗了大量的電功率，如果改換成交流調(diào)速系統(tǒng)，則可以通過電機速度的調(diào)節(jié)來控制流量，消耗在擋板閥門上的功率就可以節(jié)省下來，據(jù)有關資料介紹一般節(jié)電在20%左右，所以節(jié)能效果非常明顯。

　　從理論上分析，電機參數(shù)存在以下關系：PocrTocrQocn從上面的式子可知，當調(diào)速至額定轉(zhuǎn)速一半50%nN時，功率降至額定功率的（1/2）3 =0.125，所以一般調(diào)速范圍控制在50%~100%nN，由50%nN再往下調(diào)，從節(jié)能的角度來看已無太大意義，因此這類電機的調(diào)速范圍不大，而且轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的下降而減少。在風機水泵這類調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用保持認/=const（常數(shù)）的比例控制方式維持電機磁通基本保持恒定，從機械特性上看，雖然在低頻段定子的漏抗增大造成電機比較大轉(zhuǎn)矩減小，但由于電機負載是流體，所以符合實際調(diào)速使用要求。此時電機電流IocT，從而Iocn2，因此，電流隨電機轉(zhuǎn)速降低是呈平方關系下降，當然，由于電機輸出功率下降時電機功率因數(shù)也在下降，實際定子電流隨轉(zhuǎn)速以1~2次方的關系下降，這樣，在低轉(zhuǎn)速段電機銅耗大大降低，無需考慮冷卻效果變差的影響。在電機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，一般的做法是將電機切換至標準工頻電網(wǎng)，而不由逆變器供電，所以無需考慮額定點附近由于電源諧波引起的附加損耗而導致電機過熱。綜上所述，節(jié)能用途的變頻異步電機的設計按照額定點工況確定電機容量，可不再考慮由于電源諧波引起的溫升上升及轉(zhuǎn)矩能力下降的因素。

　　1.3用于恒轉(zhuǎn)矩及恒功率調(diào)速且要求一定過載能力的變頻調(diào)速電機在冶金企業(yè)軋機用主、輔傳動電機以及起重設備用電機要求電機具有較廣的調(diào)速范圍，既有額定轉(zhuǎn)速以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又有額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率調(diào)速，并且要求在整個調(diào)速范圍內(nèi)具有較大的過載能力。所以調(diào)速時系統(tǒng)中采用恒轉(zhuǎn)矩段保持T< =const的恒磁通控制方式和恒功率段保持P=const而磁通減少的控制方式。

　　用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速工況下的變頻調(diào)速電機Toe廣U/A，由于R/f！恒定，電機銅耗不變，而隨著轉(zhuǎn)速的下降，電機自帶風扇冷卻效果大幅度下降，將導致電機過熱損壞，因此為了保證電機輸出轉(zhuǎn)矩而電機又不損壞，電機設計必須采用外部獨立電源供電的冷卻機構(gòu)。

　　用于軋機傳動的變頻調(diào)速電機要求恒功率調(diào)速時具有恒過載倍數(shù)，這一工況對于調(diào)速異步電機設計來說是一個較為復雜的課題。由于不同于同步電機有定、轉(zhuǎn)子兩個獨立的電氣回路，而異步電機轉(zhuǎn)子僅是一個感應回路，這雖然使異步電機具有了其本身結(jié)溝及外部控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點，但同時也導致了其許多特性僅由其設計參數(shù)而定，而不具有可調(diào)的特點，電機過載能力就是其中一個重要的方面。

　　理論if，基頻以下恒轉(zhuǎn)矩階段，由于恒定不變，而所以比較大轉(zhuǎn)矩不變，這樣電機的過載能力也不變。而在基頻以上恒功率調(diào)速階段，鑒于電動機繞組是按額定電壓等級設計的，超過額定電壓將受到絕緣強度的限制，所以電壓不能與頻率成正比例的升篼，只能保持在額定電壓即：U，=Ue，由式A得知，氣隙磁通將隨f升高而降低。對異步電機而言有以下關系：如果忽略定子阻抗ri則（A/fD2，所以對于額定轉(zhuǎn)矩有：其中，C為常數(shù)，11、111、11及1'1<2、112、12分別為基速和篼速時的額定轉(zhuǎn)矩、電壓、過載倍數(shù)。

　　27t/pn（pn電機極對數(shù)），故在恒功率調(diào)速時TN1 =，所以在=U2情況下，由上式可得出（Xn/XTzf/即電機恒功率段過載倍數(shù)往往造成電機在基速時的過載倍數(shù)有太大的余量，如所示，這勢必造成電機在實際設計時的困難，造成電機的轉(zhuǎn)動慣量較大，體積過大，成本太高。解決這種現(xiàn)象的比較好辦法是使變頻裝置電壓在基速下有一定保留，而在恒功率段電機升速過程中使電壓按一定規(guī)律升到裝置允許的比較高電壓。如所示，在這種情況下，則例如：對于某一線材r的670千瓦6極軋鋼電機，轉(zhuǎn)速282 -59.3Hz，逆變器比較高電壓為690V，由于速比高達59.3/13.3 =4.46，如果要求電機過載能力在全速范圍內(nèi)保持2倍，則基速時電機的過載倍數(shù)將近8.8倍，這對電機設計將是一種極大的浪費，電機設計也增加了難度。而如果假設基速時電壓A=500V，高速時U2 =690V，通過上式計算可得倍，這樣電機的體積可以大大縮小，轉(zhuǎn)動慣量也降低至電機設計范圍。

　　對上述電機在設計時要考慮極數(shù)的選擇問題，工頻電網(wǎng)，電機極數(shù)與轉(zhuǎn)速有一個固定關系，而對變頻電機，fN=50Hz僅僅只是一個點而已。隨著變頻技術的發(fā)展，變頻器（特別是PWM型）在較低頻率段也可保證有較好的輸出波形，所以在許多情況下，我們可以任意選擇電機的極數(shù)，隨機數(shù)改變的僅僅只是變頻裝置輸出頻率范圍的改變，如，對一臺550kW，6極，轉(zhuǎn)速范圍0"900/1500r/min，頻率范圍0"45/75Hz的電機，可以得到下表極數(shù)一頻率的對應表。

　　頻率（Hz轉(zhuǎn)速極數(shù)理論上，設計中我們可以任意選擇極數(shù)，但由于極數(shù)太大時，電機的諧波漏抗將增大，從而導致電機比較大轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)下降，通過計算可以發(fā)現(xiàn)，4極或6極電機較易達到較高的過載能力和較高的功率因數(shù)，同時4極的電機材料消耗較少，考慮這類電機一般通過齒輪箱來進行減速，如果速比可以做的足夠大，電機設計時盡量選擇4極電機。

　　由此可見，在設計這類電機時，電機制造廠應該與變頻器廠家協(xié)商，確定以下參數(shù)：3、在任何轉(zhuǎn)速時變頻器電壓達到的比較大值4、變頻器允許比較大電流1.3.4電機容量確定要確定恒轉(zhuǎn)矩/恒功率、廣調(diào)速、高過載變頻調(diào)速電機的容量，必須確定下列四個負荷點：如所示：其中C中的功率、電壓、轉(zhuǎn)速是電機的基本定額。

　　A點為考慮電機溫升限值及轉(zhuǎn)速電壓提升情況下比較低轉(zhuǎn)速點B點是考慮電機溫升限值情況下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段的比較低轉(zhuǎn)速點C點為恒轉(zhuǎn)矩段上端即基本定額點D點為考慮機械極限的恒功率段比較高轉(zhuǎn)速點由變頻裝置供電的調(diào)速電機，由于變頻器的輸出存在諧波分量，因而在電機轉(zhuǎn)軸的兩端易產(chǎn)生高頻軸電壓，當該電壓達到一定數(shù)值時，將擊穿油膜，在轉(zhuǎn)軸、軸承和底板構(gòu)成的回路內(nèi)引起軸電流，軸電流會造成油膜破壞，使滑動軸承的軸瓦及軸頸上產(chǎn)生電弧灼點，或者使?jié)L動軸承內(nèi)外圈跑道上產(chǎn)生洗衣搓板樣的條形燒傷痕跡，同時還伴有麻點、裂紋等傷痕出現(xiàn)。

　　造成軸電流產(chǎn)生的原因是由于沿鐵芯圓周方向磁阻不均（一般說主要是鐵芯材料方向性引起磁路的磁阻不均或由于諧波造成磁路磁場不平衡），產(chǎn)生與轉(zhuǎn)軸交鏈的磁通而感應出電動勢。所以，在較大容量的變頻調(diào)速電機中都要采用軸承絕緣的設計方式，有時還在電機的軸伸端加裝接地碳刷。

　　2變頻調(diào)速異步電機制造技術發(fā)展對于變頻調(diào)速異步電機，由于運行速度的調(diào)節(jié)范圍很大，所以設計時無法保證機械共振點遠離電機運行速度范圍，在制造中必須提高部件的剛度，使部件具有很高的自然頻率；同時變頻調(diào)速異步電機的發(fā)熱較大，保證較好的散熱效果也是非常必要的，從這二點出發(fā)，采用以前鋼性結(jié)構(gòu)焊接機殼成型方式是不適宜的，必須考慮采用新型制造工藝技術。目前比較成熟的技術是利用高牌號的灰口鑄鐵，采用樹脂砂鑄造工藝，基本消除了普通粘土砂鑄造造成的機殼鑄件粘砂、氣孔等缺陷，電機外型尺寸精度達到±lmm，在電機外部直接鑄成的平行散熱筋，沒有接觸間隙，導熱性能好，有效的散熱面積大幅度增加，輻射散熱能力也大大提高。

　　定子鐵芯和機座之間采用過盈配合，首先可以大大降低了鐵芯與機座之間的間隙傳導熱阻，其次有效固定了定子鐵芯，避免了傳統(tǒng)的定位銷方式可能導致的定子鐵芯移位及松動，同時，由于定子鐵芯與機座之間較大的過盈量，使機座的剛度大大加強，這也有利于抑制變頻調(diào)速異步電機可能出現(xiàn)的機座共振現(xiàn)象。

　　變頻調(diào)速異步電機的轉(zhuǎn)子籠條采用銅條結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子銅耗小，考慮到變頻器的電源諧波分量較大，而且在運行中隨著電機的調(diào)速，電機電流在不斷變化，銅條上的電動力也在不停的波動，容易造成轉(zhuǎn)子籠條在槽內(nèi)松動，所以轉(zhuǎn)子銅條在槽中加裝了O.Zrmi的薄鐵片進行脹緊配合，克服了工作過程中銅條可能產(chǎn)生的松動現(xiàn)象。

　　2.4電機繞組絕緣真空浸漆工藝變頻器的輸出電壓包含有變頻器換流時產(chǎn)生的陡峭沖擊電壓，該沖擊電壓疊加在電機運行電壓上，電機繞組絕緣會出現(xiàn)較高的電壓應力，引起電機匝間絕緣及對地絕緣特別是匝間絕緣的加速損壞，所以變頻調(diào)速異步電機的絕緣都適當加強，其程度視變頻器型式、電壓上升率及沖擊電壓幅值和頻率而定。（下轉(zhuǎn)第24頁）2.4采用軟件補償?shù)囊饬x在數(shù)控系統(tǒng)中采用軟件補償法進行反向間隙補償和螺距累積誤差補償，不僅可補償機床定位誤差，還可以補償工藝系統(tǒng)其它各項誤差。如果定期測定各坐標軸的定位誤差，由計算機將新的誤差曲線存儲起來，還可以在機床壽命期間內(nèi)補償由于磨損等引起的精度損失，進行坐標軸較準。