上海南洋電機廠（20004 0）張加林姚秋亮相異步電動機的特點、設(shè)計方法和措施。介紹了上海南洋電機廠YTSZ系列冶金及起重用變頻調(diào)速三相異步電動機研制情況。

　　敘詞異步電動機冶金起重變頻調(diào)速設(shè)計措施1刖言隨著電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。九十年代初，上海南洋電機廠根據(jù)市場需求信息開發(fā)了YTSP系列變頻調(diào)速電機。該電機以優(yōu)良的調(diào)速性能、較寬的調(diào)速范圍等得到各行各業(yè)認同。其中，有相當一部分用戶，特別是起重行業(yè)用戶，比較為關(guān)心的是YTSP系列變頻電機采用S3工作制時的輸出功率能夠提高多少，低頻起動轉(zhuǎn)矩、低頻起動電流是多少等等。為此，上海南洋電機廠走訪部分用戶，仔細了解起重設(shè)備工況，分析了YZ系列冶金及起重用三相異步電動機特點。在做好技術(shù)準備工作的基礎(chǔ)上，1998年開發(fā)了YTSZ系列冶金及起重用變頻電機，現(xiàn)就這種類型變頻電機特點和設(shè)計方法作一介紹。

　　2電機特點YTSZ系列變頻電機開發(fā)原則：滿足冶金和起重行業(yè)對變頻電機的要求，保留YTSP系列變頻電機調(diào)速性能好和使用可靠性高的優(yōu)點。因此，該系列變頻電機必須具有如下特點：電機基準工作制采用S3-40%斷續(xù)周期工作制；電機具有較大過載能力電機能在1Hz低頻下起動，起動轉(zhuǎn)矩可達1.5倍額定轉(zhuǎn)矩；電機具有較寬調(diào)速范圍；調(diào)頻范圍與YTSP系列一致；電機能適應(yīng)頻繁起制動、正反轉(zhuǎn)工況電機結(jié)構(gòu)具有較高機械強度，能承受沖擊和振動；電機能適應(yīng)高溫、日曬、雨淋、粉塵較多場合。

　　3設(shè)計方法及措施我們知道一般鼠籠電機設(shè)計是以50Hz電網(wǎng)電源供電為目標，重點考慮的是50Hz時力能及起動性能指標。而YTSZ系列變頻電機，因采用變頻器供電，在設(shè)計時，需要考慮電機在非正弦波電源供電下的適應(yīng)性，電機的使用可靠性，電機的過載能力，低頻起動性能，調(diào)速性能，絕緣處理等。下面主要圍繞這幾個方面談一談設(shè)計方法及措施。

　　變頻電機過載能力大小，高頻調(diào)速性能與電機比較大轉(zhuǎn)矩有關(guān)。從電機學(xué)中知道，電機比較大轉(zhuǎn)矩計算公式為：P?電機極數(shù)山一定子繞組上外施電壓fi一定子頻率一定子繞組電阻X1?定子繞組漏電抗X2?折算至定子邊轉(zhuǎn)子繞組漏電抗Xm一激磁電抗從上可知，電機比較大轉(zhuǎn)矩與定子繞組上外施電壓平方成正比，與定子頻率及電機漏電抗成反比。

　　電機的過載能力大小反映了電機比較大轉(zhuǎn)矩輸出能力，即只有電機比較大轉(zhuǎn)矩大，才能保證電機過載能力大。針對冶金和起重行業(yè)均要求電機過載能力大的特點，YTSZ系列變頻電機要求在50Hz額定點過載能力必須達到2倍額定轉(zhuǎn)矩，歷當變頻電機以恒磁通調(diào)節(jié)方式至低頻時，由于電壓補償起作用，比較大轉(zhuǎn)矩得以提高，能夠保證低頻恒轉(zhuǎn)矩運行。當變頻電機以恒功率調(diào)節(jié)方式至高頻時，由于變頻器輸出電壓受電網(wǎng)電壓的限制不能提高，只能保持額定電壓，而電機漏電抗隨頻率升高而大，電機的比較大轉(zhuǎn)矩快速下降。從電機穩(wěn)定運行角度看，穩(wěn)定工作點滑差S要求在Sm（Sm為比較大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)滑差）之間，但工作點滑差S不能接近Sm點，因為如果負載有波動的話，很容易造成電機不穩(wěn)定運行。因此，在比較尚頻率運行時，一般要求電機的比較大轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩之比必須大于1.4倍。

　　綜上所述，對YTSZ系列變頻電機，既要保證50Hz額定點2倍過轉(zhuǎn)矩能力，又要保證變頻電機在高頻率點穩(wěn)定工作。在設(shè)計中，必須將額定點的比較大轉(zhuǎn)矩計算值控制在3倍以上和比較高頻率點的比較大轉(zhuǎn)矩計算值控制在1. 5倍以上。這樣可以保證YTSZ系列變頻電機在開環(huán)U/f控制下，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍可達到350Hz.恒功率調(diào)速范圍可達到50100Hz.提高比較大轉(zhuǎn)矩主要方法有：提高磁負荷；降低定子繞組電阻；降低電機漏電抗。

　　冶金和起重行業(yè)用戶對變頻電機低頻起動性能十分關(guān)心，希望變頻電機在低頻起動時，起動轉(zhuǎn)矩大和起動電流小，因為起動電流大小涉及到變頻器容量的選擇。因此，低頻起動性能是YTSZ系列變頻電機重要指標之一。在經(jīng)過多次低頻起動性能試驗后，提出了YTSZ系列變頻電機在1Hz低頻下起動轉(zhuǎn)矩要求達到1. 5倍額定轉(zhuǎn)矩，而此時-起動電流限制在2倍以內(nèi)。從電機學(xué)中知道，適當提高轉(zhuǎn)子電阻值可提高起動轉(zhuǎn)矩和降低起動電流。在設(shè)計中，采取主要措施是轉(zhuǎn)子鑄鋁材料采用電阻率較高的鋁合金材料。

　　采用變頻器供電后，因起動電流倍數(shù)大大減少，可忽略起動電流引起溫升。與具有相同主要尺寸具連續(xù)工作制YTSP系列變頻電機相比，其輸出功率可按等效電流法或其他折算法進行折算。根據(jù)這一思路，結(jié)合電機過載能力，在確定YTSZ系列變頻電機輸出功率時，將部分機座號比較大的電機輸出功率等級按硬性功率等級提高一級，見表1（表中各機座號選一個規(guī)格作代表）。其他工作制時輸出功率可以按基準工作制輸出功率進行換算。由于提高了電機輸出功率，為了不減小電機的過載倍數(shù)，在電磁設(shè)計中，仍將提高電機比較大轉(zhuǎn)矩為目標，提高過載能力。

　　表1 YTSP系列與YTSZ系列部分機座號輸出功率對照表輸出功率kW YTSP系列YTSZ系列諧波主要給變頻電機帶來2個影響，即損耗和諧波轉(zhuǎn)矩。對YTSZ系列變頻電機的損耗加較多部分，主要是轉(zhuǎn)子銅耗。這是因為YTSZ系列轉(zhuǎn)子鑄鋁材料采用電阻率較高的鋁合金材料，其本身電阻就較大，鑄鋁轉(zhuǎn)子導(dǎo)條交流電阻在諧波頻率作用下，由于集膚效應(yīng)會明顯大，電阻的加使銅耗也加。另外，電機輸出功率的提高，也是電機的銅耗大的另一個原因。因此，YTSZ系列變頻電機總的損耗將比其他電機來得大。為保證變頻電機輸出額定功率，設(shè)計中必須采取的措施有：降低對電機影響較大的低次諧波；導(dǎo)磁材料采用損耗較低而導(dǎo)磁性能良好的硅鋼板；加強電機的通風(fēng)冷卻效果。諧波給變頻電機帶來的另一個主要影響是諧波轉(zhuǎn)矩。諧波轉(zhuǎn)矩將造成變頻電機在低頻運行時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。要避免低頻轉(zhuǎn)矩脈動，設(shè)計上除采取降低低次諧波的影響外，適當提高電機漏電抗可以降低諧波轉(zhuǎn)矩，但會給變頻電機其他性能帶來影響，這就需要在電機設(shè)計中作全面考慮。

　　變頻電機絕緣處理是一項關(guān)鍵工藝，絕緣處理得好與壞，直接影響電機使用壽命和可靠性。YTSZ系列變頻電機采用F級絕緣。其主要原因有2個：第一，變頻器輸出電壓帶有較大諧波成分，這些諧波成分將使電機損耗加，電機溫升升高其次，變頻電機一般均要求在較大的頻率范圍內(nèi)運行，在高頻運行時，由于定子頻率加，電機溫升明顯上升。此外，在變頻電機的絕緣處理中，匝間絕緣處理及對地絕緣處理也是非常重要的環(huán)節(jié)。一般在使用變頻電機時，在變頻器和變頻電機之間采用電纜連接，由于電纜波阻抗與電機定子繞組波阻抗不匹配，在定子繞組端產(chǎn)生一個反射波電壓，這電壓有可能達到損壞定子繞組程度。

　　再有目前使用IGBT功率元件變頻器用戶較多，當IGBT功率元件開關(guān)頻率很高時，會給電機定子繞組帶來電壓不均勻分布問題。使定子繞組尤其是開始幾匝繞組受到電壓沖擊。另外，變頻電機中諧波磁勢在定子繞組中產(chǎn)生脈動磁勢，也容易損壞繞組對地絕緣。YTSZ系列電機的絕緣處理，考慮了這幾方面的影響，并有針對性地采取了一些措施，取得了良好的效果。該絕緣結(jié)構(gòu)己取得了美國保險商實驗室（UL）及加拿大標準學(xué)會（CSA）的產(chǎn)品安全認可。

　　針對冶金和起重行業(yè)使用環(huán)境，YTSZ系列變頻電機在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取的主要措施有電機主要結(jié)構(gòu)件采用高強度材料，如采用的鑄鐵材料其機械強度不低于HT200；轉(zhuǎn)軸材料采用合金鋼并作調(diào)質(zhì)處理。電機內(nèi)部零部件之間的公差配合要求較高，特別是鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸的公差配合。對轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速、軸伸強度等均作校核計算。

　　IMB5、IMV1.電機出線盒的位置可以在右邊或左邊，也可以在電機的上邊。變頻電機防護等級可根據(jù)用戶需要制成IP54、IP55，對個別用戶要求防護等級達到IP56，也可以作特殊設(shè)計。另外，變頻電機還可以根據(jù)用戶需要加裝制動器、編碼器、加熱器等附件。電機冷卻方式一般米用軸流式冷卻風(fēng)機。如果所帶附件較多或較長則使軸流式冷卻風(fēng)機冷卻效果變差，這時宜采用其他結(jié)構(gòu)冷卻風(fēng)機，如背包式冷卻風(fēng)機或騎式風(fēng)機等。在調(diào)速范圍不寬的場合，還可選擇同軸風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。

　　4研制情況TSZ系列變頻電機中心高從90mm335mm，功率從1.lkW315kW，極數(shù)有4、6、8、10極（10極權(quán)限于315、355機座號）。從試制情況來看，電機低頻起動性能和比較大轉(zhuǎn)矩（見表2）均達到預(yù)期要求。另外，在試制過程中，還對變頻電機分別做了不同工作制的溫升對比工作。YTSZ系列變頻電機自開發(fā)以來，己得到冶金和起重行業(yè)的歡迎，特別是起重設(shè)備制造行業(yè)。目前YTSZ系變頻電機己批量生產(chǎn)，并在多項重點工程項目中得到應(yīng)用，遠銷國外。

　　表2YTSZ系列變頻電機的主要性能型號主要性能1Hz起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1Hz起動轉(zhuǎn)矩1.5倍時起動電流倍數(shù)50Hz比較大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)第一作者張加林男40歲工程師曾榮獲1999年中國船舶工業(yè)總公司科技進步三等獎，1998年上海市標準化科技成果二等獎。