[科普中国]-调速电动机

变频调速电机简称变频电机，是变频器驱动的电动机的统称。人们对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓朴结构以及控制算法上，取得了较大的进展，使电动传动的动态性能和调速精度大大提高。各种交流变频调速电动机系统被广泛用于数控机床、工业机器人、各种自动机械设备、纺织、印刷、轻工系统的各种柔性生产线、轧钢、矿山、机车拖动、航空航天、船舶等领域。

简介所谓变频调速电动机主要是指适应于在变频器供电下的高效电动机。电机可以在变频器的驱动下实现不同的转速与扭矩，以适应负载的需求变化。变频电动机由传统的鼠笼式电动机发展而来，把传统的电机风机改为独立出来的风机，并且提高了电机绕组的绝缘性能。

随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用也日益广泛起来，可以这样说由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性，凡是用到变频器的地方我们都不难看到变频电机的身影。

工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。1

种类为适应变频调速系统的需要，新颖电动机不断涌现，其主要特点是：摆脱常规旋转磁场的概念，而利用电动机结构与控制相结合产生磁场形变的机理来驱动转子旋转。

其中一种典型的新颖交流电动机为同步磁阻永磁电动机，该电动机定子与同步电动机相同，转子则是由多层迭片轴向相叠而成，该电动机综合了同步磁阻和同步永磁电动机的特点，展现了一种全新的电动机设计和运行概念，具有高功率密度、宽调速范围、高效率、高功率因素及体积小、重量轻等显著优点，特别适用于作机车、飞机、船艇、矿井开采等方面的动力电动机。

另一种适合于变频调速的电动机为双馈电动机。它实际上是异步电动机的一种变异，分鼠笼式和绕线式两种。从基于控制角度来看，可以将前者视作为单馈电动机，因为它仅仅在定子上有一个与外部联接的绕组；而绕线式异步电动机则可看作为双馈电动机，因为有两套绕组与外部相联。与单馈异步电动机相比，双馈电动机有下列优点：·

（1）容易对转矩和速度进行控制；

（2）在工作为恒频变速状态；

（3）变换器的总额定功率可以降低，从而减小其尺寸。2

结构特点B级温升设计，F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及采用特殊的绝缘结构，使电气绕组采用绝缘耐压及机械强度有很大提高，足以胜任马达之高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘之破坏。平衡质量高，震动等级为R级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专用高精度进口轴承，可以高速运转。强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静音、高寿命，强劲风力。保障马达在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或低速长期运行。经AMCAD软件设计的YP系列电机，与传统变频电机相比较，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特殊的磁场设计，进一步抑制高次谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。具有宽范围恒转矩与功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动。与各类变频器均具有良好的参数匹配，配合矢量控制，可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制。YP系列变频专用电机可配制刹车器，编码器供货，这样即可获得精准停车，和通过转速闭环控制实现高精度速度控制。采用“微电机+变频专用电机+编码器+变频器”实现超低速无级调速的精准控制。

区别前应用于电动机传动系统的电动 机主要是异步电动机、同步电动机、永磁 电动机和直流电动机，显然，异步电动机 是产量和用量最大的电动机。变频调速 电动机主要指的是异步电动机。国内外兴起的“电力电子逆变器供电下的高效异步电动机”就是为充分利用逆变器的变频变压供电条件，挖掘电动机本身潜力，提高电动机性能，降低其制造和运行费用而设计开发的。它与传统异步电动机设计相比有很大的不同，主要为以下三个方面：

（1）由于电源频率不同，则电动机机械特性可以随之平移。这样可直接利用其最大转矩作为起动转矩，不必利用集肤 效应来提高起动力矩，从而转子可以优 化设计以提高电动机稳定运行性能。

（2）由于逆变器能够平滑变频变压，从 而可以将异步电动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 因数。这样在保证出力不变的情况下，减小电动机尺寸，减轻其重量和降低成本。

（3）由于逆变器供电下的异步电动机 大多不是长期工作在一定额定状况下， 而是处于不断变化之中，因此其温升极 限得以提高，从而可以增加电流设计密 度，进一步减小电动机尺寸和重量。2

普通电机是根据市电的频率和相应的功率设计的，只有在额定的情况下才能稳定运行。变频电机要克服低频时的过热与振动，所以变频电机在设计上要比普通电机性能有所提高：

（1）电动机的效率和温升在变频驱动下，变频电动机效率会高10%左右，而温升会小20%左右，尤其是在矢量控制或者直接转矩控制的低频区域；

（2）电动机的绝缘强度问题。由于变频电动机专为变频器驱动设计，所以能承受较大的du/dt，所以变频电动机的绝缘强度要高。尤其是在DTC控制模式下，对电动机的绝缘强度是个很大的考验；

（3）在电磁噪声和振动方面，变频电动机在变频驱动时较普通电动机有更低的噪音和更小的电磁振动；

（4）变频电动机对于需要频繁启动、频繁调速、频繁制动的场合，要优于普通电动机；

（5）最最主要的区别，还是变频电动机有额外的散热，在低频、直流制动和一些特殊应用场合下的散热要大大的优于普通的交流异步电动机。

内涵与外延变频调速电动机实际上是一个系统问题，它必须将电动机与电力电子变频器及其控制方法一并考虑。它的内涵和外延包括有：

（1）电动机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；·

（2）电动机运行在追求高效率的同时，必须考虑高功率因素；·

（3）电动机的内部空问磁场分布应与电流时问波形有一个适当的匹配以减小谐波分量；·

（4）电动机设计必须与电动机控制方法和变频器特性相匹配，电动机只是传动系统里的一个部件；·

（5）变频调速电动机系统具有高可靠性和高容错能力，具有高智能。3

优化设计电磁特性改进（1）降低定子电阻，提高转子电阻。此外变频电机采用较大的转子电阻不但可以减少由基波和高次谐波所产生的转子铝耗，也可在一定程度上抑制低速时的转矩脉动。

（2）一般市售通用变频器以电压型居多，为抑制电流中的高次谐波，需要适当增加电机的电感量。但由于电机转子槽有漏抗较大的槽形，集肤效应也大，故高次谐波铜耗也增大。因此，电机漏电感的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

（3）变频调速异步电动机的主磁路设计一般均不十分饱和。这一方面是考虑到电源中的高次谐波会加深磁路饱和，另一方面也考虑到低频时为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

结构改进由于电源的非正弦波特性对变频电动机的绝缘结构震动、噪音、冷却方式等多有影响。因此，在结构设计中必须考虑：

（1）在把电动机耐热等级提高的基础上，还必须对地绝缘强度和导线匝间绝缘的耐冲击电压能力有充分的考虑；

（2）在震动和噪声的问题上，除了选择合适的定转子槽配合之外，对定转子部件的加工和装配精度也应有较高的要求，以提高气隙均匀度转子的动平衡精度和电磁对称性，对结构件要充分考虑刚性问题。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所