浅析交流变频调速电机设计

浅析交流变频调速电机设计

摘要:旨在讨论交流变频调速电机在绝缘结构、绕组、槽型等方面的设计,总结出了部分方法,供相关人员参考。

关键词:交流变频调速电机绝缘结构绕组电磁设计

近年,随着微机技术、现代电力电子技术的迅速发展,以及现代控制理论的不断进步,交流变频技术得到了不断的发展与完善,使其在家电、石油、炼钢、造纸等产业领域中得到了越来越广泛的应用。交流变频调速系统的广泛应用,也对与其相配套的交流变频电机的设计和制造提出了更高的要求,从而使其能够更好的符合传动系统的要求。

1、绝缘结构设计

1.1 在变频器供电时绝缘破坏的原因

一般用途的电动机绕组的绝缘耐电压水平是相对正常运行电压而言的。在变频电源的作用下,由脉宽调制(PWM)变频器产生的矩形斩波冲击电压,从而叠加在电动机运行的电压上,出现浪涌电压与电晕现象,有时线圈匝间绝缘所承受的电压要比正常的电压高出数十倍,因此在设计变频电机时,须特别考虑绝缘问题,从而防止绕组产生有害的电晕电压,避免因反复的施加脉冲电压而引起绝缘的老化,影响电机的使用寿命。

1.2 改进措施

(1)变频电机选用耐电晕的专用漆包线与绕包线,选用耐电晕且易被绝缘漆浸透的绝缘材料与低挥发性的聚酯型无溶剂树脂。

(2)为了获得无气隙绝缘,在选用绝缘材料时,应该注意选用易被放到电机绝缘结构中的各个部位,并且能充分的填充到绕组间空隙的绝缘材料。采用真空压力沉浸的工艺,使得浸渍树脂

能够渗透到各个部位。

(3)在使用过程中,如果耐电晕线拉伸或者受力,抗电晕的性能就会大幅下降。所以,对于绑扎、绕线、嵌线等加工工艺,必须进行严加的管理,尤其是在绕线、嵌线过程中要防止损伤到导线。嵌线应要保证层间绝缘、槽绝缘、相间绝缘放到位,线圈的端部应绑扎牢固,从而确保端部成为一个整体。

2、绕组与槽形设计

对于用电压型逆变器供电的电机,为了增加漏电抗,一般情况下,把定子槽形设计成窄而深形,也可将轴向的通沟放在槽口部分从而增加槽深。此外,还可采用磁性槽楔来增加槽的漏抗。相反,对于用电流型逆变器供电的电机,为了减小槽的漏抗,通常采用宽而浅的定子槽,采用开口槽并不采用磁性槽楔。

为了减小基波与谐波电流的铜损耗。无论是用电压型还是用电流型逆变器供电的异步电动机,都希望定绕组的电阻越小越好,并且尽可能的减小定子绕组的集肤效应。如:采用扁平导体进行平放布置,或者采用多根互相绝缘的导体进行并联等。转子槽形的设计情况比较复杂。从提高最大转矩角度出发,无论是用电压型还是用电流型逆变器供电的电机,都希望能够减小基波的漏电抗。对于用电压型逆变器供电的电机来说,减小转子的漏电抗却对限制高次谐波的电流不利。实际上,由于转子导条的尺寸较大,因此对高次谐波频率下的集肤效应影响较大,不管转子基波的漏电抗大小如何,高次谐波的漏电抗总是较小。减小转子基波的漏电抗的方法:在转子齿磁通密度允许的条件下,采用半开口槽,尽可能把转子的槽形设计的浅而宽。若在减小转子基波漏电抗的同时,又要适当的增加谐波的漏电抗,就可采用梯形槽。由于槽口部分的磁导不受集肤效应的影响,适当的增加槽高与减小槽的宽度,对提高转子谐波的漏电抗、抑制高次谐波有明显的作用。

为了避免因扭斜漏磁通而产生谐波损耗,一般情况下,转子不采用斜槽。因为采用变频起动,

可不必担心谐波转矩对起动会产生不利的影响。同时,由于变频调速电机的起动转矩较大,电流却较小,因此不需要采用加大转子电阻的方法限制起动电流与增大起动转矩。相反,为了减小转子基波与谐波电流的铜损耗,应尽可能的减小转子的电阻。因此,在转子齿磁通密度允许条件下,除了尽可能的加大转子导尺寸外,还可选用电阻率较小的导条与端环材料。

3、电磁设计

对于用恒频恒压供电的普通异步电机来说,在电磁设计中,主要考虑的性能参数是过载的能力、起动的性能、效率与功率因数。但在使用变频变压调速的异步电动机中,由于临界转差率与电源频率成反比,因此只要适当选择转子电阻与转子的漏抗就可降低频率,在临界转差率接近于1时就能直接起动。所以,不再需要过多的考虑过载能力与起动特性,而要解决的关键问题是如何改善、提高电动机对非正弦波电源波形的适应能力。因此,应考虑采取:

(1)尽可能的减小定子与转子的电阻。减少定子的电阻既可以降低基波的铜耗,用于弥补高次谐波所引起的铜耗增加,又可以减小在低速时所引起的定子电阻的压降,使得最大转矩有所上升。调频电机需通过采用较大的电阻值来获得足够的起动转矩。所以,降低转子的电阻不仅可以减少由基波与高次谐波所产生的转子铜耗,还可以在一定程度上抑制在低速时的转矩脉动。

(2)为抑制电流中的高次谐波,需要适当的增加电动机的电感。但是转子槽的漏抗较大的转子槽形其集肤效应也较大,高次谐波的铜耗也会增大。具有较大转子电感的电动机,在恒功率的调速区域,最大转矩将随着电源频率的增加而降低,有可能会使电动机难以维持恒功率运行。所以,电动机漏抗的大小要兼顾在整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

(3)变频调速的异步电动机的主磁路,一般应设计成为不饱合的状态。一方面:考虑高次谐波会加深磁路的饱合,另一方面:考虑在低频时,为了提高输出转矩而适当的提高变频器的输出电压。

4、结语

变频调速电动机为电机的一个新领域,变频调速电机将在电机调速范畴中占据主导地位。本文讨论了交流变频调速电机在绝缘结构、绕组、槽型等方面的设计,供相关人员参考。

参考文献

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[2]段淑贞,秦斌,刘憬奇,姚鹏.矿用变频调速电机的设计特点[J].电机与控制应用,2010,37(4):6-8.

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