变频电机与普通电机比较

摘要：文章就变频调速专用电机特性及造纸机传动系统中如何选择问题给出分析及选择依据。

关键词：造纸机、变频、电机特性

1．引言

变频调速专用电机就其设计初衷而言是专为交流调速而用的，但是变频调速的兴起最直接的原因就是普通异步电动机简单的结构、低廉的成本和方便的调速。如果说变频调速必须要配用变频专用电机的话，那么就产生了一个矛盾，变频调速固有的简单、坚固、耐用性不是没有了吗？所以本文就此问题对变频调速专用电机及其应用范围和在造纸机上的应用等问题做一讨论。

2．变频调速时对电动机及其效能产生的影响

变频调速不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲是非正弦的。所以普通异步电动机在非正弦波下的运行特性分析就是变频调速时对电机产生的影响。主要有以下几个方面：

1）、电动机的损耗和效率

非正弦电源下运行的电动机，除了基波产生的正常损耗外，还将出现许多附加损耗。主要表现在定子铜损、转子铜损和铁损的增加，从而影响电动机的效率。

①定子铜损

在定子绕组中出现的谐波电流使I2R及增加。当忽略集肤效应时，非正弦电流下的定子铜损与总电流有效值的平方成比例。如定子相数为m1，每相定子电阻为及R1，则总的定子铜损P1为

把包括基波电流在内的总定子电流有效值Irms代入上式，可得

式中的第二项代表谐波损耗。通过实验发现，由于谐波电流的存在和与之相应的漏磁通的出现，使漏磁通的磁路饱和程度增加，因而励磁电流增大，从而使电流的基波成分也加大。②转子铜损

在谐波的频率下，一般可以认为定子绕组的电阻为常数，但对于异步电动机的转子，其交流电阻却因集肤效应而大大增加。特别是深槽的笼形转子尤为严重。正弦波电源下的同步电动机或磁阻电动机，由于定子空间谐波磁势很小。在转子表面绕组中引起的损耗可忽略不计。当同步电动机在非正弦电源下运行时．时间谐波磁势感应出转子谐波电流，就像接近其基波同步转速运行的异步电动机那样。反向旋转的5次谐波磁势和正向旋转的7次谐波磁势都将感应出6倍于基波频率的转子电流，在基波频率为50Hz时，转子电流频率为300Hz。同样，第11次和第13次谐波感应出12倍于基波频率，即600HZ的转子电流。在这些频率下，转子的实际交流电阻远远大于直流电阻。转子电阻实际增大多少取决于导体截面和布置导体的转子槽的几何形状。通常的长宽比为4左右的铜导体，在50Hz时交流电阻与直流电阻之比为1.56，在300Hz时比值约为2.6；600Hz时比值约为3.7。频率更高时，此比值随频率的平方根成比例增加。

③谐波铁损

电动机中的铁心损耗也由于电源电压中出现谐波而增大；定子电流的各次谐波在气隙间建立了时间谐波磁动势。气隙中任何一点的总磁势是基波和时间谐波磁势的合成。对于一个三相6阶梯电压波形，气隙中的磁密峰值比基波值约大10％，但是由时间谐波磁通引起的铁损的增加是很小的。对于端部漏磁通和斜槽漏磁通产生的杂散损耗，在谐波频率作用下将有所增加，这一点在非正弦供电时必须考虑：端部漏磁效应在定子和转子绕组中都存在，主要是漏磁通进入端板引起的涡流损耗。由于定子磁势和转子磁势间相位差的变化，在斜槽

结构中产生斜槽漏磁通，其磁势在端部最大，在定转子铁心及齿中产生损耗。

④电动机效率

谐波损耗的大小明显地决定于外加电压的谐波含量。谐波分量大，电动机损耗增加，效率降低。但是大多数静止逆变器不产生低于5次的谐波，而高次谐波的幅值较小。这种波形的电压对电动机效率降低并不严重。对中等容量的异步电动机进行计算和对比试验表明，其满载有效电流比基波值约增加4％。如果忽略集肤效应，则电动机的铜损与总有效电流的平方成比例，谐波铜损为基波损耗的8％。考虑到由于集肤效应使转子电阻平均可增大3倍，因而电动机的谐波铜损应为基波损耗的24％。如果铜损占电动机总损耗的50％，则谐波铜损使整个电动机的损耗增加12％。

铁损的增加很难计算，因为它受电动机结构和所用磁性材料的影响。如果定子电压波形中的高次谐波成分相对较低，像在6阶梯波中那样，谐波铁损增加不会超过10％。如果铁损和杂散损耗占电动机总损耗的40％，则谐波损耗仅占电动机总损耗的4％。摩擦损耗和风阻损耗是不受影响的，因而电动机的全部损耗增加小于20％。如果电动机在50Hz正弦电源时的效率为90％，则由于谐波存在使电动机效率只降低1％一2％。

如果外加电压波形的谐波成分明显地大于6阶梯波时的谐波成分，则电动机的谐波损耗将大大增加，而且可能大于基波损耗。就是在6阶梯波电源时，一个低漏抗的磁阻电动机可能吸收一个很大的谐波电流，从而使电动机的效率下降5％或更多。在这种情况下，为了满意地运行，就要使用12阶梯波的逆变器，或采用六相的定子绕组。电动机的谐波电流和谐波损耗实际上与负载无关，因此时间谐波的损耗大小实际上可以在空载情况下用正弦电源和非正弦电源进行比较确定。以此来确定某种型式或某种结构的电动机效率下降的大致范围。

2）、轴电压的增加

轴电压系指两个轴端的电压或轴与轴瓦之间的电压。对于正弦波供电的电动机，主要是由于磁路不平衡引起。对于变频器供电的电动机，通常情况下加在电动机上的各相电压是平衡的。然而由于各相整流元件和控制元件特性的差异，可能出现某瞬间的电压失衡现象，在轴上产生较大的轴电压。再加上转子上的谐波电压会以轴承油膜为介质形成一个对地电容，从而产生一容性电流。

对于中小容量的电动机，在非正弦电源的情况下，轴电压的影响一般也可以不考虑。但是对于大容量电动机，特别是在高速的和采用滑动轴承的情况下。轴电流和轴承电流的危害是不容忽视的。

轴上电压的增高，电流将通过轴和轴瓦之间的油膜流动，若达到临界润滑状态，油膜将被破坏，会有很大的电流流过油膜，从而缩短轴承寿命或损坏轴承合金，发生重大事故。3）、冲击电压及绝缘强度

一般情况下，交流电动机承受的冲击电压主要是操作过电压。然而对于采用静止变频器供电的电动机，还需考虑变频器换流时产生的冲击电压，该冲击电压将叠加在电动机的运行电压上。这些冲击电压不但峰值高而且出现的频度高，对电动机的对地绝缘造成威胁。显然冲击电压的大小和电压上升速度与变频器的型式和控制方式有关。冲击电压较大时应考虑绝缘反复承受冲击的老化和电晕放电所导致的电腐蚀问题。在冲击电压上升速度较快时，还要考虑匝间绝缘问题。

4）、横向振动及噪声

对于正弦波供电的交流电动机，由电磁、机械和通风等原因产生的振动和噪声，已经是人们长期以来关心的问题。当采用变频器供电时，使这个问题变得更加复杂。变频器电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分固有的空间谐波相干涉，造成了各种电磁激振力。同时由于电动机工作的频率范围宽、转速变化范围大，很难避开电动机机械部分各种结构