馬鋼職工大學(xué)學(xué)報(bào)國(guó)產(chǎn)變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)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(jī)制造廠所采用的制造工藝和先進(jìn)技術(shù)進(jìn)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(jìn)入八十年代以后，交流調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的傳動(dòng)領(lǐng)域，實(shí)踐證明，交流電機(jī)在大容量、高轉(zhuǎn)速以及防污染、防爆等方面較直流電機(jī)有著極其明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　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(dòng)機(jī)，以往這種變頻調(diào)速電機(jī)都是隨傳動(dòng)系統(tǒng)配套進(jìn)口，花費(fèi)國(guó)家大量外匯，且造成工程造價(jià)居高不下。近幾年，我國(guó)電機(jī)制造業(yè)通過(guò)對(duì)國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)和消化，在變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方面已有突破性進(jìn)展，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出中小型變頻電機(jī)（2000kW以下）的系列產(chǎn)品，如：蘭州電機(jī)廠與德國(guó)SIEMENS公司合作生產(chǎn)的111、118、111、1（38變頻電機(jī)和上海電機(jī)廠自行開(kāi)發(fā)研制的￥1'1緊湊型變頻電機(jī)。

　　1變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)1.1變頻調(diào)速異步電機(jī)的基本要求為了充分利用鐵芯材料，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，一般將額定工作點(diǎn)選在磁化曲線開(kāi)始彎曲處，因此調(diào)速時(shí)希望保持每極磁通m=e，因?yàn)榇磐ㄔ黾訉⒁痂F芯過(guò)分飽和、勵(lì)磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過(guò)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(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢(shì)必導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子過(guò)電流，也要產(chǎn)生過(guò)熱。因此很多場(chǎng)合要求調(diào)節(jié)定子頻率的同時(shí)，改變定子電壓Ut，當(dāng)忽略定子漏阻抗壓降時(shí)，保持U/f！=const（常數(shù)）就可以維持保持不變。

　　電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造綜合考慮的因素很多，其中比較主要的一點(diǎn)就是要分析電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性。變頻調(diào)速步電機(jī)主要有兩種比較為常用的運(yùn)行方式，根據(jù)不同運(yùn)行方式下的機(jī)械特性，電機(jī)有不同的設(shè)計(jì)特總4要求。

　　1.2用于節(jié)能工況的異步電機(jī)在工礦企業(yè)，過(guò)去大量應(yīng)用所謂轉(zhuǎn)速不變拖動(dòng)系統(tǒng)，其中有相當(dāng)一部分是風(fēng)機(jī)、水泵等拖動(dòng)系統(tǒng)，這類(lèi)負(fù)載約占整個(gè)工業(yè)電力拖動(dòng)總量的一半，在過(guò)去采用擋板、閥門(mén)來(lái)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(guò)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)來(lái)控制流量，消耗在擋板閥門(mén)上的功率就可以節(jié)省下來(lái)，據(jù)有關(guān)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(jī)參數(shù)存在以下關(guān)系：PocrTocrQocn從上面的式子可知，當(dāng)調(diào)速至額定轉(zhuǎn)速一半50%nN時(shí)，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(lái)看已無(wú)太大意義，因此這類(lèi)電機(jī)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(fēng)機(jī)水泵這類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用保持認(rèn)/=const（常數(shù)）的比例控制方式維持電機(jī)磁通基本保持恒定，從機(jī)械特性上看，雖然在低頻段定子的漏抗增大造成電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩減小，但由于電機(jī)負(fù)載是流體，所以符合實(shí)際調(diào)速使用要求。此時(shí)電機(jī)電流IocT，從而Iocn2，因此，電流隨電機(jī)轉(zhuǎn)速降低是呈平方關(guān)系下降，當(dāng)然，由于電機(jī)輸出功率下降時(shí)電機(jī)功率因數(shù)也在下降，實(shí)際定子電流隨轉(zhuǎn)速以1~2次方的關(guān)系下降，這樣，在低轉(zhuǎn)速段電機(jī)銅耗大大降低，無(wú)需考慮冷卻效果變差的影響。在電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，一般的做法是將電機(jī)切換至標(biāo)準(zhǔn)工頻電網(wǎng)，而不由逆變器供電，所以無(wú)需考慮額定點(diǎn)附近由于電源諧波引起的附加損耗而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。綜上所述，節(jié)能用途的變頻異步電機(jī)的設(shè)計(jì)按照額定點(diǎn)工況確定電機(jī)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(guò)載能力的變頻調(diào)速電機(jī)在冶金企業(yè)軋機(jī)用主、輔傳動(dòng)電機(jī)以及起重設(shè)備用電機(jī)要求電機(jī)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(gè)調(diào)速范圍內(nèi)具有較大的過(guò)載能力。所以調(diào)速時(shí)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(jī)Toe廣U/A，由于R/f！恒定，電機(jī)銅耗不變，而隨著轉(zhuǎn)速的下降，電機(jī)自帶風(fēng)扇冷卻效果大幅度下降，將導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱損壞，因此為了保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩而電機(jī)又不損壞，電機(jī)設(shè)計(jì)必須采用外部獨(dú)立電源供電的冷卻機(jī)構(gòu)。

　　用于軋機(jī)傳動(dòng)的變頻調(diào)速電機(jī)要求恒功率調(diào)速時(shí)具有恒過(guò)載倍數(shù)，這一工況對(duì)于調(diào)速異步電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)較為復(fù)雜的課題。由于不同于同步電機(jī)有定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)獨(dú)立的電氣回路，而異步電機(jī)轉(zhuǎn)子僅是一個(gè)感應(yīng)回路，這雖然使異步電機(jī)具有了其本身結(jié)溝及外部控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也導(dǎo)致了其許多特性?xún)H由其設(shè)計(jì)參數(shù)而定，而不具有可調(diào)的特點(diǎn)，電機(jī)過(guò)載能力就是其中一個(gè)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(jī)的過(guò)載能力也不變。而在基頻以上恒功率調(diào)速階段，鑒于電動(dòng)機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過(guò)額定電壓將受到絕緣強(qiáng)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(duì)異步電機(jī)而言有以下關(guān)系：如果忽略定子阻抗ri則（A/fD2，所以對(duì)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(shí)的額定轉(zhuǎn)矩、電壓、過(guò)載倍數(shù)。

　　27t/pn（pn電機(jī)極對(duì)數(shù)），故在恒功率調(diào)速時(shí)TN1 =，所以在=U2情況下，由上式可得出（Xn/XTzf/即電機(jī)恒功率段過(guò)載倍數(shù)往往造成電機(jī)在基速時(shí)的過(guò)載倍數(shù)有太大的余量，如所示，這勢(shì)必造成電機(jī)在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的困難，造成電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，體積過(guò)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(jī)升速過(guò)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(duì)于某一線材r的670千瓦6極軋鋼電機(jī)，轉(zhuǎn)速282 -59.3Hz，逆變器比較高電壓為690V，由于速比高達(dá)59.3/13.3 =4.46，如果要求電機(jī)過(guò)載能力在全速范圍內(nèi)保持2倍，則基速時(shí)電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)將近8.8倍，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)將是一種極大的浪費(fèi)，電機(jī)設(shè)計(jì)也增加了難度。而如果假設(shè)基速時(shí)電壓A=500V，高速時(shí)U2 =690V，通過(guò)上式計(jì)算可得倍，這樣電機(jī)的體積可以大大縮小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也降低至電機(jī)設(shè)計(jì)范圍。

　　對(duì)上述電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮極數(shù)的選擇問(wèn)題，工頻電網(wǎng)，電機(jī)極數(shù)與轉(zhuǎn)速有一個(gè)固定關(guān)系，而對(duì)變頻電機(jī)，fN=50Hz僅僅只是一個(gè)點(diǎn)而已。隨著變頻技術(shù)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(jī)的極數(shù)，隨機(jī)數(shù)改變的僅僅只是變頻裝置輸出頻率范圍的改變，如，對(duì)一臺(tái)550kW，6極，轉(zhuǎn)速范圍0"900/1500r/min，頻率范圍0"45/75Hz的電機(jī)，可以得到下表極數(shù)一頻率的對(duì)應(yīng)表。

　　頻率（Hz轉(zhuǎn)速極數(shù)理論上，設(shè)計(jì)中我們可以任意選擇極數(shù)，但由于極數(shù)太大時(shí)，電機(jī)的諧波漏抗將增大，從而導(dǎo)致電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)下降，通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，4極或6極電機(jī)較易達(dá)到較高的過(guò)載能力和較高的功率因數(shù)，同時(shí)4極的電機(jī)材料消耗較少，考慮這類(lèi)電機(jī)一般通過(guò)齒輪箱來(lái)進(jìn)行減速，如果速比可以做的足夠大，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇4極電機(jī)。

　　由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)這類(lèi)電機(jī)時(shí)，電機(jī)制造廠應(yīng)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(shí)變頻器電壓達(dá)到的比較大值4、變頻器允許比較大電流1.3.4電機(jī)容量確定要確定恒轉(zhuǎn)矩/恒功率、廣調(diào)速、高過(guò)載變頻調(diào)速電機(jī)的容量，必須確定下列四個(gè)負(fù)荷點(diǎn)：如所示：其中C中的功率、電壓、轉(zhuǎn)速是電機(jī)的基本定額。

　　A點(diǎn)為考慮電機(jī)溫升限值及轉(zhuǎn)速電壓提升情況下比較低轉(zhuǎn)速點(diǎn)B點(diǎn)是考慮電機(jī)溫升限值情況下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段的比較低轉(zhuǎn)速點(diǎn)C點(diǎn)為恒轉(zhuǎn)矩段上端即基本定額點(diǎn)D點(diǎn)為考慮機(jī)械極限的恒功率段比較高轉(zhuǎn)速點(diǎn)由變頻裝置供電的調(diào)速電機(jī)，由于變頻器的輸出存在諧波分量，因而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的兩端易產(chǎn)生高頻軸電壓，當(dāng)該電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，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(huì)造成油膜破壞，使滑動(dòng)軸承的軸瓦及軸頸上產(chǎn)生電弧灼點(diǎn)，或者使?jié)L動(dòng)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(shí)還伴有麻點(diǎn)、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(shuō)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(chǎng)不平衡），產(chǎn)生與轉(zhuǎn)軸交鏈的磁通而感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。所以，在較大容量的變頻調(diào)速電機(jī)中都要采用軸承絕緣的設(shè)計(jì)方式，有時(shí)還在電機(jī)的軸伸端加裝接地碳刷。

　　2變頻調(diào)速異步電機(jī)制造技術(shù)發(fā)展對(duì)于變頻調(diào)速異步電機(jī)，由于運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)范圍很大，所以設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法保證機(jī)械共振點(diǎn)遠(yuǎn)離電機(jī)運(yùn)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(shí)變頻調(diào)速異步電機(jī)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(diǎn)出發(fā)，采用以前鋼性結(jié)構(gòu)焊接機(jī)殼成型方式是不適宜的，必須考慮采用新型制造工藝技術(shù)。目前比較成熟的技術(shù)是利用高牌號(hào)的灰口鑄鐵，采用樹(shù)脂砂鑄造工藝，基本消除了普通粘土砂鑄造造成的機(jī)殼鑄件粘砂、氣孔等缺陷，電機(jī)外型尺寸精度達(dá)到±lmm，在電機(jī)外部直接鑄成的平行散熱筋，沒(méi)有接觸間隙，導(dǎo)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(jī)座之間采用過(guò)盈配合，首先可以大大降低了鐵芯與機(jī)座之間的間隙傳導(dǎo)熱阻，其次有效固定了定子鐵芯，避免了傳統(tǒng)的定位銷(xiāo)方式可能導(dǎo)致的定子鐵芯移位及松動(dòng)，同時(shí)，由于定子鐵芯與機(jī)座之間較大的過(guò)盈量，使機(jī)座的剛度大大加強(qiáng)，這也有利于抑制變頻調(diào)速異步電機(jī)可能出現(xiàn)的機(jī)座共振現(xiàn)象。

　　變頻調(diào)速異步電機(jī)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(yùn)行中隨著電機(jī)的調(diào)速，電機(jī)電流在不斷變化，銅條上的電動(dòng)力也在不停的波動(dòng)，容易造成轉(zhuǎn)子籠條在槽內(nèi)松動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子銅條在槽中加裝了O.Zrmi的薄鐵片進(jìn)行脹緊配合，克服了工作過(guò)程中銅條可能產(chǎn)生的松動(dòng)現(xiàn)象。

　　2.4電機(jī)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(shí)產(chǎn)生的陡峭沖擊電壓，該沖擊電壓疊加在電機(jī)運(yùn)行電壓上，電機(jī)繞組絕緣會(huì)出現(xiàn)較高的電壓應(yīng)力，引起電機(jī)匝間絕緣及對(duì)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(jī)的絕緣都適當(dāng)加強(qiáng)，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(yè)）2.4采用軟件補(bǔ)償?shù)囊饬x在數(shù)控系統(tǒng)中采用軟件補(bǔ)償法進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償和螺距累積誤差補(bǔ)償，不僅可補(bǔ)償機(jī)床定位誤差，還可以補(bǔ)償工藝系統(tǒng)其它各項(xiàng)誤差。如果定期測(cè)定各坐標(biāo)軸的定位誤差，由計(jì)算機(jī)將新的誤差曲線存儲(chǔ)起來(lái)，還可以在機(jī)床壽命期間內(nèi)補(bǔ)償由于磨損等引起的精度損失，進(jìn)行坐標(biāo)軸較準(zhǔn)。