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

　　敘詞異步電動(dòng)機(jī)冶金起重變頻調(diào)速設(shè)計(jì)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(jī)廠根據(jù)市場(chǎng)需求信息開發(fā)了YTSP系列變頻調(diào)速電機(jī)。該電機(jī)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(rèn)同。其中，有相當(dāng)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(jī)采用S3工作制時(shí)的輸出功率能夠提高多少，低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低頻起動(dòng)電流是多少等等。為此，上海南洋電機(jī)廠走訪部分用戶，仔細(xì)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(dòng)機(jī)特點(diǎn)。在做好技術(shù)準(zhǔn)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(jī)，現(xiàn)就這種類型變頻電機(jī)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法作一介紹。

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

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

　　變頻電機(jī)過載能力大小，高頻調(diào)速性能與電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩有關(guān)。從電機(jī)學(xué)中知道，電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：P?電機(jī)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(jī)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(jī)漏電抗成反比。

　　電機(jī)的過載能力大小反映了電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩輸出能力，即只有電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩大，才能保證電機(jī)過載能力大。針對(duì)冶金和起重行業(yè)均要求電機(jī)過載能力大的特點(diǎn)，YTSZ系列變頻電機(jī)要求在50Hz額定點(diǎn)過載能力必須達(dá)到2倍額定轉(zhuǎn)矩，歷當(dāng)變頻電機(jī)以恒磁通調(diào)節(jié)方式至低頻時(shí)，由于電壓補(bǔ)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(yùn)行。當(dāng)變頻電機(jī)以恒功率調(diào)節(jié)方式至高頻時(shí)，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(jī)漏電抗隨頻率升高而大，電機(jī)的比較大轉(zhuǎn)矩快速下降。從電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行角度看，穩(wěn)定工作點(diǎn)滑差S要求在Sm（Sm為比較大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)滑差）之間，但工作點(diǎn)滑差S不能接近Sm點(diǎn)，因?yàn)槿绻?fù)載有波動(dòng)的話，很容易造成電機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在比較尚頻率運(yùn)行時(shí)，一般要求電機(jī)的比較大轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之比必須大于1.4倍。

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

　　冶金和起重行業(yè)用戶對(duì)變頻電機(jī)低頻起動(dòng)性能十分關(guān)心，希望變頻電機(jī)在低頻起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和起動(dòng)電流小，因?yàn)槠饎?dòng)電流大小涉及到變頻器容量的選擇。因此，低頻起動(dòng)性能是YTSZ系列變頻電機(jī)重要指標(biāo)之一。在經(jīng)過多次低頻起動(dòng)性能試驗(yàn)后，提出了YTSZ系列變頻電機(jī)在1Hz低頻下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求達(dá)到1. 5倍額定轉(zhuǎn)矩，而此時(shí)-起動(dòng)電流限制在2倍以內(nèi)。從電機(jī)學(xué)中知道，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)子電阻值可提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降低起動(dòng)電流。在設(shè)計(jì)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(dòng)電流倍數(shù)大大減少，可忽略起動(dòng)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(jī)相比，其輸出功率可按等效電流法或其他折算法進(jìn)行折算。根據(jù)這一思路，結(jié)合電機(jī)過載能力，在確定YTSZ系列變頻電機(jī)輸出功率時(shí)，將部分機(jī)座號(hào)比較大的電機(jī)輸出功率等級(jí)按硬性功率等級(jí)提高一級(jí)，見表1（表中各機(jī)座號(hào)選一個(gè)規(guī)格作代表）。其他工作制時(shí)輸出功率可以按基準(zhǔn)工作制輸出功率進(jìn)行換算。由于提高了電機(jī)輸出功率，為了不減小電機(jī)的過載倍數(shù)，在電磁設(shè)計(jì)中，仍將提高電機(jī)比較大轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，提高過載能力。

　　表1 YTSP系列與YTSZ系列部分機(jī)座號(hào)輸出功率對(duì)照表輸出功率kW YTSP系列YTSZ系列諧波主要給變頻電機(jī)帶來2個(gè)影響，即損耗和諧波轉(zhuǎn)矩。對(duì)YTSZ系列變頻電機(jī)的損耗加較多部分，主要是轉(zhuǎn)子銅耗。這是因?yàn)閅TSZ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(huì)明顯大，電阻的加使銅耗也加。另外，電機(jī)輸出功率的提高，也是電機(jī)的銅耗大的另一個(gè)原因。因此，YTSZ系列變頻電機(jī)總的損耗將比其他電機(jī)來得大。為保證變頻電機(jī)輸出額定功率，設(shè)計(jì)中必須采取的措施有：降低對(duì)電機(jī)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(qiáng)電機(jī)的通風(fēng)冷卻效果。諧波給變頻電機(jī)帶來的另一個(gè)主要影響是諧波轉(zhuǎn)矩。諧波轉(zhuǎn)矩將造成變頻電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。要避免低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，設(shè)計(jì)上除采取降低低次諧波的影響外，適當(dāng)提高電機(jī)漏電抗可以降低諧波轉(zhuǎn)矩，但會(huì)給變頻電機(jī)其他性能帶來影響，這就需要在電機(jī)設(shè)計(jì)中作全面考慮。

　　變頻電機(jī)絕緣處理是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝，絕緣處理得好與壞，直接影響電機(jī)使用壽命和可靠性。YTSZ系列變頻電機(jī)采用F級(jí)絕緣。其主要原因有2個(gè)：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(jī)損耗加，電機(jī)溫升升高其次，變頻電機(jī)一般均要求在較大的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，在高頻運(yùn)行時(shí)，由于定子頻率加，電機(jī)溫升明顯上升。此外，在變頻電機(jī)的絕緣處理中，匝間絕緣處理及對(duì)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(jī)時(shí)，在變頻器和變頻電機(jī)之間采用電纜連接，由于電纜波阻抗與電機(jī)定子繞組波阻抗不匹配，在定子繞組端產(chǎn)生一個(gè)反射波電壓，這電壓有可能達(dá)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(dāng)IGBT功率元件開關(guān)頻率很高時(shí)，會(huì)給電機(jī)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(jī)中諧波磁勢(shì)在定子繞組中產(chǎn)生脈動(dòng)磁勢(shì)，也容易損壞繞組對(duì)地絕緣。YTSZ系列電機(jī)的絕緣處理，考慮了這幾方面的影響，并有針對(duì)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(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）及加拿大標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（CSA）的產(chǎn)品安全認(rèn)可。

　　針對(duì)冶金和起重行業(yè)使用環(huán)境，YTSZ系列變頻電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取的主要措施有電機(jī)主要結(jié)構(gòu)件采用高強(qiáng)度材料，如采用的鑄鐵材料其機(jī)械強(qiáng)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(jī)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(duì)轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速、軸伸強(qiáng)度等均作校核計(jì)算。

　　IMB5、IMV1.電機(jī)出線盒的位置可以在右邊或左邊，也可以在電機(jī)的上邊。變頻電機(jī)防護(hù)等級(jí)可根據(jù)用戶需要制成IP54、IP55，對(duì)個(gè)別用戶要求防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP56，也可以作特殊設(shè)計(jì)。另外，變頻電機(jī)還可以根據(jù)用戶需要加裝制動(dòng)器、編碼器、加熱器等附件。電機(jī)冷卻方式一般米用軸流式冷卻風(fēng)機(jī)。如果所帶附件較多或較長(zhǎng)則使軸流式冷卻風(fēng)機(jī)冷卻效果變差，這時(shí)宜采用其他結(jié)構(gòu)冷卻風(fēng)機(jī)，如背包式冷卻風(fēng)機(jī)或騎式風(fēng)機(jī)等。在調(diào)速范圍不寬的場(chǎng)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(jī)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(jī)座號(hào)）。從試制情況來看，電機(jī)低頻起動(dòng)性能和比較大轉(zhuǎn)矩（見表2）均達(dá)到預(yù)期要求。另外，在試制過程中，還對(duì)變頻電機(jī)分別做了不同工作制的溫升對(duì)比工作。YTSZ系列變頻電機(jī)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(jī)己批量生產(chǎn)，并在多項(xiàng)重點(diǎn)工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，遠(yuǎn)銷國(guó)外。

　　表2YTSZ系列變頻電機(jī)的主要性能型號(hào)主要性能1Hz起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1Hz起動(dòng)轉(zhuǎn)矩1.5倍時(shí)起動(dòng)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(guó)船舶工業(yè)總公司科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，1998年上海市標(biāo)準(zhǔn)化科技成果二等獎(jiǎng)。