电机采用变频器驱动研究

电机采用变频器驱动研究

江泽艳

中山大洋电机股份有限公司 广东省中山市 528400

摘要：近年来，变频器在电机传动控制方面应用越来越广泛，使用过程中也面临很多问题。本文对变频器的工作原理，变频电动机设计，应用变频电机的注意事项，变频调速的技术优势展开研究分析。本文对变频电机的设计与应用具有一定借鉴意义。

关键词：变频器；电机驱动；控制

随着电子技术、计算机技术以及自动化技术不断发展，驱动控制技术逐渐占据工业控制的主要地位。从目前的电气行业发展来看，电气的传动技术也正在变革，交流传动渐渐取代了直流传动，计算机信息技术也在逐渐取代模拟技术。交流变频驱动技术因为其本身节能、可靠、简便的特点被应用在电机驱动控制中，改变了传统直流传动技术效率低、体积大的缺点。

1、变频器工作原理

将输入的固定频率交流电通过整流、滤波、逆变等电路进行处理，输出可变频率、可变电压的交流电。整流是将交流电转换成直流电，通过滤波方式消除电容器充放电的纹波，使直流电变得更平滑稳定，而后逆变器将直流电转换成可控制的交流电。输出的电压和频率是通过改变逆变器的控制信号进行调节，控制信号通常由微处理器产生，可以对电机进行变频、启停控制、电机保护，实现了对电机精确调速和控制。

2、变频电动机设计

早期普通电机直接采用变频器控制使用，时常发生噪音振动大，绕组烧毁故障，原本可以使用十几年的电机，几年甚至几个月就提前故障不能使用。应用变频器驱动控制的电机，电磁及结构设计应该有别于普通电机。

2.1电磁设计

对于普通的电动机，过载能力、启动性能、效率、功率因数等性能是设计重点考核指标。对于变频电动机，关键在于改善电动机对变频非正弦波电源的适应能力。变频电机电磁设计方式如下：

（1）减小定子和转子电阻。降低基波铜耗，从而弥补高次谐波产生的铜耗增加，起到一个互补的作用。在实际的设计过程中，可以通过在槽形设计上尽可能的增加定子阻抗，对高次谐波进行有效的抑制，避免对电动机造成过大的影响，确保电动机能够平稳运行。

（2）增加电感。为了限制电流中高次谐波的产生，减少铜耗，可以适当增加电机的电感。但是可能会导致转子槽漏抗增大，一样会产生高次谐波的铜耗，设计电机的漏抗大小时，必须顾及到整体阻抗的适应合理性。

（3）主磁路不饱和设计。一方面，产生的高次谐波增加了磁路饱和，另一方面，为了能够提高变频器的输出电压从而提高输出转矩。

2.2 结构设计

变频电动机的结构设计，需要考虑到非正弦波电源对变频电动机的绝缘结构、噪音振动冷却、轴电流方面的影响。

（1）绝缘。通常绝缘结构是F 级或以上，尤其要注意绝缘材料承受电压冲击的能力，采用200级耐电晕漆包线，采用低挥发无溶剂绝缘漆，真空压力浸漆。

（2）刚性。关于电动机的噪声及振动强度问题，要注意电动机结构部件及整体的刚性，尽量提高电机固有频率，避免发生各磁力波共振的情况。

（3）冷却方式。电动机运行的冷却方式要选择强迫通风，电机的散热风扇尽量用独立的电机驱动器。

（4）轴电流。对于较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用专用润滑脂.对于过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。同时，在逆变器输出端增加滤波环节，降低脉冲电压dU/dt也是一种有效的方法。

3、应用变频器驱动电机的注意事项

3.1 变频器与电机需要匹配

采用专用变频电机，不能使用普通电机。变频器与负载类型电机相匹配，负载类型包括恒转矩负载、降转矩负载、恒功率负载等。应根据负载额定电流匹配变频器，不能简单地通过负载功率选择，因为变频器的标注适配功率是对应4 级电机。

3.2特殊应用场景，变频器留有余量

对于一些特殊应用环境，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一档。变频器在控制绕线型异步电机时，由于绕线型异步电机绕组阻抗小，容易发生谐波电流引起的过流现象，所以在选择变频器时应将容量放大一档。

3.3降低变频器与电机之间电缆的影响

变频器与电机采用长电缆连接运行时，需要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，变频器容量要放大一档，或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

变频器和电机的距离应该尽量的短，尽可能控制在20m以内的近距离，这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。中距离连接（20m-100m)，需要调整变频器的载波频率来减少谐波及干扰,或者加装输出交流电抗器。远距离连接（100m以上），不但要适度降低载波频率，还要加装输出交流电抗器。

3.4防干扰、防冲击、防高温高湿。

防干扰。为了防止变频器的谐波对其它电子设备信号干扰，一般要求变频器到电机选用屏蔽电缆，或者全部用穿金属线管屏蔽，该种方式容易增大对地电容，导致变频器报故障，可以采用变频器加装输出交流电抗器进行改善。

防冲击。当装有变频器的控制柜受到机械振动冲击时，会引起电气接触不良，应避免变频器机械振动和冲击。当变频器的输出侧加装交流接触器，应注意停止先后顺序，应先停止变频器，再断开接触器，否则易产生很大的冲击电流，使变频器过流跳闸，严重时会损坏变频器。

防高温高湿。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～5 5 ℃，为了保证工作安全、可靠，最好控制在4 0℃以下。不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。高温高湿时，变频器内部易出现结露现象，绝缘性能急剧下降，甚至引发短路事故，必要时可以在箱中放置干燥剂。

4、变频调速方式的技术优势

4.1 实现了无级调速

变频电机使用变频器能够控制电机的调速方式，原理上可以运行任何一种转速，调速时具有很好的平滑性，精度也相对高一些。当电机处于低速运转时，能够输出较大的转矩，这可以缩短电机启动时的响应时间，提高电机的启动速度。

4.2 启动时需要的电流较小

电机在启动时会产生较大的电流和振动，对电机的性能是有一定的损耗的。相比于直流电机使用时产生较大的启动电流冲击电网来说，变频调速对电网的冲击性小，节能效果强，对电网的容量大小要求没那么严格，能够延长电机设备的使用年限。

4.3 变频电机的体积小

传统直流电机体积非常大，而且运行效率不高，容易产生错误，变频调速电机的体积小很多，而且结构简单，生产成本低，后期维护使用更加方便，具有更大的推广价值。

4.4 节能效果好

机械设备在设计时都会对驱动功能留出一部分余量。普通电机在低速运行时，多余的转矩会加大消耗功率，浪费电能，变频调速电机转矩要求小，输出功率较小，电能利用更加充分，避免能源的浪费。

结语：综上所述，电机的运行速度需要得到有效的控制，可以应用变频器进行变频驱动控制。电机需要在结构及电磁方面进行专门设计，才能适合变频器驱动。应用过程中，需要变频器与电机合理匹配，特殊场景时变频器需要留有余量，降低连接电缆的影响，应用时需要防干扰、防冲击、防高温高湿。变频电机具有无级调速，启动电流小，体积小，节能效果好的优点。

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