頻率很高時交流變頻電機設計分析

    董超奎，仵均科

    (西安微電機研究所，陜西  西安    710077)

  摘  要：提出了當頻率很高時交流變頻電機的設計方法，通過實例試算，指出了電機的設計特點。

  關鍵詞：變頻電機；異步電機；設計

1  引  言

    交流變頻電機是通過改變電源頻率，從而達到改變電機運行轉速的同步電機或異步電機。從理論上講，當電機極數(shù)一定時，交流電機的同步轉速與頻率嚴格成正比，也就足頻率怎樣改變，電機的轉速也相應改變。但是對于已制造好的、特定的電機來講，其頻率變化總有一定范圍。如果超出這一范圍，電機的性能就要變壞，甚至無法運行。目前家用電器(如空調器)中使用的變頻電機，其頻率變化范圍較窄，一般在15～150Hz之間。與普通工頻50Hz相比，這一頻率變化范圍顯得不大。本文主要研究當頻率在很高、很寬范圍變化時，交流變頻異步電機的設計原理。當電機體積一定時，電機的輸出功率與轉速基本成正比。當變頻電機頻率在****時，電機的輸出功率為****。文中通過具體的方案試算，指出了變頻電機的一些設計特點。

2頻率改變時電機的運行特點

    頻率恒定的異步電機是按頻率為某一給定值設計的，要求在實際使用中電機供電電源的頻率在很小范圍內變動，一般為正負百分之一，否則將引起電機性能發(fā)生很大的變化。變頻電機工作的特點是電機工作時隨著電源的頻率變化電機均能給出滿足使用要求的輸出特性。由于實際中要求電機的轉速隨負載大小不斷變化，因而就提出了采用變頻電機。采用變頻電機的優(yōu)點是電機像傳統(tǒng)交流電機一樣結構簡單、運行可靠、性能穩(wěn)定、維護方便。加之目前變頻器已成為市場認可的成熟商品，其性能與價格用戶完全能夠接受。這就使變頻電機的使用變得極為方便。

    變頻電機工作時要保持電壓與頻率的比值不變，即U／f=常數(shù)。對于已設計好的電機，只有保持己u／f=常數(shù)才能使在電源頻率變化時電機的氣隙磁密及定、轉子鐵心中的磁密基本不變。如果為恒轉矩負載，則當頻率改變時，輸出電壓、功率與頻率成正比例變化。本文討論的就是恒轉矩負載時變頻異步電機的設計特點。當負載為恒轉矩時，電機的輸出功率與轉速(頻率)成正比。

3電機的電磁設計

    變頻電機在實際工作時頻率是變化的，但在某一工作點上可認為其頻率是恒定的。這樣就可采用傳統(tǒng)的異步電機電磁設計方法對變頻電機進行電磁設計，但應考慮電流諧波成分增大使得損耗和溫升有所增加。在頻率變化時，可計算在不同頻率下電機的穩(wěn)態(tài)運行特性。本文進行了兩個規(guī)格電機的電磁計算，基本技術數(shù)據(jù)及計算參數(shù)如下所述。

3．1  電機額定技術指標

兩種規(guī)格電機的額定技術指標見表1，進行電磁計算時就以此指標為基準。

3．3電機電磁計算方案

兩個規(guī)格電機的電磁計算方案見表3。表中給出了電機的電、磁負荷及轉矩大小。計算表明，對特定電機，其電磁負苘選擇要適當，即電磁負荷的比例要恰當，只有電磁負荷分配均勻了，電機的性能才能達到****。

3．4不同頻率下電機的電氣性能指標

表4給出了70YGD01電機在不同頻率下的電氣性能指標。從表中可以看出，當電機的頻率、輸入電壓和輸出功率成比例變化時，電機的磁負荷基本保持不變，電機的電負荷及性能略有變化。這就說明在恒轉矩負載下，只要保持電源電壓與頻率的變化為恒定比例，電機就可輸出滿足使用要求的特性。

4電機的機械設計

電機在每分鐘數(shù)萬轉的高速下運行時，用普通軸承因發(fā)熱嚴重及損耗過大根本不行。本文電機的軸承采用空氣動力軸承以減小高速運轉時的摩擦力矩。從上面計算可以看出，在特定頻率下，電機的電磁負荷較高，因此為保證電機在正常工作時溫升不至于太高，電機的冷卻必須采取有效措施。本文的電機機殼采用外循環(huán)強迫水冷，以降低電機溫升。這樣就保證了電機在高速下能正常工作。電機定子繞組采用耐高溫環(huán)氧樹脂膠灌封固化工藝，以增加繞組的耐熱性和機械強度。

5  結  論

變頻電機與普通非變頻電機在設計及運行上是不同的。因此在制造及使用變頻電機時要給予充分的考慮。一般來說，變頻電機的設計要比普通的電機復雜。當采用變頻器供電時，在某一特定頻率下變頻電機的輸出特