变频电机设计有哪些要点？

我一直认为除非对体积、效率要求十分苛刻，异步电机仍是传动系统的首选（当然微特电机、输出信号的控制电机是另外一回事）。这次重点就异步电机，聊一聊变频器供电时需要重点考虑的若干问题。

负载特性和系统要求

1、确定转矩转速范围，每个转速对应的额定转矩、峰值转矩和运行时间。

2、一般不考虑起动性能（轨道交通有的要求冗余，变频器故障时电机能运行）。

3、选择与转速变化弱相关的冷却方式。若转速范围较宽，不推荐IC411自扇风冷。

4、转速范围较宽，最高转速时的功率不易保证时，降低额定电压（或提高额定频率）。

5、综合考虑轴承在低速/高速时的受力、润滑、振动、温度和寿命。

附加损耗及其影响

因变频器电源提供的是由矩形脉冲等效成的正弦波，故除有基波电压和电流产生的损耗外，还会产生附加损耗。其大小取决于变频器类型、参数及电机和滤波电路的设计。

附加损耗主要体现在电机导体（主要为转子导条）的集肤效应和漏磁通路径的涡流上，故对电机设计者来说，减小附加损耗的措施有：

A、转子绕组设计时减小集肤效应；

B、定子绕组设计时减小集肤效应；

C、转子槽开口；

D、避免转子铁心片间短路；

E、采用更薄的定转子冲片；

其它方面的措施有：

A、根据负载情况优化电机磁通（严格来说这是降低基波损耗的）；

B、优化变频器的脉冲波形；

C、提高载波频率（具体可参考旧文《变频器载波频率对电机效率的影响》）；

D、配置三电平变频器；

E、使用滤波器（应考虑其引起的电压降）。

附加损耗会使电机温升上升，与工频电源相比，有的可达30K以上。应从改善冷却方式、提高耐热等级、加大电机容量等多种途径考虑其影响。

噪声、振动和扭转振荡

电机转速升高，会使自冷风扇的通风噪声增加。相关数据表明，转速升高20%，噪声增加3dB；转速升高50%，噪声增加10dB。如电机的旋转方向单一，使用轴流风扇对降低噪声非常有效。

电源频率和谐波分量对电磁噪声影响很大。国标GB 10069.3中第7章专门分析了噪声增量，当载波频率较低时，变频器引起的噪声增加量可能高达15dB。电磁噪声的增量与变频器类型、宽频谱设计密切相关。即使电磁噪声的增加并未使电机噪声显著增加，也会显得更加刺耳。

电机的转速范围较宽时，某些转速会使电机与设计产生共振，这是很难避免的。可以设置越程带，以跳过共振频率段。

由谐波产生的振荡转矩，频率取决于载波频率，幅值取决于脉冲宽度。若载频与其频的比值较低，振荡转矩的幅值可达15%。另外，变频器输出电压不对称（即使很小）也可能产生振荡转矩，然后传递给负载，需要预防。

电气绝缘

电压源变频器产生不同宽度和频率的固定振幅电压方波脉冲；其输出电压上升时间约50~400ns；为减小功率器件的开关损耗，应尽可能缩短上升时间。这种对电机端电压重复性的突增，势必降低其绝缘寿命；具有较快上升时间和较高电压的浪涌对绝缘损坏的危害更严重。另外经验表明，电缆长度增加使电机的冲击电压更大，上升时间也更长；如电机和变频器安装在一起，电压突变会减小。

较短上升时间的冲击导致电压在整个线圈中分布不均衡，线圈匝间出现高强度应力。上升时间越短，线圈第一匝承受的电压越大，容易使绝缘击穿。

为了提高绝缘系统的局部放电起始电压或电晕起始电压，电机设计者应考虑以下因素：

A、绕组型式：散嵌绕组或成型绕组；

B、相间和接地绝缘材料；

C、浸漆种类及浸漆工艺；

D、导线尺寸、导线绝缘类型、导线绝缘厚度；

E、运行温度、环境空气质量。

轴电压、轴电流

当轴承两端的电压超出了润滑剂的绝缘能力时，就会产生轴承电流。轴电压产生的原因有：

A、磁路不对称：产生低频轴电流；

B、静电聚集；

C、高频电压：与电源的高频率开关有关。

高频轴承电流有三种：循环电流、轴接地电流和电容性放电电流。

1、循环电流：大电机定子轭部的高频磁通经过机座、端盖，与轴和轴承形成导电回路；该磁通由绕组泄漏到定子铁心的电容性电流产生，感应出轴电压影响轴承。这个电流可叠加在低频电流之上。

2、泄漏到机座的电流须回流到变频器中；因为机座的电位比地高，故会有部分电流经轴承、轴和传动机械返回至变频器。

3、共模电压在电机内部电容上的电压分布会引起击穿轴承润滑剂的轴电压从而产生高频轴承电流脉冲。如果轴伸没有经传动机械接地而电机机座接地保护时，就会发生这种现象。

防止高频轴电流的方法：

A、适宜的布线和接地系统；

B、改变轴承电流回路；

C、削弱高频共模电压；

D、使用绝缘轴承或在轴承的任意一侧采取绝缘措施；

E、用滤波器降低共模电压和du/dt；

F、采用非导电联轴器；

G、在轴和端盖之间用电刷接触；

H、尽可能使用低电压电机和变频器；

I、降低变频器的载波频率（注意其它影响）；

J、避免使用双重转换（并联开关）。

以上措施并非使用一条即可，通常需要2条以上综合使用。

接地和EMC

为使传动系统无干扰运行，须采取措施保证高频时的有效接地，这就要求安装地面、电机及负载设备的外壳、变频器线路板与大地处于等电位。另外，正确的接地可有力削弱电机轴和机座的电压，减小高频轴电流，并对相-地绝缘电压有影响。

接地电缆的规格应符合相关标准（如GB 14711）和法规。

对于100kW以上电机，要求机座与负载机械之间搭接，这是为了实现等电位和提高接地效果。例如，电机接线盒处和机座底脚处的接地端子最好用导线或金属编织带连起来。

大于30kW电机宜用单芯动力线和多根接地线对称配置的电缆以减小高频轴电流和电磁干扰。

如以屏蔽层作为防护导线，屏蔽层电导至少应达到主导体电导的50%，高频情况下至少要达到10%。电缆屏蔽应两端接地；如电缆两端须去除屏蔽层，那么去除长度应尽量短。

结束语

可能有的读者已经看出，以上内容大都来自国标《GB/T 21209-2017 用于电力传动系统的交流电机 应用导则》，该标准等同采用IEC 60032-25:2014。本文只是作（抛）一（砖）提（引）示（玉）。最后要感叹一句：这真是个好标准，简直就是变频电机的设计指南。