上海南洋電機廠（20004 0）張加林姚秋亮相異步電動機的特點、設計方法和措施。介紹了上海南洋電機廠YTSZ系列冶金及起重用變頻調速三相異步電動機研制情況。

　　敘詞異步電動機冶金起重變頻調速設計措施1刖言隨著電力電子技術飛速發展，交流調速系統在工業領域得到廣泛應用。九十年代初，上海南洋電機廠根據市場需求信息開發了YTSP系列變頻調速電機。該電機以優良的調速性能、較寬的調速范圍等得到各行各業認同。其中，有相當一部分用戶，特別是起重行業用戶，比較為關心的是YTSP系列變頻電機采用S3工作制時的輸出功率能夠提高多少，低頻起動轉矩、低頻起動電流是多少等等。為此，上海南洋電機廠走訪部分用戶，仔細了解起重設備工況，分析了YZ系列冶金及起重用三相異步電動機特點。在做好技術準備工作的基礎上，1998年開發了YTSZ系列冶金及起重用變頻電機，現就這種類型變頻電機特點和設計方法作一介紹。

　　2電機特點YTSZ系列變頻電機開發原則：滿足冶金和起重行業對變頻電機的要求，保留YTSP系列變頻電機調速性能好和使用可靠性高的優點。因此，該系列變頻電機必須具有如下特點：電機基準工作制采用S3-40%斷續周期工作制；電機具有較大過載能力電機能在1Hz低頻下起動，起動轉矩可達1.5倍額定轉矩；電機具有較寬調速范圍；調頻范圍與YTSP系列一致；電機能適應頻繁起制動、正反轉工況電機結構具有較高機械強度，能承受沖擊和振動；電機能適應高溫、日曬、雨淋、粉塵較多場合。

　　3設計方法及措施我們知道一般鼠籠電機設計是以50Hz電網電源供電為目標，重點考慮的是50Hz時力能及起動性能指標。而YTSZ系列變頻電機，因采用變頻器供電，在設計時，需要考慮電機在非正弦波電源供電下的適應性，電機的使用可靠性，電機的過載能力，低頻起動性能，調速性能，絕緣處理等。下面主要圍繞這幾個方面談一談設計方法及措施。

　　變頻電機過載能力大小，高頻調速性能與電機比較大轉矩有關。從電機學中知道，電機比較大轉矩計算公式為：P?電機極數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?折算至定子邊轉子繞組漏電抗Xm一激磁電抗從上可知，電機比較大轉矩與定子繞組上外施電壓平方成正比，與定子頻率及電機漏電抗成反比。

　　電機的過載能力大小反映了電機比較大轉矩輸出能力，即只有電機比較大轉矩大，才能保證電機過載能力大。針對冶金和起重行業均要求電機過載能力大的特點，YTSZ系列變頻電機要求在50Hz額定點過載能力必須達到2倍額定轉矩，歷當變頻電機以恒磁通調節方式至低頻時，由于電壓補償起作用，比較大轉矩得以提高，能夠保證低頻恒轉矩運行。當變頻電機以恒功率調節方式至高頻時，由于變頻器輸出電壓受電網電壓的限制不能提高，只能保持額定電壓，而電機漏電抗隨頻率升高而大，電機的比較大轉矩快速下降。從電機穩定運行角度看，穩定工作點滑差S要求在Sm（Sm為比較大轉矩對應滑差）之間，但工作點滑差S不能接近Sm點，因為如果負載有波動的話，很容易造成電機不穩定運行。因此，在比較尚頻率運行時，一般要求電機的比較大轉矩與負載轉矩之比必須大于1.4倍。

　　綜上所述，對YTSZ系列變頻電機，既要保證50Hz額定點2倍過轉矩能力，又要保證變頻電機在高頻率點穩定工作。在設計中，必須將額定點的比較大轉矩計算值控制在3倍以上和比較高頻率點的比較大轉矩計算值控制在1. 5倍以上。這樣可以保證YTSZ系列變頻電機在開環U/f控制下，恒轉矩調速范圍可達到350Hz.恒功率調速范圍可達到50100Hz.提高比較大轉矩主要方法有：提高磁負荷；降低定子繞組電阻；降低電機漏電抗。

　　冶金和起重行業用戶對變頻電機低頻起動性能十分關心，希望變頻電機在低頻起動時，起動轉矩大和起動電流小，因為起動電流大小涉及到變頻器容量的選擇。因此，低頻起動性能是YTSZ系列變頻電機重要指標之一。在經過多次低頻起動性能試驗后，提出了YTSZ系列變頻電機在1Hz低頻下起動轉矩要求達到1. 5倍額定轉矩，而此時-起動電流限制在2倍以內。從電機學中知道，適當提高轉子電阻值可提高起動轉矩和降低起動電流。在設計中，采取主要措施是轉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，因起動電流倍數大大減少，可忽略起動電流引起溫升。與具有相同主要尺寸具連續工作制YTSP系列變頻電機相比，其輸出功率可按等效電流法或其他折算法進行折算。根據這一思路，結合電機過載能力，在確定YTSZ系列變頻電機輸出功率時，將部分機座號比較大的電機輸出功率等級按硬性功率等級提高一級，見表1（表中各機座號選一個規格作代表）。其他工作制時輸出功率可以按基準工作制輸出功率進行換算。由于提高了電機輸出功率，為了不減小電機的過載倍數，在電磁設計中，仍將提高電機比較大轉矩為目標，提高過載能力。

　　表1 YTSP系列與YTSZ系列部分機座號輸出功率對照表輸出功率kW YTSP系列YTSZ系列諧波主要給變頻電機帶來2個影響，即損耗和諧波轉矩。對YTSZ系列變頻電機的損耗加較多部分，主要是轉子銅耗。這是因為YTSZ系列轉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，鑄鋁轉子導條交流電阻在諧波頻率作用下，由于集膚效應會明顯大，電阻的加使銅耗也加。另外，電機輸出功率的提高，也是電機的銅耗大的另一個原因。因此，YTSZ系列變頻電機總的損耗將比其他電機來得大。為保證變頻電機輸出額定功率，設計中必須采取的措施有：降低對電機影響較大的低次諧波；導磁材料采用損耗較低而導磁性能良好的硅鋼板；加強電機的通風冷卻效果。諧波給變頻電機帶來的另一個主要影響是諧波轉矩。諧波轉矩將造成變頻電機在低頻運行時產生轉矩脈動。要避免低頻轉矩脈動，設計上除采取降低低次諧波的影響外，適當提高電機漏電抗可以降低諧波轉矩，但會給變頻電機其他性能帶來影響，這就需要在電機設計中作全面考慮。

　　變頻電機絕緣處理是一項關鍵工藝，絕緣處理得好與壞，直接影響電機使用壽命和可靠性。YTSZ系列變頻電機采用F級絕緣。其主要原因有2個：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損耗加，電機溫升升高其次，變頻電機一般均要求在較大的頻率范圍內運行，在高頻運行時，由于定子頻率加，電機溫升明顯上升。此外，在變頻電機的絕緣處理中，匝間絕緣處理及對地絕緣處理也是非常重要的環節。一般在使用變頻電機時，在變頻器和變頻電機之間采用電纜連接，由于電纜波阻抗與電機定子繞組波阻抗不匹配，在定子繞組端產生一個反射波電壓，這電壓有可能達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IGBT功率元件開關頻率很高時，會給電機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，變頻電機中諧波磁勢在定子繞組中產生脈動磁勢，也容易損壞繞組對地絕緣。YTSZ系列電機的絕緣處理，考慮了這幾方面的影響，并有針對性地采取了一些措施，取得了良好的效果。該絕緣結構己取得了美國保險商實驗室（UL）及加拿大標準學會（CSA）的產品安全認可。

　　針對冶金和起重行業使用環境，YTSZ系列變頻電機在結構設計上采取的主要措施有電機主要結構件采用高強度材料，如采用的鑄鐵材料其機械強度不低于HT200；轉軸材料采用合金鋼并作調質處理。電機內部零部件之間的公差配合要求較高，特別是鑄鋁轉子鐵芯與轉軸的公差配合。對轉軸臨界轉速、軸伸強度等均作校核計算。

　　IMB5、IMV1.電機出線盒的位置可以在右邊或左邊，也可以在電機的上邊。變頻電機防護等級可根據用戶需要制成IP54、IP55，對個別用戶要求防護等級達到IP56，也可以作特殊設計。另外，變頻電機還可以根據用戶需要加裝制動器、編碼器、加熱器等附件。電機冷卻方式一般米用軸流式冷卻風機。如果所帶附件較多或較長則使軸流式冷卻風機冷卻效果變差，這時宜采用其他結構冷卻風機，如背包式冷卻風機或騎式風機等。在調速范圍不寬的場合，還可選擇同軸風扇結構。

　　4研制情況TSZ系列變頻電機中心高從90mm335mm，功率從1.lkW315kW，極數有4、6、8、10極（10極權限于315、355機座號）。從試制情況來看，電機低頻起動性能和比較大轉矩（見表2）均達到預期要求。另外，在試制過程中，還對變頻電機分別做了不同工作制的溫升對比工作。YTSZ系列變頻電機自開發以來，己得到冶金和起重行業的歡迎，特別是起重設備制造行業。目前YTSZ系變頻電機己批量生產，并在多項重點工程項目中得到應用，遠銷國外。

　　表2YTSZ系列變頻電機的主要性能型號主要性能1Hz起動轉矩倍數1Hz起動轉矩1.5倍時起動電流倍數50Hz比較大轉矩倍數第一作者張加林男40歲工程師曾榮獲1999年中國船舶工業總公司科技進步三等獎，1998年上海市標準化科技成果二等獎。