第5章 选择变频系统电动机的基本技能与方法

5.1 变频器使用的电动机基本知识

采用变频器进行调速时，既可以使用通用的电动机，也可以采用专用于变频调速系统的专用电动机。

5.1.1 变频器专用电动机的类型

变频器专用电动机主要有以下几种。

①在运转频率区域内低噪声、低振动的变频器专用电动机。

②在低频区内提高连续容许转矩的变频器专用电动机，如恒转矩式电动机。

③高速传动变频器专用电动机。

④适用于闭环控制（抑制转速变动）的带测速发电机的变频器专用电动机。

⑤矢量控制用变频器专用电动机。

5.1.2 变频器专用电动机的基本知识

1.产生噪声、振动的原因

一般电动机采用变频器传动时噪声、振动会变大，其原因多是由于较低次的脉动转矩引起的。尤其是电动机气隙的不平衡和转子的谐振是造成振动变大的主要原因，也是电磁噪声增大的主要原因。

另外，电动机气隙的不平衡与风扇罩等电动机零件的谐振也会产生电磁噪声，且噪声的大小会随电磁脉冲的增大而变大。

2.主要特点

为了降低变频器运行时电动机的噪声与振动，低噪声、低振动的变频器专用电动机在结构上进行了一定的适用性改进，同时，在系统设计方面也进行了改动，其主要特点如下。

①减小了气隙不平衡现象。

②将各部件的固有频率与电磁脉冲的分量错开。

③减小了电磁脉动的大小。

④采用五相集中绕组变频器调速异步电动机，它具有功率密度高、输出转矩大、电磁振动与噪声均较低等特点。

3.提高转矩特性的变频器专用电动机适用的场合

一般的电动机采用变频器驱动时，即使频率与工频电源相同，电流也会增加约10%，温升则会提高约20%；在低速区，冷却效果与电动机的最大转矩均会较低，因此，必须减轻负载。但是，在有些情况下，要求低速区要有100%的转矩，或者为了缩短加速时间，要求低速输出大转矩。在这种场合使用的电动机，如采用一般的电动机，则电动机的容量需要增大，进而变频器的容量也要相应的增大。

4.提高转矩特性的变频器专用电动机的特点

为了满足提高转矩特性要求，出现了100%转矩可以连续使用到低速区的专用电动机，这就是提高转矩特性的变频器专用电动机。这种专用电动机从6Hz到60Hz可以用额定转矩连续运转。为这种专用电动机供电的变频器，可以采用标准规格，也可采用特殊的专用变频器。

由于提高转矩特性的变频器专用电动机的电流受变频器容许电流的限制，对于需要急加速、减速的场合，即使连续使用转矩足够，也会发生转矩不足现象。为此，通常可以将变频器的容量增大来解决。

5.高速传动变频器专用电动机的特点

（1）冷却方式

高速传动变频器专用电动机的运转速度可达10000～300000r/min，为了抑制高频铁损产生的温度升高现象，大多采用水冷却方式。

（2）结构上

高速传动变频器专用电动机在结构上与一般的电动机完全不同，采用空气轴承、油雾轴承、磁轴承等，是一种特殊类型的电动机。为了解决高速化的问题，还采取了去掉端环风叶、去掉冷却风扇（采用全封闭自冷或冷却风扇单独传动的强迫通风方式），设置平衡环等措施。

6.带测速发电机的变频器专用电动机的特点

带测速发电机的变频器专用电动机是专为变频器闭环控制而设计的，这类专用电动机多用于为了提高转速精度，要求采用转差频率控制的闭环控制系统。测速发电机的规格是三相交流式，能产生较高的输出电压。

7.矢量控制用变频器专用电动机的特点

矢量控制调速系统要求电动机惯性小，作为专用电动机已经系列化。矢量控制用变频器专用电动机的检出器，采用磁编码器、光电编码器等，电动机结构特殊，变频器也是专用的。

8.齿轮电动机与配套变频器使用时它的连续运行转矩的特性

（1）转矩特性

齿轮电动机采用变频器进行低速运行时，必须要减小转矩（电流）使用，以补偿电动机冷却效果的恶化。齿轮电动机在50Hz频率下可以连续运转的转矩特性（以齿轮电动2.2kW、4极，变频器PWM控制2.2kW，转矩以电动机50Hz时的额定转矩为100%为例）如图5-1所示；齿轮电动机在60Hz频率下可以连续运转的转矩特性（以齿轮电动机2.2kW、4极，变频器PWM控制2.2kW，转矩以电动机60Hz时的额定转矩为100%为例）如图5-2所示。

（2）需要说明的问题

①电动机采用变频器驱动运转时，一般都存在启动转矩小的问题，但对于齿轮电动机来说，如果在可能运转的范围内给定最高频率，再适当增大减速比，就可以解决启动转矩不足的问题。

②齿轮电动机的噪声与电动机单体一样，在高频时电动机的通风声音会增大，齿轮声音也增大，故齿轮电动机在60Hz频率以上使用时一定要注意。

③齿轮电动机多带制动器，这种电动机采用变频器传动时，制动器电压不能从变频器输出端引入，应从变频器的输入端（电源侧）引入，这一点必须注意到。

9.异步变频调速电动机与普通异步电动机的区别

异步变频调速电动机是由普通异步电动机经改进而得到的。由于要适应变频器输出电源的要求，异步变频调速电动机的转子槽型、绝缘工艺、电磁设计校核等方面均与普通异步电动机有较大的区别。尤其是电动机的通风散热系统，通常都单独设置了一个独立的强迫冷却风机，以适应电动机在低速运行时的高效散热与降低电动机在高速运行时的风能损耗。

10.不能实现多台电动机转速的严格同步的原因

变频器的输出通常显示电源的输出频率，对于变频调速系统的转速输出则显示电动机的极数与电源输出频率计算后的数值，该数值和异步电动机的实际转速差别较大。

在使用一般的变频电动机时，由于异步电动机的转差率是由电动机的制造工艺确定的所以它的离散性比较大，而且负载的变化会直接影响电动机的转速。因此，当需要精确控制电动机的转速时，一般是采用光电编码器进行闭环控制。这种情况如是由单机控制时，转速的精度主要由编码器的脉冲数确定；但如属于多机控制状态，则多台电动机的转速就无法严格的同步进行，这主要是异步电动机本身特性确定的，也就是异步变频调速电动机不能实现多台电动机转速的严格同步的原因。这种情况一般只有换用同步变频调速电动机。

11.开关磁阻式电动机的特点

（1）定、转子均为双凸极结构

开关磁阻式电动机简称为SR，是一种特殊类型的同步电动机，其定子与转子均为双凸极结构，结实无刷，输出转矩较大。

（2）线圈绕组仅需要单方向电流

由于开关磁阻式电动机的线圈绕组仅需要单方向电流，故其只需要单极性功率变换器就可以供电，故其电路结构十分简单。

（3）无位置传感器

早期的开关磁阻式电动机调速系统采用位置传感器进行转子位置的检测，现在已经出现了无位置传感器的开关磁阻式电动机调速系统。

（4）开关磁阻式电动机调速系统的不足

开关磁阻式电动机调速系统优点突出，应用领域日益扩大，不足的是开关磁阻式电动机调速系统功率变换器输出的是不规则的电流脉冲，由此在低速时可能会造成运行噪声与转矩脉动问题，这可以在控制方法上作进一步改进。