變頻調速電機簡稱變頻電機，是變頻器驅動的電動機的統稱。人們對變頻調速系統的研究主要集中在變頻器的拓樸結構以及控制算法上，取得了較大的進展，使電動傳動的動態性能和調速精度大大提高。各種交流變頻調速電動機系統被廣泛用於數控工具機、工業機器人、各種自動機械設備、紡織、印刷、輕工系統的各種柔性生產線、軋鋼、礦山、機車拖動、航空航天、船舶等領域。
基本介紹
- 中文名：變頻調速電動機
- 外文名：Frequency conversion motor
- 目的：變頻器供電下高效調速
簡介,工作原理,種類,結構特點,區別,內涵與外延,最佳化設計,電磁特性改進,結構改進,
簡介
所謂變頻調速電動機主要是指適應於在變頻器供電下的高效電動機。電機可以在變頻器的驅動下實現不同的轉速與扭矩，以適應負載的需求變化。變頻電動機由傳統的鼠籠式電動機發展而來，把傳統的電機風機改為獨立出來的風機，並且提高了電機繞組的絕緣性能。
隨著變頻器在工業控制領域內日益廣泛的套用，變頻電機的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由於變頻電機在變頻控制方面較普通電機的優越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機的身影。
工作原理
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們使用的變頻器主要採用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然後再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩衝無功功率。
種類
為適應變頻調速系統的需要，新穎電動機不斷湧現，其主要特點是：擺脫常規旋轉磁場的概念，而利用電動機結構與控制相結合產生磁場形變的機理來驅動轉子旋轉。
其中一種典型的新穎交流電動機為同步磁阻永磁電動機，該電動機定子與同步電動機相同，轉子則是由多層迭片軸向相疊而成，該電動機綜合了同步磁阻和同步永磁電動機的特點，展現了一種全新的電動機設計和運行概念，具有高功率密度、寬調速範圍、高效率、高功率因素及體積小、重量輕等顯著優點，特別適用於作機車、飛機、船艇、礦井開採等方面的動力電動機。
另一種適合於變頻調速的電動機為雙饋電動機。它實際上是異步電動機的一種變異，分鼠籠式和繞線式兩種。從基於控制角度來看，可以將前者視作為單饋電動機，因為它僅僅在定子上有一個與外部聯接的繞組；而繞線式異步電動機則可看作為雙饋電動機，因為有兩套繞組與外部相聯。與單饋異步電動機相比，雙饋電動機有下列優點：·
（1）容易對轉矩和速度進行控制；
（2）在工作為恆頻變速狀態；
（3）變換器的總額定功率可以降低，從而減小其尺寸。
結構特點
B級溫升設計，F級絕緣製造。採用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆製造工藝以及採用特殊的絕緣結構，使電氣繞組採用絕緣耐壓及機械強度有很大提高，足以勝任馬達之高速運轉及抵抗變頻器高頻電流衝擊以及電壓對絕緣之破壞。平衡質量高，震動等級為R級（降振級）機械零部件加工精度高，並採用專用高精度進口軸承，可以高速運轉。強制通風散熱系統，全部採用進口軸流風機超靜音、高壽命，強勁風力。保障馬達在任何轉速下，得到有效散熱，可實現高速或低速長期運行。經AMCAD軟體設計的YP系列電機，與傳統變頻電機相比較，具備更寬廣的調速範圍和更高的設計質量，經特殊的磁場設計，進一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節能和低噪音的設計指標。具有寬範圍恆轉矩與功率調速特性，調速平穩，無轉矩脈動。與各類變頻器均具有良好的參數匹配，配合矢量控制，可實現零轉速全轉矩、低頻大力矩與高精度轉速控制、位置控制及快速動態回響控制。YP系列變頻專用電機可配製剎車器，編碼器供貨，這樣即可獲得精準停車，和通過轉速閉環控制實現高精度速度控制。採用“微電機+變頻專用電機+編碼器+變頻器”實現超低速無級調速的精準控制。
區別
前套用於電動機傳動系統的電動 機主要是異步電動機、同步電動機、永磁 電動機和直流電動機，顯然，異步電動機 是產量和用量最大的電動機。變頻調速 電動機主要指的是異步電動機。國內外興起的“電力電子逆變器供電下的高效異步電動機”就是為充分利用逆變器的變頻變壓供電條件，挖掘電動機本身潛力，提高電動機性能，降低其製造和運行費用而設計開發的。它與傳統異步電動機設計相比有很大的不同，主要為以下三個方面：
（1）由於電源頻率不同，則電動機機械特性可以隨之平移。這樣可直接利用其最大轉矩作為起動轉矩，不必利用集膚 效應來提高起動力矩，從而轉子可以優 化設計以提高電動機穩定運行性能。
（2）由於逆變器能夠平滑變頻變壓，從 而可以將異步電動機調節在最佳運行點 上，即得到最小滑差、最大效率和高功率 因數。這樣在保證出力不變的情況下，減小電動機尺寸，減輕其重量和降低成本。
（3）由於逆變器供電下的異步電動機 大多不是長期工作在一定額定狀況下， 而是處於不斷變化之中，因此其溫升極 限得以提高，從而可以增加電流設計密 度，進一步減小電動機尺寸和重量。
普通電機是根據市電的頻率和相應的功率設計的，只有在額定的情況下才能穩定運行。變頻電機要克服低頻時的過熱與振動，所以變頻電機在設計上要比普通電機性能有所提高：
（1）電動機的效率和溫升在變頻驅動下，變頻電動機效率會高10%左右，而溫升會小20%左右，尤其是在矢量控制或者直接轉矩控制的低頻區域；
（2）電動機的絕緣強度問題。由於變頻電動機專為變頻器驅動設計，所以能承受較大的du/dt，所以變頻電動機的絕緣強度要高。尤其是在DTC控制模式下，對電動機的絕緣強度是個很大的考驗；
（3）在電磁噪聲和振動方面，變頻電動機在變頻驅動時較普通電動機有更低的噪音和更小的電磁振動；
（4）變頻電動機對於需要頻繁啟動、頻繁調速、頻繁制動的場合，要優於普通電動機；
（5）最最主要的區別，還是變頻電動機有額外的散熱，在低頻、直流制動和一些特殊套用場合下的散熱要大大的優於普通的交流異步電動機。
內涵與外延
變頻調速電動機實際上是一個系統問題，它必須將電動機與電力電子變頻器及其控制方法一併考慮。它的內涵和外延包括有：
（1）電動機設計應是一個運行區域的最優設計，而不是傳統的額定點的設計；·
（2）電動機運行在追求高效率的同時，必須考慮高功率因素；·
（3）電動機的內部空問磁場分布應與電流時問波形有一個適當的匹配以減小諧波分量；·
（4）電動機設計必須與電動機控制方法和變頻器特性相匹配，電動機只是傳動系統里的一個部件；·
（5）變頻調速電動機系統具有高可靠性和高容錯能力，具有高智慧型。
最佳化設計
電磁特性改進
（1）降低定子電阻，提高轉子電阻。此外變頻電機採用較大的轉子電阻不但可以減少由基波和高次諧波所產生的轉子鋁耗，也可在一定程度上抑制低速時的轉矩脈動。
（2）一般市售通用變頻器以電壓型居多，為抑制電流中的高次諧波，需要適當增加電機的電感量。但由於電機轉子槽有漏抗較大的槽形，集膚效應也大，故高次諧波銅耗也增大。因此，電機漏電感的大小要兼顧到整個調速範圍內阻抗匹配的合理性。
（3）變頻調速異步電動機的主磁路設計一般均不十分飽和。這一方面是考慮到電源中的高次諧波會加深磁路飽和，另一方面也考慮到低頻時為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓。
結構改進
由於電源的非正弦波特性對變頻電動機的絕緣結構震動、噪音、冷卻方式等多有影響。因此，在結構設計中必須考慮：
（1）在把電動機耐熱等級提高的基礎上，還必須對地絕緣強度和導線匝間絕緣的耐衝擊電壓能力有充分的考慮；
（2）在震動和噪聲的問題上，除了選擇合適的定轉子槽配合之外，對定轉子部件的加工和裝配精度也應有較高的要求，以提高氣隙均勻度轉子的動平衡精度和電磁對稱性，對結構件要充分考慮剛性問題。
