1 前言 異步電機是典型的常規(guī)交流電機。自從現代交流變頻調速技術發(fā)明以來，異步電機驅動技術得到了廣泛的研究和發(fā)展。但在這些研究中，主要針對變頻器拓樸結構及控制算法的研究開發(fā)，而在異步電機設計和分析方面卻沒有明顯的改變。目前，我國所用電動機主要為20世紀70年代末設計出來的Y系列異步電機，該電機主要是針對恒頻恒壓電源設計的。這樣的電機在變頻器供電下，其效率、功率因數和功率密度等穩(wěn)態(tài)性能都有所下降，且電機絕緣、噪聲及其它故障情況也趨于惡化。因此，重新考慮異步電機在變頻調速系統(tǒng)中的設計問題勢在必行。 2 變頻器供電下的電機運行條件 在變頻器供電方式下，異步電機的運行條件有了一個很大的變化，常規(guī)異步電機設計和分析方法已經不能與之相適應。 常規(guī)異步電機設計中，基本設計要點是: （1）滿足所需要的啟動特性; （2）具有良好的穩(wěn)定運行狀況; （3）制造簡便。 為了滿足啟動要求，通常將轉子槽設計成深槽或雙鼠籠槽，利用其集膚效應增加啟動時的轉子電阻，從而提高啟動轉矩。但這樣既降低了電機穩(wěn)定正常運行時的特性（如降低了效率和功率因素），又增加了制造加工的難度。對變頻器供電下的異步電機，由于可方便地調頻調壓，使其機械特性曲線可以有條件的平移。當頻率下降時，曲線左移;當頻率上升時，曲線右移。這給電機運行帶來新的變化，主要體現在以下幾個方面: 1）電源頻率變小，電機機械特性可隨之左移。這樣可利用調頻來直接利用其最大轉矩作為啟動轉矩，從而使轉子槽型可以在提高穩(wěn)定運行性能的目標上進行優(yōu)化設計。 2）變頻器適當地變頻變壓，從而可將異步電機調節(jié)在最佳運行點上，即得到最小滑差、最大效率和高功率因素。這樣在保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因素代替額定效率和額定功率因素，進而減小電機尺寸，減輕其重量和降低成本。 3）通過變頻器的調頻調壓，可對異步電機進行矢量控制，在保證足夠的氣隙磁場條件下，可得最小勵磁電流，從而同時提高電機的功率因數和效率。 3 設計要點 為充分利用變頻器能變頻變壓的供電條件，挖掘電機本身潛能，提高電機本身性能，降低其制造和運行成本，自90年代以來，逐步發(fā)展了在變頻器供電下的異步電機設計和分析方法。概括起來有下面五點: 1）設計應是一個運行區(qū)域的最優(yōu)設計，而不是傳統(tǒng)的額定點的設計。 以往電機設計都是圍繞運行額定點來設計，以獲取最佳額定運行性能。而對于變頻調速電機來說，往往電機是運行在一個區(qū)間，所以僅僅具有最佳額定運行性能是不夠的，更重要的是在運行區(qū)間里有較好的運行性能。 2）電機設計在追求高效率的同時，必須考慮高功率因素。 傳統(tǒng)電機設計中主要追求高效率，而忽視對高功率因數的追求。 事實上，在變頻調速系統(tǒng)中，功率因數的高低對系統(tǒng)，尤其對變頻器的工作狀態(tài)有很大的影響。低功率因數則需要更大容量的變頻器，系統(tǒng)效率降低，諧波分量增加。 3）電機的內部空間磁場分布應與電流時間波形有一個適當的匹配以減小諧波分量。 一般認為，變頻器的使用使得電機內部電磁諧波增加，主要是由于變頻器開關作用使得電壓、電流時間諧波增加。事實上，由于電機內部定轉子齒槽分布產生的空間磁場齒諧波在一定條件下可與電流時間諧波相互抵消，因此定轉子齒槽數目、槽型及其尺寸大小設計應與減小磁場諧波分量相結合。 4） 電機定轉子槽型優(yōu)化設計 由于變頻調速電機能夠通過變頻變壓控制來滿足對啟動性能的要求，這使得傳統(tǒng)電機設計中的啟動性能設計約束被放寬。在傳統(tǒng)的轉子槽形設計中，為了滿足啟動性能，常常通過增大啟動時轉子擠流效應的辦法來增大轉子啟動電阻，從而增大啟動轉矩。因此，對啟動性能要求高的傳統(tǒng)電機轉子槽形一般為雙鼠籠槽形或深槽形。該槽型增大了漏感和轉子電阻，降低了穩(wěn)定運行時的功率因數和效率。而在變頻調速電機設計中，電機轉子槽形的選擇主要為了滿足穩(wěn)定運行時的效率和功率因數等性能，因此轉子的電阻和漏抗都應設計得盡量小。轉子槽形可按穩(wěn)定運行時的最優(yōu)性能來優(yōu)化設計。 5）變頻調速電機適當設計可具有高可靠性和高容錯能力。 在變頻器供電下的異步電機中，當一相或兩相發(fā)生故障后，經過控制器適當調節(jié)和利用電機的優(yōu)化設計，系統(tǒng)仍能保持正常運行。故障后的缺相運行，其性能指標將有所下降，但仍可達到可接受的運行能力。特別為使故障后單相正常運行，除用控制器調節(jié)電流外，還需配合電機設計參數。正是由于上述新的設計策略，使得新的異步電機設計在出力不變條件下，其體積減少25%-30%，或者說電機功率密度增加25%-30%。另外，在調速范圍內，平均運行效率提高3%，平均功率因數提高4%，從而使得異步電機應用范圍大大擴展，首先將在應用大戶—風機、水泵調速中得到廣泛使用。 4 變頻調速電機設計的進一步發(fā)展 近10年來，對變頻器供電下的異步電機設計的研究逐步增加，這些研究包括:如何考慮在電力電子控制電源下的電機設計，如何建立電機及系統(tǒng)的高頻模型，如何認識電磁空間結構與其控制時間上的互補關系等。1991年，IEEE專門組織調查研究，對用于變頻調速的交流電機制定新的工業(yè)標準。調查報告指出:在變頻調速系統(tǒng)中，因為供電電源為非正弦波，所以電機設計中以基波為標準的基本公式應有所改變，主要尺寸的設計公式應考慮諧波的影響。在變頻調速電機性能方面，報告認為:在變頻器供電條件下，異步電機的電磁負荷分配趨于更合理，異步電機的損耗降低，因此異步電機的功率密度可以設計得較高;變頻調速系統(tǒng)中，電機在重量不變的條件下能多輸出30%～40%的功率。文獻[4>進一步提出了電力電子與電機集成系統(tǒng)的概念，并認為變頻器供電下的異步電機設計和分析實際上是一個系統(tǒng)問題，它必須將電機與電力電子變頻器及其控制方法一并考慮。其系統(tǒng)主要特征可概括為:集成化，即電力電子、電機及其控制系統(tǒng)高度集成，使得三者從設計、制造、運行都更緊密地融為一體;智能化，即自適應、模糊、神經元網絡及基于遺傳算法的各種人工智能控制方法大量引入和應用;通用化，即同一系統(tǒng)可以針對不同形式的電機以及不同運行模式而實行不同的控制方式;信息化，即電機系統(tǒng)不但是轉換、傳送能量的裝置，也是傳遞、交換信息的通道。 在此基礎上，研究出了完整的變頻器供電下的異步電機計算機輔助設計和分析可視化軟件包。該軟件包已達到實用化，為在變頻器供電下的異步電機設計與分析提供了有效的工具。