变频电动机的最新动向及应用

1 概述

随着环保、节能问题的不断深化，迄今为止，由市电恒速驱动电动机的应用中，藉助可变速运转，实施节能与改善的运行过程的实例越来越多。

特别是变频驱动结合感应电动机和永磁同步电动机的应用，节能效果和省维护性十分显著。

在1970—1980 年投资的设备中，由于机器的老化需要更新，绕线式感应电动机及直流电动机将逐步由变频驱动所取代。而且，由于高压变频器的开始普及，在原来应用较少的高压领域，变频电动机的应用也日益广泛。本文介绍了可变速电动机的变迁，概述了变频驱动电动机的几项关键技术，以及变频电动机的应用实例。

2 可变速电动机的发展过程

电动机的可变速运转，曾以直流电动机和绕线式感应电动机为主流。1953年面市的变速(VS)耦联(Coupling)与笼形感应电动机结合的VS电动机，曾向一般的可变速驱动及起重吊车等应用中大力推广，但是，直流电动机因向转子供电需要多个电刷，所以，维护量大;绕线式感应电动机和VS电动机在速度控制时，又存在滑差率成正比的损耗大这一问题。如由鼠笼式异步电动机与变频器组合，上述问题可迎刃而解。

另一方面，近年来国内外积极开展着节能工作，尤其是电动机的耗电，约占产业用全部电能的70%。故对电动机的节能对策已成为当务之急，日本在2000 年公布执行的工业标准715C4212(高效率低压三相鼠笼式异步电动机工业标准)中要求电动机高效率化。而且，从对用户从事节能实施的方式进行征询，结果显示利用变频器方法的数量最多，占到64.5%，如图1 所示。

安川公司为了满足这些节能要求，1997 年领先于其它公司开发了转子上无损耗这一特色的永磁同步电动机，并已产品化。从节能观点看，该同步电动机驱动作为新型可变速驱动引人注目，并在以升降机(电梯)为主的应用领域，显示出强劲的发展趋势。

3 变频驱动电动机的注意点

与采用市电电源操作电动机的情况不同，在利用变频器驱动的场合下，对包含于变频器输出电压、电流中高次谐波成分的影响，在电动机设计、制造以及应用时，须要从多方面引起重视。下面介绍有关冷却、谐波电流产生的发热、扭曲振动、浪涌(脉冲)电压以及电腐蚀等问题。

3.1 冷却

通过变频器的中变速运转，有的应用于风扇、水泵等具有平方递减转矩负荷特性的流体机械的控制;有的应用于对挤压机、压缩机等具有定转矩特性的机械控制。从电动机的冷却特性设计上看，前者与市电驱动的电动机是同一结构，而后者考虑了低速下冷却能力的下降，通常采用外风力的通风型结构，以便提高冷却性能。

3.2 由高次谐波电流引起的发热

用变频器驱动电动机时，流入电动机的电流含有高次谐波。对此，与市电操作的运转对比，变频驱动使电机绕线温度趋向于升高，提高了5%耀12%。特别在使用永磁同步电动机的情况下，因高次谐波电流会导致转子表面及磁体产生涡流损耗，从而引起磁体的温升，甚至发生最坏情况，即产生退磁等故障。

变频器驱动时的高次谐波电流，是这一温升的主要原因。为对此进行详细的分析，应建立变频器的PWM(脉宽调制)驱动模型，以反映对谐波电流的分析。安川公司开发了变频器驱动时产生损耗的机理分析，以及驱动系统整体模拟分析的技术。图2 为电流谐波波形分析与实测值的对比分析实例，结果分析值与实测值大体是一致的，具有足够的精确度。

3.3 由高次谐波电流产生的扭转振动

由变频器驱动电动机时，因波形的畸变及高次谐波电流产生脉动转矩，这一脉动转矩可能会对轴、联轴节、冷却风扇造成损坏，尤其在半导体开关器件组成的变频器中容易出现脉动转矩问题。PWM 变频器的载波频率高达数kHz，通常与机械系统的固有频率相差甚殊，故不存在扭转振动。再者，PWM变频器驱动时的转矩分析精度高，容易处置电磁振动和噪音问题。

3.4 浪涌电压

变频器的输出电压波形，在半导体开关的高速切换影响下，会在电动机端子上产生脉冲波形(过电压波)，峰值约为市电电源峰值的2倍。故相应的电动机的绝缘应力须增加，变频电动机承受这一脉冲电压的电线绝缘膜的厚度也应增加。

同时，由于过电压(浪涌电压)波的重叠，产生2 倍以上电压的实例已有报导，这种情况下，对地绝缘，导线束(股线)绝缘等均应提高绝缘等级，或者改进成整齐排列的线棒绕组结构(图3)，以便在制造工艺上能承受住浪涌电压的冲击。此外，在变频器侧，采用了三电平控制等，以此来降低浪涌电压的影响。

3.5 电腐蚀问题

由变频器驱动电动机时，线卷与大地之间的共模(Common mode)电压，由电动机各个部位的寄生(杂散)电容分担，这样在轴承油膜部位将产生数伏以上的电压(轴电位)，由于这一电压重复放电，致使轴承接触面上的振动加速度增大，或从轴承内发出异常声音，这种现象就称为电腐蚀。

原理上，所有变频器驱动的电动机上均会产生由共模电压导致的轴电位。但实际上，异常声音及异常振动等不利情况极少。一般，在恒速连续运转场合以及混凝土基础(无共用底座)场合下，比较容易发生电腐蚀。

解决电腐蚀所采取的措施是：安装接地电刷和采用绝缘轴承，以及对所配合的机械实现同电位化等。

4 变频电动机的应用实例

考虑到上述有关注意事项，制造由变频器驱动的电动机时，须满足应用中提出的各项要求。以下介绍了真空泵、港口装卸起吊用卷扬机，直流电动机驱动的更新改进，以及高压变频器中变频电动机的应用实例。

4.1 在真空泵上的应用

对于工业用的真空泵，多采用罗茨(Roots)泵(一种机械式的增压泵)以及干式泵，原来是由变频器驱动感应式电动机。最近，由于小型、轻量化、节能化的要求，倾向于采用永磁式同步电动机。作为真空泵还要求：从真空向大气开放时能适应负荷的急剧变化;为防止周围环境的影响，应确保其气密性。按照这些要求，永磁同步电动机与无传感器矢量控制、超节能型的变频器VariSpeed F7S最合适。

4.1.1 小型轻量化

半导体及液晶制造工艺中使用的真空泵，为在设置上节省空间，要求电动机小型化。一般，感应电动机(法兰盘安装型)与永磁同步电动机的对比，永磁同步电动机实现了小型轻量化，体积约为感应电动机的1/3。

4.1.2 节能

永磁同步电动机达到了高效率化。由最大转矩效率控制产生的节能效果，已提高的效率达5.5%以上，如图4 所示。[!--empirenews.page--]

4.1.3 负荷突变时的稳定运转(从真空状态向大气开放时)

对机械式增压泵，在从真空状态开启阀门，将气体推出之际，会有过大的负荷急剧地加在电动机上。若用永磁同步电动机驱动时，会出现这一负荷的突变、失调等不利现象。但采用VariSpped7S，由于其转矩限制功能，可适应负荷的突变，降低速度，并实现无失调的稳定运转。

4.1.4 确保气密性

1)无传感器化驱动永磁同步电动机时，需要有霍尔传感器来检测磁极。为把要将电动机装入真空泵装置中，这就得确保传感器的耐环境性和传感器配线的机械密封性。同时还存在由温度、振动导致的可靠性问题。在VariSpped F7S中，藉助独立开发的磁极位置估定及速度确定等项技术，已实现同步发电机的无传感器化。

2)密封结构在真空泵中为确保高的气密性，对电动机连接轴，同时采用了机械密封和油密封。

这次适用的电动机，万一有气体或液体从连接轴泄漏，采用了定子封盖(Can)的密封结构。而且，因采用水冷式，勿需电动机冷却风扇，避免了对电机周边大气的搅拌和耗能。

4.2 在港口装卸起吊卷扬机上的应用

变频驱动应用于港口装卸起吊的卷扬机，在最高速度下运转使装卸效率提高，具有恒定功率范围较广这一特点。

4.2.1 感应电动机的应用

在港口装卸机械中，大容量集装箱起吊的卷扬机用电动机，采用感应电动机。

在定转矩范围内，与转速成比例的电压若增加到基本转速下则达到额定电压。在恒定功率范围内，如保持电压不变，就应将电流减到最小，以此抑制变频器的容量。

但是从图5 所示的基本转速下额定电压情况及式(1)可见，电压一定时，若转速升高，电动机的运转可能转矩会与转速平方成比例的下降，故最高转速下为保持负荷要求的转矩，并设定恒定功率范围为1:a，则需要电动机的运转可能转矩在a倍基本转速下，即电动机的尺寸规格要变成a倍。

另一方面，如图6 所示，可以降低基本速度下的电压和缩小电动机的规格尺寸，但因电流大，变频器的容量也需要增大。

安川公司对应于必要的恒定功率比，在变频器容量与电动机规格最合适情况下，设计出基本转速下的电压。而且，为能适应于从低速至高速广阔的速度控制范围，采用了外风力的通风结构。

4.2.2 永磁同步电动机

永磁同步电动机的特点是内部感应电压与转速成比例的升高，电动机端子电压比电源电压高，因而无法控制。如在最高转速下设计为额定电压，则基本转速时电压下降，电流增大，导致变频器的容量增大。针对与转速成比例增加的内部感应电压，安川电机公司的永磁同步电动机利用d 轴电流进行限电压控制，但应考虑此时的电压饱和(图7)。而且，由于磁性转矩和磁阻转矩的同时作用导致的高转矩化，以及因限电压控制(弱磁控制)的最小电流化，没有增大电动机的规格尺寸和变频器的容量，有效利用了定功率范围宽这一优点。此外，永磁同步电动机小型化的特点使转子的测量降低，减小了加速容量，也减小了变频器容量。

4.3 高压电动机的变频器化

垃圾处理场及发电锅炉设备等用的鼓风机械中，采用了高压电动机的变频驱动。原来的高压异步电动机驱动，多使用低压变频器与升压变压器组合的方式。近年来，由于高压变频器的普及，取消升压变压器而多采用变频器直接驱动高压电动机。安川公司的高压变频器，其输出波形近似正弦波，也抑制了浪涌电压的发生等。对风机、泵类有平方递减负荷特性的用途而言，原来市电电源驱动的电动机仍然能适用，对定转矩负荷特性的用途场合，考虑到低速时的冷却而采用了外风力通风型，现已开发出3 kV、6 kV、11 kV 级的变频电动机。