1 前言 異步電機是典型的常規(guī)交流電機。自從現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)明以來，異步電機驅(qū)動技術(shù)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(jié)構(gòu)及控制算法的研究開發(fā)，而在異步電機設(shè)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(jì)70年代末設(shè)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(shè)計的。這樣的電機在變頻器供電下，其效率、功率因數(shù)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(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)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(shè)計和分析方法已經(jīng)不能與之相適應(yīng)。 常規(guī)異步電機設(shè)計中，基本設(shè)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(zhuǎn)子槽設(shè)計成深槽或雙鼠籠槽，利用其集膚效應(yīng)增加啟動時的轉(zhuǎn)子電阻，從而提高啟動轉(zhuǎn)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(diào)頻調(diào)壓，使其機械特性曲線可以有條件的平移。當(dāng)頻率下降時，曲線左移;當(dāng)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(xiàn)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(diào)頻來直接利用其最大轉(zhuǎn)矩作為啟動轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子槽型可以在提高穩(wěn)定運行性能的目標(biāo)上進行優(yōu)化設(shè)計。 2）變頻器適當(dāng)?shù)刈冾l變壓，從而可將異步電機調(diào)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(diào)頻調(diào)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(shù)和效率。 3 設(shè)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(shè)計和分析方法。概括起來有下面五點: 1）設(shè)計應(yīng)是一個運行區(qū)域的最優(yōu)設(shè)計，而不是傳統(tǒng)的額定點的設(shè)計。 以往電機設(shè)計都是圍繞運行額定點來設(shè)計，以獲取最佳額定運行性能。而對于變頻調(diào)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(shè)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(shè)計中主要追求高效率，而忽視對高功率因數(shù)的追求。 事實上，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，功率因數(shù)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(shù)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(nèi)部空間磁場分布應(yīng)與電流時間波形有一個適當(dāng)?shù)钠ヅ湟詼p小諧波分量。 一般認為，變頻器的使用使得電機內(nèi)部電磁諧波增加，主要是由于變頻器開關(guān)作用使得電壓、電流時間諧波增加。事實上，由于電機內(nèi)部定轉(zhuǎn)子齒槽分布產(chǎn)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(zhuǎn)子齒槽數(shù)目、槽型及其尺寸大小設(shè)計應(yīng)與減小磁場諧波分量相結(jié)合。 4） 電機定轉(zhuǎn)子槽型優(yōu)化設(shè)計 由于變頻調(diào)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(shè)計中的啟動性能設(shè)計約束被放寬。在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計中，為了滿足啟動性能，常常通過增大啟動時轉(zhuǎn)子擠流效應(yīng)的辦法來增大轉(zhuǎn)子啟動電阻，從而增大啟動轉(zhuǎn)矩。因此，對啟動性能要求高的傳統(tǒng)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電阻，降低了穩(wěn)定運行時的功率因數(shù)和效率。而在變頻調(diào)速電機設(shè)計中，電機轉(zhuǎn)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(shù)等性能，因此轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗都應(yīng)設(shè)計得盡量小。轉(zhuǎn)子槽形可按穩(wěn)定運行時的最優(yōu)性能來優(yōu)化設(shè)計。 5）變頻調(diào)速電機適當(dāng)設(shè)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(dāng)一相或兩相發(fā)生故障后，經(jīng)過控制器適當(dāng)調(diào)節(jié)和利用電機的優(yōu)化設(shè)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(biāo)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(diào)節(jié)電流外，還需配合電機設(shè)計參數(shù)。正是由于上述新的設(shè)計策略，使得新的異步電機設(shè)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(diào)速范圍內(nèi)，平均運行效率提高3%，平均功率因數(shù)提高4%，從而使得異步電機應(yīng)用范圍大大擴展，首先將在應(yīng)用大戶—風(fēng)機、水泵調(diào)速中得到廣泛使用。 4 變頻調(diào)速電機設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)與其控制時間上的互補關(guān)系等。1991年，IEEE專門組織調(diào)查研究，對用于變頻調(diào)速的交流電機制定新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)查報告指出:在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，因為供電電源為非正弦波，所以電機設(shè)計中以基波為標(biāo)準(zhǔn)的基本公式應(yīng)有所改變，主要尺寸的設(shè)計公式應(yīng)考慮諧波的影響。在變頻調(diào)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(shè)計得較高;變頻調(diào)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(shè)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(shè)計、制造、運行都更緊密地融為一體;智能化，即自適應(yīng)、模糊、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及基于遺傳算法的各種人工智能控制方法大量引入和應(yīng)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(zhuǎn)換、傳送能量的裝置，也是傳遞、交換信息的通道。 在此基礎(chǔ)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(shè)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(shè)計與分析提供了有效的工具。