起重变频调速异步电动机的设计

　　理论与设计点介绍了起重变频三相异步电动机的设计思路。

　　负荷起重变频调速异步电动机的设计张岚清中国长江航运集团电机厂430205由于起重机负载变化大，提升高度范围很大，其提升机构通常在额定转速以下采用恒转矩控制方式，适用于重载运行；而在额定转速以上采用恒功率控制方式，适用于轻载和空钩运行。

　　根据塔机起重机构的特殊工况要求，起重用变频电动机应具备以下特点：1电动机具有较宽的调速范围，且在高频恒功率弱磁调节时运行稳定；2电动机低频起动转矩足够大，而起动电流小；3电动机适应频繁起动，制动和正反转；4电动机运行可靠性高；5电动机应能提供转速反馈信号。

　　2设计要点变频调速异步电动机由变频器供电，根据速度变化范围大，在供电电源中包含大量的高次谐波等特点，给变频调速电动机的分析和设计带来许多问题。现从以下几个方面讨论起重变频电机的设计。

　　2.1电机容量在这里主要针对位能性负载电动机容量进行计算，这主要适用于起重机提升机构，作等载荷垂直移动的设备，它的惯量较小，基准频率下所需功率为：变频电机作为调速系统中的驱动设备，广泛用于轻工、纺织、冶金、化工、起重和机床等行业，尤其是在调速范围宽，控制精度高，定位准的场合，市场容量大。特别是在起重行业的提升机构上应用越来越广，原来的提升机构通常都采用涡流制动绕线转子电动机及其调速系统，其调速范围窄，能耗大，起动、制动以及速度切换时冲击大、重物定位困难、控制线路复杂、体积大且故障率高。随着变频技术的发展及在电机上的广泛应用，使起重变频电机完全克服了原来起重电机的不足。

　　1特点理论与设计式中：P―电动机额定功率kW；Q―额定载荷包括吊钩，钢丝绳；V―基准额率下提升速度r/min；η―机构总效率；K―功率补偿系数，当输入电压不少于85额定电压，试验静载荷为125额定负载时，2.2电压、频率和极数的选择由于电流型变频器供电的电动机要求较小的漏电抗，故应选取较低的额定电压，以减小电机的漏电抗。因为漏电抗与绕组的匝数平方成正比，当电机的额定功率一定时，电压越低则额定电流越大，但过大的电流将导致电动机损耗增加以及系统成本的升高，故在选择额定电压时应综合考虑系统的耐压和电流容量，通常V标准电动机在恒压和恒频下运行，极数2P和同步转速n有明确的关系，而变频电动机的极数、额定频率和同步转速是可调的，符合式n若n一定时，则f /P确定，但可选择不同的f和P通常为2、3、4、5对极组合。如取n =33Hz都能满足其同步转速。不同的p和f组合虽然都能得到相同的n值，但对调速性能的影响却是不同的。

　　为恒功率调速。对于p=3、f =50Hz最低运行频率f =5Hz，最高运行频率f =33Hz则最低运行频率f高运行频率f =100Hz.由于变频调速系统在低频区域通常采用补偿电压的方法使E和φ值恒定，以提升低频转矩提高低速性能。由恒转矩变为恒功率运行后，电动机在基频以上运行，随着频率的增加，电动机的铁耗还是有所增加，频率越高铁耗越大。过载系数和频率的平方成反比降低K，为在最高频率下能保持一定的过载系数，务必使电动机在基额下的过载能力系数大于最高工作频率频率之比。由此可知在恒功率区域较宽的场合下，宜选用基频较高值。由以上分析变频调速电动机的额定频率的选取情况比较复杂，必须与供电和控制系统的设计联系在一起，从调速系统的整体优化出发，以求得整个系统的最佳技术经济指标。

　　2.3电磁负荷的选择变频电动机的电磁负荷可在常规电机的设计范围内选取。为了控制由于谐波磁通引起的磁路饱和，特别是当运行在低速时采用不同压频比，更有可能造成磁路的饱和。另外在频率比较高时，降低B可降低齿、轭的铁耗。所以，一般还是设计为较低的磁通密度，这也有利于电磁噪声的降低。适当地控制电磁负荷，保证变频电动机应有的效率和功率因数，同时应选用导磁性能更好，损耗更低的冷轧硅钢片，有利于提高磁负荷能力，减小温升。

　　由于变频电源中存在大量的电流高次谐波，这些谐波对电动机产生下列影响：1电动机铜耗包括转子铝耗，杂散损耗及铁耗增加使用电动机的效率下降，绕组温升变高。

　　2谐波附加转矩使电动机的正常转矩降低，脉动转矩使电动机低频时转速波动。

　　3高次谐波使电动机的噪声和振动增加。

　　4电压和频率的不断变化产生瞬时的高压和高频脉冲加在电机绕组上，极易产生电晕放电，损坏漆包线的绝缘。

　　为了尽量减少谐波影响，在绕组设计时采用如下措施：1定子绕组设计时采用多槽和短距绕组，提高基波绕组系数，降低高次谐波尤其是5次、7次谐波。尽可能减小定子绕组电阻，采用宽而浅的定子槽形，尽可能减小定子的集肤效应，并采用多根互相绝缘的导体并联。

　　2为了减小低频运行转矩脉动幅值，设计转子绕组时适当增加转子绕组的电感L，减小转子绕组电阻R以增大转子绕组的时间常数。

　　3采用耐电晕漆包线，以延长漆包线的使理论与设计用寿命，耐电晕漆包线与普通的漆包线相比多了一层耐脉冲屏蔽层，可抵御在变频电机绕组出现的高频电压，瞬时尖脉冲，快速的脉冲上升时间等对电机的影响和普通漆包线相比大大提高了变频电机的绝缘寿命，耐电晕漆包线的绝缘结构如图1.

　　当电动机损耗不变时，温升与转速的0.4 0.5次方成反比。因此，通用标准电动机实际应用时低速下必须限制负载转矩以抑制其温升。

　　变频器在基频50Hz以上运行时，输出电压通常保持不变，由于U/f的值减小，输出转矩随频率的上升而减小，由于转速升高冷却风量增加，温升不会有问题。当频率在0基频50Hz之间时如仍按恒转矩方式考虑。由于转速降低冷却风量变小，将出现不允许的温升且连续运行的转矩变小。

　　如果需要在额定速度以下连续运行实现恒转矩输出，必须改善低速下的散热能力或提高绝缘等级。

　　起重机中电动机的工作状态大多属于断续工作制，其负载电流的大小与负载有关，对于一个工作周期中工作时间较短的和起重量在大多数情况下不太大的工况电动机的温升并不很显著。

　　在大多数情况下，起重机低速运行占整个运行时间的比例并不大，在调速比不大于5：1的工况下，电动机可以不安装强迫冷却风机。对低速运行时间长且调速比较大的场合，必须增加冷却风机对电机进行冷却，否则电动机的容量必须放有一定余量。

　　2.7反馈系统的选用为了检测电动机转子频率和转子的位置，给调速系统提供转子转速信号，必须在电动机的非轴端加装一个光电编码器与转子同轴连接运行，编码器的脉冲数一定要选择合适，若编码器的脉冲数太少会造成检测到的转子的位置不准，给操作带来麻烦；若编码器的脉冲数过高时对控制电机的变频器内存模块的容量提出了更高的要求，这样会增加控制成本。经过反复的试验我们的编码器的脉冲数一般选用600、1000、1024这三个脉冲数。另外，编码器的安装必须保证编码器与电机同轴并保持转速一致。

　　3使用效果根据上述研究，我们设计并制造了YZPM 2.5转子槽形为了减小低频转矩脉动关键之处是减小谐波的影响，一般来说我们通常使用的变频器均属电压型变频器，输出的电压波形非正弦形，因此谐波电压的大小取决于变频器，而谐波电流的大小则由负载电机的漏抗来限制，漏抗大的电机谐波电流小，使得电机电流波形峰值减小，谐波损耗也小，因而宜采用漏抗较大的转子槽形来削弱谐波的影响，经过反复试验，转子一般我们采用的是闭口槽，以增大转子槽漏抗，抑制高次谐波电流，降低脉动转矩，同时，由于集肤效应的影响使高次谐波电流靠近气隙侧，如采用普通电机的转子槽形，因气隙侧槽形狭小必然会导致铜耗增加，采用转子槽形，可减小谐波的影响，提高电机效率，其次采用闭口槽可减小谐波的影响，可使谐波激振力降低2.6散热系统通用的标准笼型异步电动机的散热能力，是按额定转速下且冷却风扇是装在电动机轴上的即自扇式冷却风量考虑的，当调速运行时速度降低的情况下冷却风量将变小，散热能力变差。电动机的温升与冷却风量之间的关系如式式中：θ―电动机的温升；Q―冷却风量；n―电动机转速。

　　下转第12页理论与设计式3中：第一项与式1的第一项相对应，为基本电磁转矩；第二项与式1的第二项相对应，为磁阻转矩。由式3和式2比较可知，虽然两式的电磁转矩相等，但磁阻转矩明显不同。

　　在式3中，磁阻转矩不仅仅与功角、电源电压、交直轴同步电抗有关，而且还与励磁电动势有关。在励磁电动势等于0时，由式2和式3求得的电磁转矩相等。根据电磁转矩产生的机理，式3中第一项为基本电磁转矩，第二项为磁阻转矩。

　　3实例分析以一台永磁同步电动机为例，在额定频率下，励磁电动势E =0.8，直轴同步电抗x交轴同步电抗x =0.6，忽略电枢电阻，即R调节负载和电源电压U，使直轴电流I =0，交轴电流I =1.0.计算可得：U式2和式3对应的电磁转矩标么值表达式分别为：由此计算得到电机的电磁转矩、基本转矩和磁阻转矩如表1.

　　计算公式电磁转矩标么值基本转矩标么值磁阻转矩标么值由式4计算由式5计算可以看出，两式算得的磁阻转矩相差较大。

　　在此实例中由于直轴电枢电流I =0，因此磁阻转矩等于0.