敲黑板！新型变频调速控制系统对交流电动机设计的特殊要求

随着电力电子技术的发展与进步，现代变频调速控制系统采用了多段PWM(文章尾部有相关解释)技术，即利用IGBT(文章尾部有相关解释)的导通与阻断把直流电压变为一定形状的脉冲列，并通过控制脉冲的宽度和脉列的周期而使其达到调压、变频的目的。虽然现代变频调速控制系统已使得输人电流基本上为正弦波，即减少了高谐波电流对供电电源品质污染;已使得输出电压波形实现了阶段状的近似正弦波形输出，保护了高压电机绕组绝缘。

但从其变频调速的控制系统实际运行情况来分析和研究，应用变频调速装置对现代交流电机的设计仍有它的特殊性和要求，这也是设计者必须慎重地进行研究和考虑的问题。

新型变频调速控制系统对交流电动机设计特殊要求

(1)变频调速装置的输出电源电压波形虽然基本近似正弦波波形，但依然含有高次谐波分量，使其电动机轴输出转矩会发生波动，而产生脉动转矩。这样将会改变轴系的扭转共振频率，当这一转矩波动的频率与轴系的机械系统所固有的转动频率相接近或者相吻合时，将会导致共振现象的突然发生，必将使振动转矩成倍增大，在严重地情况下可导致电动机和所驱动的机械设备严重损坏。

实践证明高次谐波分量所引发的脉动转矩也必将增强了电动机通风冷却风扇、风叶的承受振荡的强度;设计同时必须考虑相应地增加转子阻尼绕组的笼条和端环的结构强度和阻尼效果。

(2)在变频调速过程中设计者必须慎重地考虑变频调速控制系统对电动机的总体结构所必然产生的疲劳应变和冲击性过渡转矩，尤其是它对高压、大功率电动机绕组主绝缘和绕组线圈端部鼻端绑扎紧固的方式相应采取更有效的技术措施。而且从电动机设计和制造工艺的发展来看，更有效地消除绕组线圈端部磁场共振频率至今仍是现代电机产品设计和工艺设计应深人研究的重要的技术课题。

(3)频繁的变频调速过程，使电动机也因而产生冲击性电流的频繁变化，必将使阻尼绕组的笼条和端环等旋转部件和组件产生热应力和机械应力疲劳，即交变热应力和机械应力疲劳损坏。

(4)变频调速控制装置是交流电动机变频调速控制系统的供电电源，虽然目前采取了极有效的技术措施，极大地改善了输出电压波形。即使是这样变频调速装置所含有的高次谐波分量仍将会使轴电压增大。虽然不能造成明显危害，也应引起设计者十分地注意。

(5)变频调速控制装置控制在额定转速的20%-30%低速运行中的电动机，如果设计采用滑动轴承的润滑系统，其润滑油膜层的厚度明显减少的情况下，轴与轴瓦之间油膜势必被破坏，因此必将产生金属与金属接触研磨情况，也会导致滑动轴承产生异常温升。

(6)采用变频调速装置的交流电动机设计，必须慎重地将引发共振现象的危险旋转速度排斥在调速范围之外。

(7)采用变频调速装置的交流电动机设计，其通风冷却系统的计算必须以低速为基准进行电动机设计，并核准、计算其通风冷却能力。

(8)采用变频调速装置的交流电动机设计，在其绝缘结构设计中，必须相应地增强匝绝缘，以防范电力半导体器件瞬间产生超高频过电压冲击，而导致电动机绕组线圈匝间绝缘损伤而缩短电动机的绝缘寿命或严重地产生匝间绝缘击穿而导致匝间短路的事故发生。

(9)采用变频调速装置的交流电动机设计，必须防止在最低速运行中产生低速喘振现象产生，以保持最低转速的稳定运行。

(10)采用变频调速控制系统的设计，必须保证绝对不能污染电力供电系统，即严格控制谐波分量向电力供电电源的流出。

关于PWM和IGBT的说明

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

IGBT绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。