1 前言 異步電機(jī)是典型的常規(guī)交流電機(jī)。自從現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)明以來(lái)，異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)變頻器拓樸結(jié)構(gòu)及控制算法的研究開(kāi)發(fā)，而在異步電機(jī)設(shè)計(jì)和分析方面卻沒(méi)有明顯的改變。目前，我國(guó)所用電動(dòng)機(jī)主要為20世紀(jì)70年代末設(shè)計(jì)出來(lái)的Y系列異步電機(jī)，該電機(jī)主要是針對(duì)恒頻恒壓電源設(shè)計(jì)的。這樣的電機(jī)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(jī)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(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)問(wèn)題勢(shì)在必行。 2 變頻器供電下的電機(jī)運(yùn)行條件 在變頻器供電方式下，異步電機(jī)的運(yùn)行條件有了一個(gè)很大的變化，常規(guī)異步電機(jī)設(shè)計(jì)和分析方法已經(jīng)不能與之相適應(yīng)。 常規(guī)異步電機(jī)設(shè)計(jì)中，基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)是: （1）滿足所需要的啟動(dòng)特性; （2）具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行狀況; （3）制造簡(jiǎn)便。 為了滿足啟動(dòng)要求，通常將轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)成深槽或雙鼠籠槽，利用其集膚效應(yīng)增加啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻，從而提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但這樣既降低了電機(jī)穩(wěn)定正常運(yùn)行時(shí)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(duì)變頻器供電下的異步電機(jī)，由于可方便地調(diào)頻調(diào)壓，使其機(jī)械特性曲線可以有條件的平移。當(dāng)頻率下降時(shí)，曲線左移;當(dāng)頻率上升時(shí)，曲線右移。這給電機(jī)運(yùn)行帶來(lái)新的變化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 1）電源頻率變小，電機(jī)機(jī)械特性可隨之左移。這樣可利用調(diào)頻來(lái)直接利用其最大轉(zhuǎn)矩作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子槽型可以在提高穩(wěn)定運(yùn)行性能的目標(biāo)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2）變頻器適當(dāng)?shù)刈冾l變壓，從而可將異步電機(jī)調(diào)節(jié)在最佳運(yùn)行點(diǎn)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(jìn)而減小電機(jī)尺寸，減輕其重量和降低成本。 3）通過(guò)變頻器的調(diào)頻調(diào)壓，可對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行矢量控制，在保證足夠的氣隙磁場(chǎng)條件下，可得最小勵(lì)磁電流，從而同時(shí)提高電機(jī)的功率因數(shù)和效率。 3 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為充分利用變頻器能變頻變壓的供電條件，挖掘電機(jī)本身潛能，提高電機(jī)本身性能，降低其制造和運(yùn)行成本，自90年代以來(lái)，逐步發(fā)展了在變頻器供電下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)和分析方法。概括起來(lái)有下面五點(diǎn): 1）設(shè)計(jì)應(yīng)是一個(gè)運(yùn)行區(qū)域的最優(yōu)設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)的額定點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 以往電機(jī)設(shè)計(jì)都是圍繞運(yùn)行額定點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，以獲取最佳額定運(yùn)行性能。而對(duì)于變頻調(diào)速電機(jī)來(lái)說(shuō)，往往電機(jī)是運(yùn)行在一個(gè)區(qū)間，所以僅僅具有最佳額定運(yùn)行性能是不夠的，更重要的是在運(yùn)行區(qū)間里有較好的運(yùn)行性能。 2）電機(jī)設(shè)計(jì)在追求高效率的同時(shí)，必須考慮高功率因素。 傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)中主要追求高效率，而忽視對(duì)高功率因數(shù)的追求。 事實(shí)上，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，功率因數(shù)的高低對(duì)系統(tǒng)，尤其對(duì)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(jī)的內(nèi)部空間磁場(chǎng)分布應(yīng)與電流時(shí)間波形有一個(gè)適當(dāng)?shù)钠ヅ湟詼p小諧波分量。 一般認(rèn)為，變頻器的使用使得電機(jī)內(nèi)部電磁諧波增加，主要是由于變頻器開(kāi)關(guān)作用使得電壓、電流時(shí)間諧波增加。事實(shí)上，由于電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子齒槽分布產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)齒諧波在一定條件下可與電流時(shí)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(jì)應(yīng)與減小磁場(chǎng)諧波分量相結(jié)合。 4） 電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽型優(yōu)化設(shè)計(jì) 由于變頻調(diào)速電機(jī)能夠通過(guò)變頻變壓控制來(lái)滿足對(duì)啟動(dòng)性能的要求，這使得傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)中的啟動(dòng)性能設(shè)計(jì)約束被放寬。在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)中，為了滿足啟動(dòng)性能，常常通過(guò)增大啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子擠流效應(yīng)的辦法來(lái)增大轉(zhuǎn)子啟動(dòng)電阻，從而增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，對(duì)啟動(dòng)性能要求高的傳統(tǒng)電機(jī)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(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)和效率。而在變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形的選擇主要為了滿足穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jì)得盡量小。轉(zhuǎn)子槽形可按穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)性能來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 5）變頻調(diào)速電機(jī)適當(dāng)設(shè)計(jì)可具有高可靠性和高容錯(cuò)能力。 在變頻器供電下的異步電機(jī)中，當(dāng)一相或兩相發(fā)生故障后，經(jīng)過(guò)控制器適當(dāng)調(diào)節(jié)和利用電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仍能保持正常運(yùn)行。故障后的缺相運(yùn)行，其性能指標(biāo)將有所下降，但仍可達(dá)到可接受的運(yùn)行能力。特別為使故障后單相正常運(yùn)行，除用控制器調(diào)節(jié)電流外，還需配合電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。正是由于上述新的設(shè)計(jì)策略，使得新的異步電機(jī)設(shè)計(jì)在出力不變條件下，其體積減少25%-30%，或者說(shuō)電機(jī)功率密度增加25%-30%。另外，在調(diào)速范圍內(nèi)，平均運(yùn)行效率提高3%，平均功率因數(shù)提高4%，從而使得異步電機(jī)應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，首先將在應(yīng)用大戶—風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速中得到廣泛使用。 4 變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展 近10年來(lái)，對(duì)變頻器供電下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)，如何建立電機(jī)及系統(tǒng)的高頻模型，如何認(rèn)識(shí)電磁空間結(jié)構(gòu)與其控制時(shí)間上的互補(bǔ)關(guān)系等。1991年，IEEE專門(mén)組織調(diào)查研究，對(duì)用于變頻調(diào)速的交流電機(jī)制定新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)查報(bào)告指出:在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，因?yàn)楣╇婋娫礊榉钦也?，所以電機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)公式應(yīng)考慮諧波的影響。在變頻調(diào)速電機(jī)性能方面，報(bào)告認(rèn)為:在變頻器供電條件下，異步電機(jī)的電磁負(fù)荷分配趨于更合理，異步電機(jī)的損耗降低，因此異步電機(jī)的功率密度可以設(shè)計(jì)得較高;變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)在重量不變的條件下能多輸出30%～40%的功率。文獻(xiàn)[4>進(jìn)一步提出了電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的概念，并認(rèn)為變頻器供電下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)和分析實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，它必須將電機(jī)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(jī)及其控制系統(tǒng)高度集成，使得三者從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)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(duì)不同形式的電機(jī)以及不同運(yùn)行模式而實(shí)行不同的控制方式;信息化，即電機(jī)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(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析可視化軟件包。該軟件包已達(dá)到實(shí)用化，為在變頻器供電下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)與分析提供了有效的工具。