陈景文 吴彦锐 王红艳 田毅韬
陕西咸阳陕西科技大学 712081
摘要：文章就变频调速专用电机特性及造纸机传动系统中如何选择问题给出分析及选择依据。
关键词：造纸机、变频、电机特性
1．引言
变频调速专用电机就其设计初衷而言是专为交流调速而用的，但是变频调速的兴起最直接的原因就是普通异步电动机简单的结构、低廉的成本和方便的调速。如果说变频调速必须要配用变频专用电机的话，那么就产生了一个矛盾，变频调速固有的简单、坚固、耐用性不是没有了吗？所以本文就此问题对变频调速专用电机及其应用范围和在造纸机上的应用等问题做一讨论。
2．变频调速时对电动机及其效能产生的影响
变频调速不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲是非正弦的。所以普通异步电动机在非正弦波下的运行特性分析就是变频调速时对电机产生的影响。主要有以下几个方面：
1）、电动机的损耗和效率
非正弦电源下运行的电动机，除了基波产生的正常损耗外，还将出现许多附加损耗。主要表现在定子铜损、转子铜损和铁损的增加，从而影响电动机的效率。
①定子铜损
在定子绕组中出现的谐波电流使I2R及增加。当忽略集肤效应时，非正弦电流下的定子铜损与总电流有效值的平方成比例。如定子相数为m1，每相定子电阻为及R1，则总的定子铜损P1为
把包括基波电流在内的总定子电流有效值Irms代入上式，可得
式中的第二项代表谐波损耗。通过实验发现，由于谐波电流的存在和与之相应的漏磁通的出
现，使漏磁通的磁路饱和程度增加，因而励磁电流增大，从而使电流的基波成分也加大。
②转子铜损
在谐波的频率下，一般可以认为定子绕组的电阻为常数，但对于异步电动机的转子，其交流电阻却因集肤效应而大大增加。特别是深槽的笼形转子尤为严重。正弦波电源下的同步电动机或磁阻电动机，由于定子空间谐波磁势很小。在转子表面绕组中引起的损耗可忽略不计。当同步电动机在非正弦电源下运行时．时间谐波磁势感应出转子谐波电流，就像接近其基波同步转速运行的异步电动机那样。反向旋转的5次谐波磁势和正向旋转的7次谐波磁势都将感应出6倍于基波频率的转子电流，在基波频率为50Hz时，转子电流频率为300Hz。同样，第11次和第13次谐波感应出12倍于基波频率，即600HZ的转子电流。在这些频率下，转子的实际交流电阻远远大于直流电阻。转子电阻实际增大多少取决于导体截面和布置导体的转子槽的几何形状。通常的长宽比为4左右的铜导体，在50Hz时交流电阻与直流电阻之比为1.56，在300Hz时比值约为2.6；600Hz时比值约为3.7。频率更高时，此比值随频率的平方根成比例增加。
③谐波铁损
电动机中的铁心损耗也由于电源电压中出现谐波而增大；定子电流的各次谐波在气隙间
建立了时间谐波磁动势。气隙中任何一点的总磁势是基波和时间谐波磁势的合成。对于一个三相6阶梯电压波形，气隙中的磁密峰值比基波值约大10％，但是由时间谐波磁通引起的铁损的增加是很小的。对于端部漏磁通和斜槽漏磁通产生的杂散损耗，在谐波频率作用下将有所增加，这一点在非正弦供电时必须考虑：端部漏磁效应在定子和转子绕组中都存在，主要是漏磁通进入端板引起的涡流损耗。由于定子磁势和转子磁势间相位差的变化，在斜槽结构中产生斜槽漏磁通，其磁势在端部最大，在定转子铁心及齿中产生损耗。
④电动机效率
谐波损耗的大小明显地决定于外加电压的谐波含量。谐波分量大，电动机损耗增加，效率降低。但是大多数静止逆变器不产生低于5次的谐波，而高次谐波的幅值较小。这种波形的电压对电动机效率降低并不严重。对中等容量的异步电动机进行计算和对比试验表明，其满载有效电流比基波值约增加4％。如果忽略集肤效应，则电动机的铜损与总有效电流的平方成比例，谐波铜损为基波损耗的8％。考虑到由于集肤效应使转子电阻平均可增大3倍，因而电动机的谐波铜损应为基波损耗的24％。如果铜损占电动机总损耗的50％，则谐波铜损使整个电动机的损耗增加12％。
铁损的增加很难计算，因为它受电动机结构和所用磁性材料的影响。如果定子电压波形中的高次谐波成分相对较低，像在6阶梯波中那样，谐波铁损增加不会超过10％。如果铁损和杂散损耗占电动机总损耗的40％，则谐波损耗仅占电动机总损耗的4％。摩擦损耗和风阻损耗是不受影响的，因而电动机的全部损耗增加小于20％。如果电动机在50Hz正弦电源时的效率为90％，则由于谐波存在使电动机效率只降低1％一2％。
如果外加电压波形的谐波成分明显地大于6阶梯波时的谐波成分，则电动机的谐波损耗
将大大增加，而且可能大于基波损耗。就是在6阶梯波电源时，一个低漏抗的磁阻电动机可能吸收一个很大的谐波电流，从而使电动机的效率下降5％或更多。在这种情况下，为了满意地运行，就要使用12阶梯波的逆变器，或采用六相的定子绕组。电动机的谐波电流和谐波损耗实际上与负载无关，因此时间谐波的损耗大小实际上可以在空载情况下用正弦电源和非正弦电源进行比较确定。以此来确定某种型式或某种结构的电动机效率下降的大致范围。
2）、轴电压的增加
轴电压系指两个轴端的电压或轴与轴瓦之间的电压。对于正弦波供电的电动机，主要是由于磁路不平衡引起。对于变频器供电的电动机，通常情况下加在电动机上的各相电压是平衡的。然而由于各相整流元件和控制元件特性的差异，可能出现某瞬间的电压失衡现象，在轴上产生较大的轴电压。再加上转子上的谐波电压会以轴承油膜为介质形成一个对地电容，从而产生一容性电流。
对于中小容量的电动机，在非正弦电源的情况下，轴电压的影响一般也可以不考虑。但是对于大容量电动机，特别是在高速的和采用滑动轴承的情况下。轴电流和轴承电流的危害是不容忽视的。
轴上电压的增高，电流将通过轴和轴瓦之间的油膜流动，若达到临界润滑状态，油膜将被破坏，会有很大的电流流过油膜，从而缩短轴承寿命或损坏轴承合金，发生重大事故。
3）、冲击电压及绝缘强度
一般情况下，交流电动机承受的冲击电压主要是操作过电压。然而对于采用静止变频器供电的电动机，还需考虑变频器换流时产生的冲击电压，该冲击电压将叠加在电动机的运行电压上。这些冲击电压不但峰值高而且出现的频度高，对电动机的对地绝缘造成威胁。显然冲击电压的大小和电压上升速度与变频器的型式和控制方式有关。冲击电压较大时应考虑绝缘反复承受冲击的老化和电晕放电所导致的电腐蚀问题。在冲击电压上升速度较快时，还要考虑匝间绝缘问题。
4）、横向振动及噪声
对于正弦波供电的交流电动机，由电磁、机械和通风等原因产生的振动和噪声，已经是人们长期以来关心的问题。当采用变频器供电时，使这个问题变得更加复杂。变频器电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分固有的空间谐波相干涉，造成了各种电磁激振力。同时由于电动机工作的频率范围宽、转速变化范围大，很难避开电动机机械部分各种结构件的固有频率。除此之外，对于高速传动的场合，动平衡质量和风扇的影响也将加大。因此，为了解决这一问题，除了要考虑正弦波供电时需注意的问题(如槽配合、动平衡；气隙不均匀，转子不对称，磁中心偏离、机械结构件的刚度)之外，还应着重考虑来自电源的时间高次谐波，应使其避开电动机各部分的固有频率。
5）、频繁起动问题
由于变频器电源可以在很低的频率下起动电动机，特别是对于一些大容量的调速系统，还可以使交流电动机在四象限内运行，不仅可以频繁起动，还可以频繁正反转。为了达到节能的效果，风机可以每天起动几十次，泵类可以起动几百次，对于可逆轧机的主传动和辅助传动电动机，则起动和正反转的次数会更多。从而使电动机经常处于循环交变应力的作用之下，给电动机的机械部分和绝缘带来疲劳和加速老化的问题。
6）、轴承的问题
对于中小型电动机，特别是滚动轴承电动机，无论何种电源型式，轴承的选择都可按正常的设计方法。这里要说明的是大型的径向滑动轴承电动机在低速运行时，由于油环带油效果差，难以保证正常的油膜，因此，轴承设计应予充分考虑。一般也应像轧钢直流电动机那样，采用压力加油的润滑方式。对相当于突破直流电动机极限容量的超高速规格，轴承也是电动机设计中的关键技术之一，通常采用压力油雾润滑或采用高压油顶起轴颈的方式均可获得满意效果。
7）、低速时的冷却问题
通常的自带风扇的冷却方式，在许多场合下将不适用于变频器供电的变速电动机。基速以下的恒转矩特性使电动机在低速时的电流和磁通都基本保持不变，然而此时的冷却风量却与转速的3次方成比例地减少，使散热发生困难。因此对不能采取强迫通风的场合，除了尽可能减少各种损耗之外，还要对空气的流场和温度场进行认真地分析，减小温度分布的不均匀系数，提高线圈端部的传热性能，加强机座本身的散热能力。
对于调速范围比较宽的电动机，特别是具有恒转矩调速和恒功率调速两个运行范围的电动机，决不能采用自带风扇冷却，这种方式对高速和低速都不利，低速时冷却效果差，高速时使电动机效率严重下降。通常当采用自带风机冷却或管道通风时，冷却风量的选择原则是每20kW的电机损耗需要1m3/s的风量。
8）、电动机的稳定和扭振问题
当交流电动机运行于变频电源时，在一定的频率及负载情况下，系统可能发生不稳定性。由于动态稳定性与系统的状态有关，因此在无限大的工频电源系统中可以稳定运行的电动机，当采用逆变器供电时就可能变得不稳定；当一台电动机专用一个变频电源时，运行稳定，而多台电动机共用一个变频电源组合传动时，就变得不稳定了。通过对这些现象的分析，发现有以下两个原因：即电动机固有的低频不稳定性和电动机与逆变器间相互影响造成的不稳定性。在低频时的这种不稳定性表现为持续地振荡，也就是转子转速在同步附近的摆动。转矩角的变化产生相应的输出转矩和功率的脉动。如果转子振荡过大并超过失步转矩，则电动机失步。另一方面，也可能超出逆变器的换向能力而使其保护动作。
变频器供电交流电动机传动系统的稳定性
研究表明，减小定转子电阻，减小直轴和横轴电抗比，增加定转子漏抗等均可减小电动机的振荡，这是通过对磁阻电动机的试验得出的结论。对于异步电动机；可以用减小励滋电抗、增加定转子电阻的方法改善其稳定性能。
由于电动机和变流器之间相互影响造成的不稳定性，在同步电动机和异步电动机中都可
能出现。在低频时，系统的不稳定是由于电动机机械系统的惯性和变压器或直流环节滤波电感及电容之间发生能量交换造成的。
在变速传动中，运行的不稳定区通常被限制在一定的频率和转矩范围内，如图1所示。显然，不稳定区的大小还会受系统的惯性，负载的阻尼及电动机和变频器的参数影响。改变机械系统的惯量及直流环节的电感和电容量是消除不稳定性的实用方法。
对于特殊的大型电动机采用改变电动机参数的方法可以保证在整个工作范围内的稳定性，然而对于中小型电动机就失去了经济性，比较起来采用闭环反馈的方法来阻尼转子振荡，对标准的交流电动机更加实用。
不论是由于不稳定造成的输出转矩的变比；还是由于脉动谐波转矩产生的转矩振荡，都会使系统发生扭转振动。如果发生扭振时的频率刚好与机械系统的固有权振频率相同，且系统的阻尼又较小，则会产生很大的转矩放大系数，出现数倍于额定转矩的扭矩。从而对系统构成极大的威胁，由此而造成严重事故的现象也不少见。
对于现代大型变速系统，为了避免扭振造成的破坏，在传动系统的设计阶段，就对机械部分和电气部分分别建立数学模型，通过不同传递函数的内在联系，把整个机电传动系统构筑成一个统一的大的数学模型。用计算机对数学模型进行数字仿真计算，可以对与扭振有关的各个参数进行预选和改变，从而达到实际的机电传动系统不产生扭振的目的。
对于机械系统扭振的计算问题，当传动设备的尺寸确定以后，目前哈尔滨大电机研究所已有相应的计算程序进行计算。但是在实际应用中还需将来自被传动机械的典型载荷谱输入才能判定已知系统在运行时是否会发生扭振。实际载荷谱的测定和典型化是一件非常复杂和数据离散度很高的工作。目前国内外都在进行系统监测的基础上寻求各种传动设备的典型载荷谱，以期较好地解决系统在各种工况下所产生的激振频率均能避开设备的固有频率或依据载荷谱出现的频率改变系统设计的固有频率。
3．变频专用电机的特点及应用选择
如上所述变频调速解决了普通工频恒速电机的调速问题，但又带来了诸多新的问题。那么这些问题究竟有多大的影响？是否需要采用专用变频电机？根据造纸机传动配置的情况和使用经验做以下分析。
上一小节所说的变频调速时存在的问题是普遍存在的。所谓变频专用电机主要是针对上述问题做一些有针对性的特殊设计以改善不利的影响。但是一般来说除了大型高压电机以外。对于工频常压供电的中小功率电机而言，上述各种问题的存在并不影响其正常的使用，所以是否选用变频专用电机没有本质上的区别。至今还未见有因采用变频器供电后导致电机损坏的确切报导。所以笔者认为变频电机应主要在以下几个场合选用比较合适：
1）、特大功率，特殊电压
如轧钢厂、大型研磨设备等其功率达数千千瓦以上。这类应用一方面本身电机都需要定制，另一方面电厂常常采用高压供电。由此非正弦供电产生的影响就显得重要，如不按变频供电的特点进行专门设计，会使效率输出性能产生比较明显的影响。因此，这一类场合有必要选用变频专用电机。
2）、专用特殊设备
这类应用主要指一些伺服或机床主轴等要求定位和随动性能较高的场合。因为这类应用以快速响应和大范围频繁调速为工作特点。采用普通电机在某些工作段内可能特性发挥不好，从而影响设计效果。
3）、其它要求运行和电磁性能较高的场合。
4）、调速范围大，并且长时间工作在低速的情况。
4．造纸机变频专用电机的选择
目前，世界上各个国家都有自己的变频专用电机的设计和生产规范。我国上海南洋、西安电机厂等多家电机生产厂也都有自己的变频电机生产技术规范和要求，也都有相应的系列产品，以下列出几点有关造纸变频电机选择的参考依据及特点
4.1有国产变频电机的技术特点
目前国内厂家生产变频专用电机尚没有制定统一的标准。基本上是以自行研制开发为主的。其主要特点是：
（1）、采用原有机座号和各种标准尺寸。这就为选择和应用提供了方便。在选择变频专用电机时可以按照普通异步电动机的标准尺寸选择。
（2）、采用强迫风冷，在电动机的端部配有专用的风桶，装有风机，对电机进行强迫风冷。因为变频调速在低速时会出现散热不良的问题。
（3）、磁路或材料适当改进对高次谐波抑制效果更好一些，在低速时保证有足够的转矩输出。
（4）、增加绝缘等级，由E级改为F级。
由于标准尚不统一，所以详细的技术规范对各生产厂来说一般不对外公布。所以只能做一些定性和形式上的描述。简单的变频电机在普通电机上加装风机即可。
4.2纸机使用中变频电机和普通电机的比较及注意的问题
（1）、根据目前使用的经验看，对造纸机而言，是否采用专用变频专用电机尚没有明显的比较差别。而事实上目前大多数造纸机采用的是普通异步电动机。所以一般来说变频专用电机的选择不是必要的。
（2）、由于变频器供电的缘故，在电动机的机身上可能带有较高的感应电压。因此，必须保证接地良好，否则对人身和设备都产生不良的影响。
（3）、对大多数纸机而言，采用变频调速时开环控制精度已经可以满足生产的需求，所以除非特殊情况一般可以选普通异步电动机。当预计生产车速变化范围较大时（如可能工作在设计车速的1/2以下时，则必须配有带强迫风冷的交流电机，否则可能导致过热故障）。
（4）、闭环安装编码器反馈元件时必须专门加工联接部分和外加冷却风机。此时可以选用普通电机加装风机的方案。
（5）、在配用减速箱和电机时，最好选择与工作车速配合的四极电机及减速箱。作者曾在山东临清发现采用6极电机的生产线，在最初运行中电机故障产生明显偏高。而且主要表现为轴承损坏和定、转子有磨擦。尽管无法确定准确原因。但作者认为有几个问题是值得怀疑和思考的：
①、6极电机的旋转磁场速度较低，产生的脉动转矩增大，可能造成对轴承和转子较大的脉动力矩，使转子和轴承产生形变，偏离平衡点，出现故障。
②、有些电机明显为运行中故障，如在运行后三个月、六个月都曾经出现电机的类似故障。所以怀疑由于变频供电加之极对数较低，低频转矩对电机带来的影响。
③、类似的故障在4极电机的纸机传动中，从未出现过。可能由于4极电机的旋转磁场速度较高，脉动转矩受到抑制。
（6）、出于控制和抗干扰的需要，在布线时，编码器电缆必须和电机电缆隔离在30cm以上距离，以及良好接地。
4.3于输出最大转矩和堵转转矩
低速转矩和堵转转矩与变频器的输出波形和控制方式关系密切。作者曾对不同的几个品牌变频器进行过堵转测试比较。转矩的线性度和大小差别很大。波形愈接近正弦波，性能愈好，线性度愈好。但基本都可以达到工频下的转矩指标。所以变频电机在低频或堵下的转矩特性比普通电机应当更好一些。
5．小结
随着改革开放及现代化建设的深入，我国造纸变频调速技术应用越来越广，相配套的变频调速专用电机使用也越来越多。文章就变频调速电机特性及造纸变频电机选用问题作了较详细的分析，希望起到抛砖引玉作用。
参考文献
[1]造纸机变频传动原理与设计，孟彦京 陕西人民出版社
[2]电机拖动基础，顾绳谷 机械工业出版社
[3]电力电子变流技术，王兆安 机械工业出版社
作者简介
陈景文，男 （1979-），内蒙古，助教，研究方向，电力电子与电力传动，交直流调速理论及应用。
