由于变频调速电机能够通过变频变压控制来满足对启动性能的要求,这使得传统电机设计中的启动性能设计约束被放宽。在传统的转子槽形设计中,为了满足启动性能,常常通过增大启动时转子挤流效应的办法来增大转子启动电阻,从而增大启动转矩。因此,对启动性能要求高的传统电机转子槽形一般为双鼠笼槽形或深槽形。该槽型增大了漏感和转子电阻,降低了稳定运行时的功率因数和效率。而在变频调速电机设计中,电机转子槽形的选择主要为了满足稳定运行时的效率和功率因数等性能,因此转子的电阻和漏抗都应设计得尽量小。转子槽形可按稳定运行时的最优性能来优化设计。
5) 变频调速电机适当设计可具有高可靠性和高容错能力。
在变频器供电下的异步电机中,当一相或两相发生故障后,经过控制器适当调节和利用电机的优化设计,系统仍能保持正常运行。故障后的缺相运行,其性能指标将有所下降,但仍可达到可接受的运行能力。特别为使故障后单相正常运行,除用控制器调节电流外,还需配合电机设计参数。正是由于上述新的设计策略,使得新的异步电机设计在出力不变条件下,其体积减少25%-30%,或者说电机功率密度增加25%-30%。另外,在调速范围内,平均运行效率提高3%,平均功率因数提高4 %,从而使得异步电机应用范围大大扩展,首先将在应用大户—风机、水泵调速中得到广泛使用。
4 变频调速电机设计的进一步发展
近10年来,对变频器供电下的异步电机设计的研究逐步增加,这些研究包括:如何考虑在电力电子控制电源下的电机设计,如何建立电机及系统的高频模型,如何认识电磁空间结构与其控制时间上的互补关系等。1991年,IEEE专门组织调查研究,对用于变频调速的交流电机制定新的工业标准。调查报告指出:在变频调速系统中,因为供电电源
为非正弦波,所以电机设计中以基波为标准的基本公式应有所改变,主要尺寸的设计公式应考虑谐波的影响。在变频调速电机性能方面,报告认为:在变频器供电条件下,异步电机的电磁负荷分配趋于更合理,异步电机的损耗降低,因此异步电机的功率密度可以设计得较高;变频调速系统中,电机在重量不变的条件下能多输出30%~40%的功率。文献[4]进一步提出了电力电子与电机集成系统的概念,并认为变频器供电下的异步电机设计和分析实际上是一个系统问题,它必须将电机与电力电子变频器及其控制方法一并考虑。其系统主要特征可概括为:集成化,即电力电子、电机及其控制系统高度集成,使得三者从设计、制造、运行都更紧密地融为一体;智能化,即自适应、模糊、神经元网络及基于遗传算法的各种人工智能控制方法大量引入和应用;通用化,即同一系统可以针对不同形式的电机以及不同运行模式而实行不同的控制方式;信息化,即电机系统不但是转换、传送能量的装置,也是传递、交换信息的通道。在此基础上,研究出了完整的变频器供电下的异步电机计算机辅助设计和分析可视化软件包。该软件包已达到实用化,为在变频器供电下的异步电机设计与分析提供了有效的工具。