热力行业中型电机变频调速的电气设计研究

气设计过程是一个复杂的过程，经常会出现城市供热系统中因热效率高而逐渐采用大容量锅炉、电机功率同时增加的现状。随之而来的是中型电机启动及调速如何设计的问题，涉及到中型电机功率较小情况下变频控制系统设计、中型电机功率较大情况下变频控制系统设计。本文通过对变频调速电机的设计特点、电机设计中应注意的问题和中型变频调速电机设计实例三个方面论述，按照不同情况即不同的电机功率，得出不同的设计方法，从而实现既节约投资又能保障系统稳定、维护较容易的目的。

随着电力电子技术的发展，交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速系统。被广泛应用于矿产、钢铁、运输纺织及高空调家电等领域。其控制性能及经济性能都已接近或超过直流电机调速系统，变频调速的目的主要是节能调速和工艺调速， 能调速用于具有平方转矩负载特性的风机泵类机构的转速控制。

一、变频调速电机的设计特点

变频调速专用电动机开发的必要性就在于解决在变频调速情况下，普通Y系列电机胜任不了的问题、其设计特点如下：

（1）用SPWM装置额定频率供电时，变频调速电机的功率等级和安装尺寸的对应关系与基本系列电动机相同，这有利于用户的安装、维修、推广与使用。

（2）由于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频调速电动机，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次方成正比的减少，使散热发生困难。因此，变频调速电动机需采用外通风冷却，同时应充分考虑电机的温升裕度。

二、电机设计中应注意的问题

（一）电机设计时需减少电机中的气隙不平衡以及电磁激振力的大小，来降低电机的噪声。这可以通过提高定子铁心内径及转子铁心外径的加工精度来减少偏差和提高同心度方法来实现。

（二）由于电机在一个频率范围内工作，要使电机定子的主要阶模态的固有频率与电磁激振力的阶分量错开是十分困难的，但可以通过选择合理的槽配合、改进电机的绝缘结构和采用正弦绕组等以降低低阶空间谐波的幅值或者对定子的结构进行阻尼处理以增大电机定子各阶模态的阻尼，来降低电机定子在发生振动时的振幅，达到降低噪声的目。的。

（三）由于变频电机的高速运行时，转速非常高，这对电电机结构件的刚度、强度有较高的要求。电机设计时需对电机机座、端盖、转轴连接系统以及轴承进行分析，采取相应措施。如端盖采用带内、外散热筋结构，同时加强电机与独立风机连接部分的强度，来保证变频电动机高速运行时良好的刚度。

三、中型变频调速电机设计实例

（一）电网电压l0kV，采用l0kV电机，l0kV输入和l0kV输出的变频控制系统

此系统结构简单，无须单独的电源变压器，变频器自带输入隔离变压器，直接接电网即可，不需要电网电压转换的变压器，不占用低压变压器的容量，同时电机和变频器的效率都很高，电机运行时S小，转差功率损耗小，效率高。电机效率>93%，变频器的效率=97%，电机加变频器的整体综合效率>90.2%此外变频器对电网侧和电机侧的谐波都非常小，可忽略不计，电网侧谐波总量一般小于1%，电机侧谐波可以忽略不计，可以使用普通电机，不需要用变频器专用电机。还有输出电缆长度无限制，输入输出电流都最小，大约30 ～ 40A，采用的电缆截面小，电缆成本和施工的成本低。另外电机的接线方式为星形接法，必要时可以直接采用旁路，在l0kV的电网下，直接启动l0kV的电机，旁路系统简单，不需要星角转换，可以在变频器发生故障后，用工频电源驭动电机继续运行。采用大品牌的变频器，运行的可靠性极高，售后维修的成本很低，设计寿命20年。电机功率与电网电压匹配，符合国家的政策。但是变频单元的额定电流64A，富裕量很大，性价比不如6kV输出的变频器。变频器本体体积比6kV输出的变频器略大，价格比l0kV输入、6kV输出的变频器略高。

（二）电网电压l0kV，采用6kV电机，l0kV输入和6kV输出的变频控制系统

此系统结构简单，无须单独的电源变压器，变频器自带l0kV输入隔离变压器，直接接电网即可，不需要电网电压转换的变压器，不占用低压变压器的容量，同时电机和变频器的效率都很高，电机效率>93%，变频器的效率=97%，电机加变频器的整体综合效率>90.2%。此外变频器对电网侧和电机侧的谐波都非常小，可忽略不计，电网侧谐波总量一般小于2%，电机侧谐波可以忽略不计。可以使用普通电机，不需要用变频器专用电机。还有输出电缆长度无限制，输入输出电流都较小，大约60 ～ 70A，略高于l0kV的变频器额定电流，采用的电缆截面较小，电缆成本和施工的成本较低。另外变频单元的额定电流70A ，接近电机额定电流，电机与变频器的额定电流容量匹配性好，富裕量足够，性价比比l0kV输出的要好。变频器本体体积比l0kV输出的小，价格比l0kV输出的变频器低。采用大品牌的变频器，运行的可靠性极高，售后维修的成本很低，设计寿命20年。电机功率与电网电压匹配，符合国家的政策。但是变频运行的接线方式为星形接法，不能采用旁路，适合丁不需要旁路的场合。

总之，通过以上的对比分析，得到重要的设计结论：对于400kW及以下的中型电机，应设计0.4kV的变频控制系统；对于450kW的中型电机，应设计0.4kV的变频控制系统或高压变频控制系统；对于500kW中型电机，在电气设计中应设计l0kV输入，6kV输出的变频控制系统，电机即可以采用l0kV（可以旁路），也可以采用6kV（不需要旁路时），比较灵活；电机的功率与电网电压匹配，符合国家政策，而且这样的方案具有整体综合效率高，电缆截面小，电缆和施工成本低，谐波小可忽略不计，电机不降容，可以使用普通电机，不需要变频器专用电机，电缆长度无限制，变频器的额定电流容量与电机的额定电流匹配性好，不需要占用低压变压器的容量，无电磁干扰。由于电流小，这种变频器的可靠性已经超过了低压变频器。这些设计已经在热力工程实践中取得良好效果。