变频器试验机组用异步电动机的设计

刘 洋

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)

变频器试验机组用异步电动机的设计

刘 洋

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)

介绍了变频器试验用电动机的基本要求，主要参数及整体结构。结合本设计经验简述了电动机的电磁方案初步设计以及对此种电机电磁设计的考虑。对此种电机区别于普通变频异步电动机之处做更进一步阐述。对机组电动机的整体结构做出了合理设计，为变频器试验机组用异步电动机提供了设计思路。

变频器；试验机组；异步电动机；星角转换

0 引言

随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频器生产厂家越来越多，每一套变频器都要通过出厂前试验，由于变频器种类及应用范围比较广泛，因此要求变频器试验机组适用范围越广越好。

目前国内变频器制造商的试验方法都比较落后，一般都使用带电机空载或带电阻、电抗器的方法，两种方法存在很大缺陷，空载试验只是检验了变频器输出电压的性能，而实际输出电流很小；带电阻、电抗器试验只是检验了变频器输出电流的性能，而实际的输出电压很低。实际上应该对变频器在高电压、满负荷动态带载的情况进行试验。以上两种方法无法满足实际的实验条件。

某电气研究院设计了一套能够实施能量反馈的试验设备，可以充分模拟各种工况需求，满足全系列变频器试验条件。我公司为其提供变频器试验机组用500kW异步电动机。

1 试验机组对电动机的要求

试验机组采用2台异步电动机：1台380/660V星角转换；1台660/1140V星角转换，两台电机通过联轴器连接能够实现对拖，机组如图1。

图1 机组

1.1 试验机组在试验室需要同轴安装，轴端采用在最大过载时机械角度偏差不超过1/4度的挠性联轴器连接，不设齿轮变速。

1.2 电动机转子的GD2应设计的尽可能小，使电动机机电时间常数尽可能小，以满足高动态响应的需要。

1.3 绝缘等级为F级。需对电机绕组绝缘强度设计进行校核，保证能够承受变频调速系统高次谐波电压对绝缘的影响，以及能够承受高次谐波对电机温升的影响。电动机定子绝缘强度应能适应变频器的PWM电压输出，要求能承受最大电压变化率du/dt>2kV/μs，最大瞬时电压大于2倍额定电压。

1.4 满足冲击性负荷试验对电机机械强度要求。

1.5 电机防护等级IP54或以上。

1.6 电动机冷却方式采用风冷。

1.7 电动机采用采用滚动轴承，脂润换方式。

1.8 传动侧设置转子轴接地碳刷、非传动侧设置轴承绝缘，以避免轴电流损坏轴承及光电编码器。

1.9 厂家负责在电动机非传动侧加工光电编码器安装螺纹孔及止口、支撑杆固定螺纹孔等，并保证加工精度满足安装要求。由用户提供光电编码器安装尺寸。

1.10 定子绕组测温采用PT100元件，每相配置2个，一用一备，三相共6个。电动机2个轴承各配置1个PT100测温元件。以上PT100测温元件均采用三线输出型式。

1.11 供货服务范围：试验机组电机的设计、制造、出厂试验、运输、现场安装指导及调试配合服务等(码盘和超速开关由买方自行采购，厂家在机组非传动端加工安装螺纹孔及止口、支撑杆固定螺纹孔等)。

1.12 有关吊装设备、电机基础预埋件、机组水平度、机组同轴度、电动机外形、机组安装尺寸等要求由卖方提供给买方数据。

2 电动机的主要参数

电动机的主要参数见表1。

表1 电动机主要参数

3 电动机的整体设计

根据对电机的要求，电机应该尽量做小，以实现电动机机电时间常数尽可能小，以满足高动态响应的需要。且电机要实现星角转换，存在较低电压，额定电流较大，电缆较多引出线较多，需要有充足内部空间便于引线。所以需对电机综合考虑，将从以下三方面对电机展开设计。

3.1 电磁方案的考虑

对于电机厂而言，已存在一定规模的电机冲片模具，所以在电机设计时尽量采用已有冲片。且由于此电机为变频器试验电机，用户为满足变频器频率变化范围以对电机极数做了规定。这致使在方案上做的选择十分局限，所以根据以上情况，方案应在一定范围内尽量选择较小电机来满足要求。

在初步选择方案时，应对电压及接法兼顾考虑，以减小计算量，例如：380V角接与660V，星接相电压分别为380V及381.1V，相电压基本相同。所以在初选方案时，可以只计算其中一种电压对应接法下的方案，来满足其它电气参数要求，但额定电压影响额定电流，且额定电压越小额定电流越大。所以初选方案时，尽量选用额定电压低的进行计算以便确定额定电流能够满足变频器最大电流限制[1]。

由于两规格电机电压等级不同，保证具有相同的绝缘等级需选用不同的绝缘规范，且需根据同一规格电机最大电压去选取，例如：380V/660V电机需按660V去对应选取。以本单位为例，660V电机需选用通用的900V级变频电机F级绝缘规范，1140V电机需选用通用2000V级变频电机F级绝缘规范。

3.2 单台电机结构设计

此种电机相对于普通变频电机结构的特殊之处，此电机为变频器试验用，承载要求较低，相对于我公司普通电机的三轴承结构，此电机只需两轴承结构，即负载端采用一套6224/C3深沟球轴承，非负载端采用一套NU224/C3圆柱滚子轴承。负载端设置接地电刷装置，非负载端采取绝缘措施。

此种电机定子结构设计是难点，尤其对于机座空间较小，且电压较低的电机，其电流较大，导致电缆数量较多，加之需实现星角转换，致使电缆数量翻倍，机座内部空间狭小，增加了制造难度。为实现星角转换，绕组引出线需与六个短路环连接引出，但空间限制无法安放六个短路环，通过采用短路环与连接线并用的方式，可以节省空间，即采用三个短路环，其余采用连接线的形式将绕组引出线通过电缆引出。在此过程中一定要注意通过连接线引出的电缆，电流的分配问题，有别于短路环引出形式，通过短路环引出时，线圈电流汇合到短路环，再通过短路环引出电流，保证了分配均匀，通过连接线引出时，需保证每根电缆连接的连接线分配的线圈数量相同，以保证电流均匀分配。对于电机出线盒需做特殊设计：一要考虑电流较大，连接板截面积足够大来满足大电流的要求；二要考虑星角转换，需配有六个接线连接板，以及两种实现星角转换的单独连接板。通过固定出线盒中三相引出线的位置，用以最简单的方式实现星角转换。出线盒示意图如图2。当采用角接时，用连接板将W2与U1、U2与V1、V2与W1连接，U1、V1、W1引出接电源，当采用星接时，用连接板将W2、U2、V2连接，U1、V1、W1引出接电源。

图2 出线盒示意图

3.3 整体设计

两电机同轴安装，不设齿轮箱，通过联轴器直连，为满足机械安装要求，选用JMF-030膜片联轴器，此联轴器吸收角向不对中能力1/4°，吸收径向不对中能力0.0046mm/mm，吸收轴向不对中能力±2.5mm，以保证安装要求。此电机采用IC616冷却方式，即空空冷却，需有独立冷却风机，由于两台电机直连且距离较近，需考虑冷却器进出风不相互干涉，冷却器布置及整体结构如图3所示。

图3 整体结构

4 结语

通过以上对此类电动机的基本要求的列举，以及主要参数的确定，简述了变频器试验机组用500kW异步电动机的设计，对电磁方案、定子结构、轴承结构以及整体结构的设计思路进行了阐述，为变频器试验机组用异步电动机的设计提供了设计思路，为后续变频器试验机组用电动机形成系列设计奠定了基础。

[1] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 顾绳谷.电机及拖动基础(第四版)[M].北京：机械工业出版社，2007.5.

[3] 李方圆.变频器行业应用实践(第一版).北京：中国电力出版社，2006.

Design of Induction Motor for Frequency Inverter Test Unit

LiuYang

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper introduces basic requirements, main parameters and integral structure of motor used for frequency inverter experiment, and briefly describes primary design and consideration of electromagnetic scheme. The difference between this kind of motor and common variable-frequency induction motor is further elaborated, and integral structure of unit motor is reasonably designed. It provides some design ideas for induction motor in frequency inverter test unit.

Frequency inverter；test unit；induction motor；star-delta conversion

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.05

TM343

A

1008-7281(2017)01-0017-003

刘洋 男 1987年生；毕业于合肥工业大学电气工程及其自动化专业，现从事大中型交流异步电动机的设计工作.

2016-10-14